一种矩形波束透镜天线的制作方法

本发明涉及矩形波束天线，尤其涉及一种矩形波束透镜天线。

背景技术：

1、随着移动通信网络在体育场馆、会展中心、交通枢纽等高密度热点区域的规模部署，传统65°定向基站天线在该类场景中暴露出覆盖边界模糊、邻区干扰严重、频率复用效率低等问题。为解决上述问题，行业内通常采用矩形波束（亦称方波束）赋形天线，通过使主波束在水平面和/或垂直面上呈现近似矩形的截面形状，并使半功率角外的波瓣快速跌落，从而将场馆划分为多个矩形扇区，使覆盖边界清晰、重叠区可控，降低同频邻区干扰，提升网络容量。

2、为实现矩形波束，目前，已有的两类典型技术方案如下：

3、第一类方案：采用阵列天线实现矩形波束赋形。例如专利文献cn109273828a公开了一种5×5的阵列方案，但这种方案馈电网络复杂，且阵列中的辐射单元应用了反向抵消的原理，对天线的辐射效率有较大影响。对于阵列天线方案，现有实现方式通常依赖大规模辐射单元阵列及复杂的多级馈电网络，导致天线整体剖面较高、装配公差难以控制，且由于馈电路径长、损耗大，致使天线辐射效率受限，物料与加工成本高昂。

4、第二类方案：采用透镜天线实现矩形波束。球形透镜或圆柱形透镜可通过合适的馈源排布产生较窄波束，在场馆场景中亦有应用。但由于单体透镜波束较窄，为覆盖场馆所需扇区通常需要采用多波束透镜天线方案，导致器件数量多、系统成本高；同时球形/圆柱形透镜本身剖面较高，与场馆内对天线低剖面、隐蔽安装的需求存在矛盾。对于多波束透镜天线方案，现有透镜多采用球形或圆柱形结构，其内部结构需通过复杂的梯度折射率设计（即介电常数从内层到外层渐变）来实现波束汇聚，制造工艺难度大；同时，球体或圆柱体几何形状导致天线体积庞大、迎风面积大，在场馆顶棚等安装空间受限或对承重、风载有严格要求的场景下，施工安装极为不便。

5、基于以上原因，本发明需要提供一种矩形波束天线，解决现有矩形波束天线在实现大型场馆、交通枢纽等特殊场景覆盖时所存在的阵列馈电复杂/效率低、透镜结构复杂/体积大/成本高、矩形波束实现工艺难度高的问题。

技术实现思路

1、本发明提供的矩形波束透镜天线，用于解决上述的至少一个技术问题。

2、一种矩形波束透镜天线，包括：馈源和透镜；

3、所述馈源包括至少一个辐射单元；

4、所述透镜包括：中间介质层以及对称设置在所述中间介质层两侧的超表面层；

5、所述超表面层包括多个按照预定规律排布的超表面单元，且所述超表面层在所述中间介质层的单侧设置至少一层；

6、每个所述超表面层的等效介电常数均小于所述中间介质层的介电常数。

7、进一步地，所述中间介质层的介电常数为1.5至2.5。

8、进一步地，所述超表面单元为具有图案的金属贴片；所述超表面层在所述中间介质层单侧设置多层时，相邻的超表面层之间设有层间距，并通过支撑结构维持层间距。

9、进一步地，距离所述中间介质层越远的超表面层，其等效介电常数越小；靠近所述中间介质层的超表面层中所述金属贴片的几何尺寸大于远离所述中间介质层的超表面层中所述金属贴片的几何尺寸。

10、进一步地，还包括最接近中间介质层的超表面层，所述最接近中间介质层的超表面层由金属贴片粘贴于所述中间介质层的表面而形成。

11、进一步地，所述支撑结构包括多个间隔设置的塑料支撑件，所述超表面层还包括介质薄膜，所述金属贴片设置在所述介质薄膜上并与所述介质薄膜整体通过所述支撑结构支撑安装在所述中间介质层的两侧。

12、进一步地，所述支撑结构为介质支撑层，所述介质支撑层的介电常数不大于1.5。

13、进一步地，所述金属贴片包括金属箔，所述金属箔通过粘贴的方式设置于所述中间介质层的表面或所述介质支撑层的表面。

14、进一步地，所述辐射单元的数量为1个时，所述透镜的俯视轮廓为正方形或圆形；所述辐射单元的数量大于等于2个时，所述透镜的俯视轮廓为n边形，n为大于3的正整数。

15、一种矩形波束透镜天线的矩形波束形成方法，采用所述矩形波束透镜天线；所述矩形波束形成方法包括：

16、步骤s1：确定馈源的数量、中间介质层的形状和介电常数、超表面层的层数、超表面层之间的距离以及各层超表面层的等效介电常数；

17、步骤s2：选定所述超表面层的超表面单元的图案，对各个超表面层进行仿真，确定各层超表面层的超表面单元的具体几何尺寸和排布规律；

18、步骤s3：根据仿真结果搭建所述矩形波束透镜天线；所述馈源用于辐射电磁波，所述电磁波经所述透镜调控后，在远场形成具有陡降特性的矩形波束。

19、与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

20、1.本发明的矩形波束透镜天线通过介质基板与超表面层组成的复合结构，仅需单层介质板配合双面超表面即可实现高性能矩形波束；相比传统5×5阵列天线，省去了复杂的功分网络和大量的辐射单元，大幅提高了辐射效率；相比传统球形透镜，极大地降低了剖面高度，便于场馆内的隐蔽安装，且显著降低制造成本。本发明的矩形波束透镜天线，能够替代传统的复杂阵列或多层梯度折射率透镜，以简化的工艺设计实现了具有陡降特性的矩形波束，同时实现了天线体积的小型化。

21、2.本发明的矩形波束透镜天线，提供了一种结构简化的矩形波束形成方案，通过结构设计和参数设计优化透镜本体构造，在确保矩形波束陡降特性的前提下，有效缩减天线纵向尺寸与整体体积，降低加工制造难度与施工安装复杂度，从而克服现有技术中存在的结构复杂、效率低、体积大及成本高的缺陷。相较于现有的阵列与透镜两条路线可实现矩形波束，能够同时兼顾矩形波束陡降特性、高效率、低剖面与小型化、低成本的要求。

1.一种矩形波束透镜天线，其特征在于，包括：馈源和透镜；

2.根据权利要求1所述的矩形波束透镜天线，其特征在于，所述中间介质层的介电常数为1.5至2.5。

3.根据权利要求2所述的矩形波束透镜天线，其特征在于，所述超表面单元为具有图案的金属贴片；所述超表面层在所述中间介质层单侧设置多层时，相邻的超表面层之间设有层间距，并通过支撑结构维持层间距。

4.根据权利要求3所述的矩形波束透镜天线，其特征在于，距离所述中间介质层越远的超表面层，其等效介电常数越小；靠近所述中间介质层的超表面层中所述金属贴片的几何尺寸大于远离所述中间介质层的超表面层中所述金属贴片的几何尺寸。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的矩形波束透镜天线，其特征在于，还包括最接近中间介质层的超表面层，所述最接近中间介质层的超表面层由金属贴片粘贴于所述中间介质层的表面而形成。

6.根据权利要求2所述的矩形波束透镜天线，其特征在于，所述支撑结构包括多个间隔设置的塑料支撑件，所述超表面层还包括介质薄膜，所述金属贴片设置在所述介质薄膜上并与所述介质薄膜整体通过所述支撑结构支撑安装在所述中间介质层的两侧。

7.根据权利要求3-5中任一项所述的矩形波束透镜天线，其特征在于，所述支撑结构为介质支撑层，所述介质支撑层的介电常数不大于1.5。

8.根据权利要求7所述的矩形波束透镜天线，其特征在于，所述金属贴片包括金属箔，所述金属箔通过粘贴的方式设置于所述中间介质层的表面或所述介质支撑层的表面。

9.根据权利要求8所述的矩形波束透镜天线，其特征在于，所述辐射单元的数量为1个时，所述透镜的俯视轮廓为正方形或圆形；所述辐射单元的数量大于等于2个时，所述透镜的俯视轮廓为n边形，n为大于3的正整数。

10.一种矩形波束透镜天线的矩形波束形成方法，其特征在于，采用权利要求1至9中任一项的所述矩形波束透镜天线；所述矩形波束形成方法包括：