一种金属透镜及双极化金属透镜天线的制作方法

1.本发明涉及无线通信系统中的天线技术，尤其是一种金属透镜及双极化金属透镜天线。


背景技术：

2.天线作为无线通信系统和雷达系统等系统中缺一不可的重要组件，天线的性能决定了整个无线系统的性能和质量。随着以5g、物联网为代表的无线通信技术的全面推进，迫切需要开发合适其应用场景的高品质天线组件。透镜天线作为天线的一个重要分支，广泛用于移动通信、毫米波通信、卫星通信等方面。
3.目前常用的高增益透镜天线，大致可分为介质透镜(减速透镜)，金属透镜(加速透镜)，阵列透镜(透射阵列透镜和反射阵列透镜)和超透镜(超表面透镜和超材料透镜)。介质透镜和金属透镜都可以看做光学透镜，通过改变透镜的形状使馈源发出的球面波转换为平面波实现高增益。介质透镜的介电常数一般都大于1，所以一般都是凸透镜，金属透镜一般等效的折射率小于1，所以一般金属透镜都是凹透镜。投射阵列的原理是通过改变馈源入射到阵元的电磁波的相位，实现高增益，波束成形等功能，根据结构分类一般分为透射阵列和反射阵列。
4.就目前常用的介质透镜而言，制作材料是介质，自身会有介质损耗，尤其在高频毫米波频段，介质损耗会迅速增大，低介质损耗的材料在毫米波段成本较高。除此之外，介质透镜很难在高功率应用中使用。阵列透镜的主要缺点和介质透镜相同，大部分阵列透镜都需要基板，导致介质损耗加大和功率容量较小，虽然有全金属结构的阵列透镜，但大都带宽很窄或结构非常细小，加工非常复杂，难以在毫米波段加工实现。超透镜由于单元实现的特性大都是谐振结构实现，导致整体带宽非常窄，功率容量也较小。相对地，金属透镜的主要优点在于结构简单，增益带宽宽，功率容量高，没有介质损耗。
5.目前采用的金属透镜天线通常由许多块长度不同的金属板平行放置而成。金属板垂直于地面，愈靠近中间的金属板愈短。电波在平行金属板中传播时受到加速。从辐射源(馈源)发出的球面波经过金属透镜时，愈靠近透镜边缘，受到加速的路径愈长，而在中间则受到加速的路径就短。因此，经过金属透镜后的球面波就变成平面波。然而，现有的金属透镜的曲面通常为椭球面，为达到将球面波转换为平面波的目的，现有金属透镜的焦距f有一个最小值，也就是说其焦径比f/d(d为金属透镜的口径)存在最小值，从而使得现有金属透镜难以适用于一些要求馈源与透镜距离较近的需求场景中。因此，在目前对天线小型化的需求趋势下，有必要对现有金属透镜天线作出改进。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于至少部分的解决上述现有技术问题，提供一种双极化金属透镜及透镜天线。
7.本发明的目的之一是这样实现的：一种金属透镜，包括若干不同长度且为全金属
制作的方形开口波导单元，各方形开口波导单元平行设置，并组合形成栅格状阵列结构，以实现金属透镜焦点处发出的球面波通过金属透镜后变为平面波。
8.优选的，各方形开口波导单元的一端平齐形成平面阵面，另一端排布形成非平面阵列。
9.优选的，各方形开口波导单元的一端平齐形成平面阵面，另一端排布形成曲面，所述曲面等效为由曲线沿x轴旋转形成，所述曲线满足：
[0010][0011]
其中，x和y为金属透镜曲线上的点在平面直角坐标系下的坐标值，所述平面直角坐标系以金属透镜曲线的中点为坐标原点，以曲线中点处的切线为y轴，x轴垂直于透镜口径面，x0为金属透镜平面侧的x坐标值，f2为金属透镜的焦距，v为方形波导中传播的主模的相速度，v0为自由空间中的波速。
[0012]
优选的，所述方形开口波导单元配置为正方形波导管。
[0013]
优选的，正方形波导管正方形的边长为7mm，管壁厚为1mm。
[0014]
优选的，各方形开口波导单元的一端平齐形成平面阵面，另一端排布形成对称结构的非平面阵面，以构成菲涅尔结构。
[0015]
本发明的另一目的在于，提供一种双极化金属透镜天线，包括馈源天线和以上所述的金属透镜，馈源天线面向金属透镜的平面阵面，且馈源中心位于金属透镜的焦点处。
[0016]
优选的，还包括相连接的同轴波导转接器和正交模耦合器，正交模耦合器连接所述馈源天线。
[0017]
本发明的有益效果体现在：
[0018]
相比于现有的金属透镜天线，本发明提供的金属透镜天线采用了新型结构设计的金属透镜，焦距没有最小值限制，使得天线理论上可以支持任意焦径比，可较好的适用于一些要求馈源与透镜距离较近的应用场景中。此外，进一步优化设计的基于菲涅尔结构的金属透镜可有效解决随金属透镜的口径的增大，金属透镜的厚度会急剧增大的问题，使得本发明的金属透镜天线更利于实际应用。
附图说明：
[0019]
图1为本发明实施例的方形开口波导单元的开口结构示意图；
[0020]
图2为本发明一种实施例的金属透镜的结构示意图；
[0021]
图3为本发明实施例金属透镜与现有金属透镜的原理对比图；
[0022]
图4为本发明另一实施例金属透镜的结构示意图；
[0023]
图5为本发明实施例的双极化金属透镜天线的结构示意图；
[0024]
图6为本发明实施例双极化金属透镜天线的双圆极化辐射时峰值增益和轴比测试结果图；
[0025]
图7为本发明实施例双极化金属透镜天线的双线极化峰值增益测试结果图；
[0026]
图8为本发明实施例双极化金属透镜天线的线极化辐射方向图；
[0027]
图9为本发明实施例双极化金属透镜天线的圆极化辐射方向图。
具体实施方式
[0028]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029]
请参阅图1-9所示，本发明提供的具体实施例如下：
[0030]
参阅图1-4所示，提供一种金属透镜，包括若干不同长度且为全金属制作的方形开口波导单元1，各方形开口波导单元平行设置，并组合形成栅格状阵列结构，以实现金属透镜焦点处发出的球面波通过金属透镜后变为平面波。
[0031]
可以理解的是，本实施例方案中，所述的方形开口波导单元是指具有两端开口，并通过四周的金属壁围成有方形波导腔的波导结构单元，方形开口波导单元的长度可理解为方形波导腔的长度；各方形开口波导单元相互平行，组合形成栅格状阵列结构，即每个方形开口波导单元构成了一个独立的单元格，且每个方形开口波导单元作为一个阵列单元，方形开口的尺寸相同。进一步应该说明的是，相比现有的采用平行金属板构成的金属透镜而言，本实施例中以若干独立的方形开口波导单元形成栅格状的阵列分布结构，有利于获得更为规整的波束形状，提高辐射方向性。此外，从金属透镜的制备工艺而言，现有的金属透镜通常需要分别制作出多个长度不同的金属板，并且金属板相对的两端需加工为特定的曲线型，然后再将多个制作好的金属板按照特定的位置顺序装配到透镜安装主体(非金属材质)上，制作工序较多，结构装配较为繁杂，实施成本相对较高。而本实施例的金属透镜采用全金属材质，从而可通过3d打印即可完成整个金属透镜的制作，降低了制作成本。
[0032]
进一步的，本实施例的金属透镜是用于实现将金属透镜焦点处发出的球面波通过金属透镜后变为平面波，也就是说球面波从金属透镜的一侧进入，经过不同长度组合的方形开口波导单元的加速后转变为平面波。因此，基于金属透镜所要实现上述目的，本领域技术人员可选择将金属透镜整体设置为双凹的透镜结构。然而，基于本发明提出的有别于现有金属透镜的构建方式，作为一种建议的优选方案，各方形开口波导单元的一端平齐形成平面阵面，另一端排布形成非平面阵面，有利于简化金属透镜的结构。
[0033]
在一些实施例中，参阅图1所示，所述方形开口波导单元配置为正方形波导管，依据本领域的常识，方形开口波导中传播的主模是te10模和te01模，采用正方形波导管，这时te01和te10的截止频率差不多，可形成两个模一起传递，分别对应两种正交极化。再进一步的，正方形波导管的开口尺寸可依据实际需求进行配置，比如将正方形波导管正方形的边长a配置为7-8mm，管壁厚为1-2mm。
[0034]
参阅图2中所示，在一些实施例中，金属透镜11的各方形开口波导单元111的一端平齐形成平面阵面，另一端排布形成曲面，进一步的，图3中(b)图为本实施例金属透镜11的截面(x-y面)示意图，所述曲面可等效为由曲线沿x轴旋转360
°
所形成，所述曲线满足：
[0035][0036]
其中，x和y为金属透镜曲线上的点在平面直角坐标系下的坐标值，所述平面直角坐标系以金属透镜曲线的中点为坐标原点，以曲线中点处的切线为y轴，x轴垂直于透镜口径面，x0为金属透镜平面侧的x坐标值，f2为金属透镜的焦距，v为方形波导中传播的主模的
相速度，v0为自由空间中的波速。
[0037]
应该说明的是，现有金属透镜的曲面通常为椭球面，馈源面向椭球面，本实施例中采用的金属透镜的曲面为非球面，是基于特殊设计曲线旋转而形成的曲面，基于该设计，馈源可面向平面设置。为方便说明，结合图3所示，下面结合金属透镜的截面(x-y面)对现有金属透镜与本实施例的金属透镜进行具体分析，图3中，(a)图为现有金属透镜的截面示意图。
[0038]
根据电磁波在波导中传播的基本理论，方形波导中传播的主模是te10模和te01模，分别对应两种正交极化，他们的相速度为：
[0039][0040]
其中a为方形波导边长，λ是自由空间波长，则等效的折射率为
[0041]
n＝v0/v(n＜1)
ꢀꢀ
(2)
[0042]
为了实现高增益效果，需要将球面波转换为平面波，现有金属透镜的曲线需要满足以下公式：
[0043][0044]
假设透镜的口径半径为r，则当y＝
±
r时，方程(3)可以变换为：
[0045]
(1-n2)x
2-2(1-n)f1x r2＝0
ꢀꢀꢀ
(4)
[0046]
为了使方程(4)有解，需要满足以下条件：
[0047]
δ＝4(1-n)2f
12-4(1-n2)≥0
[0048][0049]
由方程(5)可以看出，现有金属透镜的焦距f1有一个最小值，即焦距与口径直径(d＝2*r)的比值f/d存在最小值。
[0050]
同理，为实现高增益效果，将球面波转换为平面波，本发明实施例提出的金属透镜的曲线设置为需要满足以下条件：
[0051][0052]
假设透镜的口径半径为r，则当y＝
±
r时，方程(6)可以变换为：
[0053]-(1-n)2x
2-2(1-n)(f
2-x0)x r2＝0
ꢀꢀ
(7)
[0054]
为了使方程(7)有解，需要满足以下条件：
[0055]
δ＝4(1-n)2(f
2-x0)2 4(1-n)2r2≥0
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0056]
由公式(8)可以看出，本发明实施例提出的金属透镜的焦距为任意值时方程均有解。也就是说理论上本发明实施例的金属透镜焦径比可以设计为任意值。
[0057]
综上分析，现有金属透镜的焦距f1在理论上具有最小值，相当于现有金属透镜的焦径比具有最小值，从而使得当透镜的口径确定时，焦距在达到理论最小值后不能再缩小，这种特性是由于现有金属透镜的馈电位置和透镜曲面形状决定的。而本发明实施例提出的新型金属透镜理论上可以实现任意的焦距或焦径比，在某些要求馈源与透镜距离较近的应用中，本发明实施例的金属透镜明显更具优势。
[0058]
在一些实施例中，各方形开口波导单元的一端平齐形成平面阵面，另一端排布形
成对称结构的非平面阵面，以构成菲涅尔结构。可以理解的是，理论上如果透镜的口径不断增大，透镜本身的厚度会急剧增大，不利于在实际应用中实现小型化。本实施例的金属透镜具有利用菲涅耳原理形成的菲涅尔透镜结构，可使金属透镜的厚度保持在一定值，这个厚度t1由以下公式决定：
[0059]
t1＝λ(1-n)
ꢀꢀ
(9)。
[0060]
作为一种实施例设计的金属透镜，该金属透镜是一种离散型菲涅尔金属透镜，离散型菲涅尔透镜是离散型透镜根据菲涅尔原理设计形成，可以理解的是，本实施例中所述的离散型是指构成金属透镜的各方形开口波导单元由中心向四周长度呈现为离散分布，相对的，本技术上述实施例中提出的一端排布形成曲面的金属透镜则为连续型，其曲面端的单元长度从中间向四周连续提高，而本实施例的离散型则是将方形开口波导单元的长度离散。参阅图4所示，与本发明以上实施例金属透镜11的方形开口波导单元的长度分布不同，本实施例金属透镜12的方形开口波导单元121长度(相当于视图中体现的高度)不是由透镜中心向边缘递增，而是存在突变，即长度周期性增大到一定值(比如由以上公式9确定的厚度数值)后突变到最小然后在增大。进一步的，考虑到构成离散型金属透镜的方形开口波导单元的长度不连续，该方式可以降低加工难度但会引入一定的相位误差，因此，可对金属透镜不同位置的方形开口波导单元的长度进行适当的优化调整。作为一种具体的，图4中的(a)图为离散型菲涅尔透镜结构的金属透镜12的示意图，(b)图为(a)图中各方形开口波导单元121长度分布示意图，数值单位为mm。在实际测试中发现，图2所示结构对应的金属透镜与图4所示结构的金属透镜在基本性能上差别不大，但由于菲涅尔透镜结构会引入更大的遮挡效应,使得本实施例金属透镜12的效率会略有降低；同时，由于本实施例的金属透镜12的厚度可以在透镜口径变大时保持一致，厚度相对减薄，减轻了金属透镜12重量和节省了材料用量。
[0061]
本发明的另一目的在于，提供一种双极化金属透镜天线，参阅图5所示，双极化金属透镜天线包括馈源天线2和以上所述的金属透镜12(也可采用金属透镜11)，馈源天线面向金属透镜12的平面阵面，且馈源中心位于金属透镜的焦点处。进一步优选的，还包括相连接的同轴波导转接器4和正交模耦合器3，正交模耦合器3连接所述馈源天线2。所述馈源天线可选择喇叭天线，当然，也可以使用其他馈源天线。可以理解的是，本实施例提出的双极化金属透镜天线采用了以上实施例中所述的金属透镜，馈源天线面向金属透镜的平面阵面，且馈源中心位于金属透镜的焦点处，金属透镜天线理论上可以实现任意的焦距或焦径比，可较好的适用于一些要求馈源与透镜距离较近的应用场景中，同时，也更有利于实现小型化的结构设计。
[0062]
为验证本发明提出的金属透镜天线的性能效果，对其中一种实施例的双极化金属透镜天线进行测试，金属透镜天线采用的是图2所示结构对应的金属透镜，采用铝质的正方形开口的波导单元，正方形的边长a配置为7.112mm，管壁厚为1mm。图6所示为双极化金属透镜天线为双圆极化辐射时的峰值增益和轴比测试结果图，图7为双极化金属透镜天线的双线极化时的峰值增益测试结果图，图8为双极化金属透镜天线的线极化辐射方向图，图9为双极化金属透镜天线的圆极化辐射方向图。可以理解的是，以上附图中，gain表示增益，ar表示轴比，mea表示的模拟，sim表示测量，lhcp表示左旋圆极化，rhcp表示右旋圆极化，feed horn表示喇叭天线，lp表示线性极化，vp表示垂直极化，hp表示水平极化。
[0063]
从以上测试中可以得出，基于本发明金属透镜天线的设计结构，可较为方便的实现双线极化辐射，馈源为圆极化天线时支持双圆极化辐射，金属透镜天线的峰值增益，增益带宽和口径效率较高。
[0064]
在一些其它的对比测试中还发现，本发明实施例的金属透镜天线在焦径比较小时，性能优于现有金属透镜天线。当焦径比为1时，本发明实施例的金属透镜天线的峰值增益，增益带宽和口径效率与现有金属透镜天线性能相当。当焦径比为0.8或0.5时，本发明实施例的金属透镜天线的峰值增益，增益带宽和口径效率明显比现有金属透镜天线高。
[0065]
在本发明的实施例的描述中，具体特征、结构或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0066]
在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，
“‑”
和“～”表示的是两个数值之同的范围，并且该范围包括端点。例如:“a-b”表示大于或等于a，且小于或等于b的范围。“a～b”表示大于或等于a，且小于或等于b的范围。
[0067]
在本发明的实施例的描述中，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
[0068]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。