一种三层多波束龙伯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，尤其是一种三层多波束龙伯透镜天线。


背景技术：

2.天线作为通信系统前端的关键器件，其性能直接关系着整个通信系统的性能。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增益多波束天线组件。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、卫星通信等场景，是近年来业界研究的热点。
3.在毫米波，以及太赫兹频段，渐变折射率透镜有着优异的性能，这其中龙伯透镜天线的研究和应用较为广泛。龙伯透镜通常为球状或圆柱状，其渐变折射率满足如下公式：
[0004][0005]
其中n
eff
表示等效折射率，r为归一化半径。根据公式可以得到龙伯透镜中心等效折射率为边缘为1。而透镜的等效折射率n
eff
和等效的介电常数ε
eff
又存在着如下对应关系：
[0006]
ε
eff
＝n
eff2
[0007]
所以对于龙伯透镜，其等效介电常数从透镜中心到边缘的变化范围为2到1。正是这样的物理特点让龙伯透镜能将馈源辐射出来的球面波转换成平面波辐射出去，以实现高增益。龙伯透镜是一种高度对称的结构，所以通过放置多个馈源天线，或者说切换不同的馈源天线，即可实现多波束辐射。
[0008]
迄今为止，自然界中还没有发现有着连续变化介电常数的材料。目前，通常有如下几类方案来近似实现渐变折射率。第一类是平行平板波导型龙伯透镜，其中一种是通过沿径向改变平行平板之间填充的介质(空气或其他介质)的厚度来改变等效的折射率，另一种是平行平板间放置一定数量的周期性排列的金属柱，通过改变金属柱的高度来实现离散的渐变折射率。第二类是利用超材料或超表面实现渐变折射率，这类透镜通常由一定数量的超材料或超表面单元构成，每个单元结构相似，但结构的尺寸有所不同，通过改变每个单元的结构尺寸能够实现渐变折射率。第三类是基于等效媒质理论，通过改变每个介质层对应的填充比来实现满足要求的折射率。
[0009]
上述第一类平行平板波导型龙伯透镜由两块金属平行平板构成，这就导致了这类透镜天线存在一个重量大的固有缺点，无法实现轻量化。同时，在平行平板波导填充非规则形状的介质也给天线加工带来了复杂性，因此也会增加相应成本和实用性。此外，通过排列大量周期性金属柱来实现渐变折射率这种透镜只能通过铣床加工，成本特别高。第二类超材料/超表面龙伯透镜结构比较复杂，给天线设计增加了不少难度，加工成本也较高。第三类基于等效媒质理论的龙伯透镜天线通常有3d打印和介质基板挖孔这两种方式。其中，3d打印的龙伯透镜通常为球状，体积较大，且3d打印这种加工方式的成本不如介质基板挖孔低廉。介质基板挖孔只需要对基板进行机械钻孔，成本低廉、加工方便。然而，目前较为常见
的介质基板开孔式的龙伯透镜天线多为单层结构，其存在天线增益不理想的问题，并且天线波束覆盖范围较小等问题，而只有解决的这些问题，才能使得该类的龙伯透镜天线具有更好的实用价值。


技术实现要素：

[0010]
本发明的目的在于至少部分的解决上述现有技术问题，提供一种三层多波束龙伯透镜天线。
[0011]
本发明的一种三层多波束龙伯透镜天线，包括三层具有相同结构的介质基板，三层介质基板在垂直于介质基板的方向形成间隔、平行布置；
[0012]
每层介质基板均配置为：包括圆柱状的内部基板以及嵌套于所述内部基板外围的环状的外部基板，在内部基板和外部基板上均开设有多个通孔，从而使得每层介质基板的等效介电常数从中心到最外层形成依次递减。
[0013]
作为优选的，所述内部基板的相对介电常数大于外部基板的相对介电常数。
[0014]
作为优选的，所述内部基板的相对介电常数为3.66，外部基板的相对介电常数为2.2。
[0015]
作为优选的，所述内部基板可被划分为n个同心的圆柱环，外部基板可被划分为m个同心的圆柱环，且n》m,每个圆柱环上均具有沿其圆周方向分布的多个通孔。
[0016]
作为优选的，所述内部基板被划分为10个同心的圆柱环，外部基板被划分为3个同心的圆柱环。
[0017]
作为优选的，分布于同一圆柱环上的通孔具有相同的体积v1，一个圆柱环上所开设的通孔数量n满足：
[0018]
n＝p*v2/v1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式(1)；
[0019]
其中，v2为对应圆柱环的体积，p为对应圆柱环的填充率，通过以下算式确定填充率p，
[0020][0021]
式(2)中，ε
eff
为对应圆柱环的等效介电常数，ε
air
为空气的相对介电常数，ε
sub
为对应基板的相对介电常数。
[0022]
作为优选的，包括设置在三层介质基板中的中间层介质基板边缘一侧的多个馈源天线。
[0023]
作为优选的，设置有七个馈源天线，七个馈源天线以18
°
的角度间隔均匀分布在中间层介质基板的边缘一侧，通过对不同馈源天线进行馈电可实现
±
55
°
的扫描，即多波束辐射。
[0024]
作为优选的，三层介质基板中，相邻两层介质基板的间距为3mm。
[0025]
作为优选的，所述内部基板、外部基板以及馈源天线的基板的厚度相同。
[0026]
本发明的显著进步性至少体现在：
[0027]
所提供的天线采用了三层透镜结构，结构轻巧、加工简单、成本低廉、增益较高，满足5g毫米波频段多波束高增益辐射需求。相比于单层结构的透镜而言抑制了h面副瓣电平，
提高了天线增益；进一步的，基于该天线可实现多波束高增益辐射，并且该天线实现了宽带辐射；该天线的透镜部分为全介质基板，不需要金属平行平板或其他金属结构，实现了轻量化，天线整体重量仅为32g；此外，该天线仅需pcb工艺，加工难度小，成本低廉，具有较强的实用价值。
附图说明：
[0028]
图1为本发明实施例的龙伯透镜天线中一层介质基板的结构图；
[0029]
图2为本发明一种实施例的龙伯透镜天线加工实物图；
[0030]
图3为本发明一种实施例的馈源天线结构示意图；
[0031]
图4为本发明实施例龙伯透镜天线e面电场场图；
[0032]
图5为本发明实施例龙伯透镜天线h面电场场图；
[0033]
图6为本发明实施例龙伯透镜天线s参数测试结果图；
[0034]
图7为本发明实施例龙伯透镜天线在27ghz下的e面多波束归一化方向图；
[0035]
图8为本发明实施例龙伯透镜天线在29ghz下的e面多波束归一化方向图；
[0036]
图9为本发明实施例龙伯透镜天线在31ghz下的e面多波束归一化方向图；
[0037]
图10为本发明实施例龙伯透镜天线的峰值增益。
具体实施方式
[0038]
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。
[0039]
请参阅图1-10所示，本发明提供的具体实施例如下：
[0040]
结合图1-2所示，本实施例提供一种三层多波束龙伯透镜天线，包括具有相同结构的顶层介质基板1a、中间层介质基板1b和底层介质基板1c，三层介质基板在垂直于介质基板的方向形成平行、间隔的布置；可以理解的是，在实际应用中，为方便各层介质基板的固定，可在每层介质基板的边缘处设置至少一个固定部，所述固定部可以与对应的介质基板连为一体，比如，如图2中所示，固定部被设置为从介质基板的一侧边缘延伸出的固定耳14，在固定耳14上开设有固定孔，通过固定柱穿过所述固定孔将各层介质基板固定在固定柱上，固定孔与固定柱之间可通过粘胶进行固定；进一步的，还可设置为固定耳在固定柱上的固定位置可调节，从而实现各层介质基板之间的间隔距离的可调节；
[0041]
每层介质基板均配置为：包括圆柱状的内部基板11以及嵌套于所述内部基板11外围的环状的外部基板12，在内部基板11和外部基板12上均开设有多个通孔13，从而使得每层介质基板的等效介电常数从中心到最外层形成依次递减。
[0042]
作为优选的，每层介质基板形成中心与边缘的等效介电常数比例为2的递减变化，即介质基板中心处的等效介电常数为2，边缘处的等效介电常数为1。
[0043]
可以理解的是，根据等效媒质理论，通过控制介质材料的填充率可以控制等效介电常数。在上述实施例中，采用了在介质基板上进行开孔的方式，故填充材料为空气。通过控制通孔的数量和直径，从而可获得满足要求的等效的介电常数(即可获得等效的折射
率)，而通过通孔在介质基板上的合理布局，可实现介质基板的等效介电常数从中心到最外层形成渐变式的依次递减。进一步应该说明的是，上述实施例中，每层介质基板构成了一层透镜，相比于现有的平面龙伯透镜天线，本技术实施例的天线通过在单层透镜(中间层介质基板1b)的上下分别叠放一层透镜(顶层介质基板1a和底层介质基板1c)，可以使原本从馈源天线辐射后散射到自由空间中的电磁波再次进入上下两层透镜，随后通过透镜后聚焦，进一步增强了聚焦效果，从而进一步提高了整个天线的增益。再进一步的，本技术实施例的龙伯透镜为全介质基板构成，不需要金属平行平板或其他金属结构，实现了轻量化，整个天线整体重量仅为32g左右。此外，本技术实施例的天线仅需pcb工艺，加工难度小，易于制作，成本相对低廉。
[0044]
如上所述，基于以上实施例的三层介质基板结构的天线设置，可以使辐射后散射到自由空间中的电磁波再次通过上下两层透镜形成聚焦，从而提高天线的增益。在实际测试中发现，三层介质基板之间的间距设置对于透镜的聚焦效果有着显著的影响，从而影响天线的增益效果。考虑各层介质基板的间距对天线增益的影响以及最大程度的实现天线的小型化设计，作为优化的实施方式，三层介质基板中，建议将相邻两层介质基板的间距设置为3mm，从而达到最佳的天线增益效果，同时保证了天线的小型化设计。
[0045]
在一些实施例中，所述内部基板的相对介电常数大于外部基板的相对介电常数。基于该设置方式，可更为方便的实现每层介质基板构成的透镜的等效介电常数从透镜中心到边缘的递减变化，进一步应该说明的是，本实施例中将每层介质基板构建为由介电常数不同的两块基板构成，更有利于实现天线尺寸的小型化设计。具体的，在现有的通过单块介质基板上开设通孔实现介电常数渐变的方案中，为实现介电常数由中心到边缘的递减变化，开孔率通常需设置为由中心到边缘的逐渐增大，由此，会造成边缘部分的基板上开孔密度较大，一方面会造成加工难度的增加，另一方面也会降低基板的结构强度。此外，基于单块介质基板难以达到从中心到边缘等效介电常数从2到1的变化。基于此，本实施例中创新性的提出由两块基板来构建每层介质基板，并且内部基板11的介电常数大于外部基板12，由此，可以实现外部基板12上的开孔密度可小于内部基板11最外层部分的开孔密度，较为巧妙的解决了现有技术中基于单块介质基板的龙伯透镜天线所存在上述问题。
[0046]
作为进一步的优选实施方式，所述内部基板11的相对介电常数为3.66，外部基板12的相对介电常数为2.2，由此，更有利于实现每层介质基板的等效介电常数从中心到边缘形成变化范围为2到1的递减变化。
[0047]
在一些实施例中，所述内部基板11被划分为n个同心的圆柱环，外部基板12被划分为m个同心的圆柱环，n和m均为不小于2的正整数，且n》m,每个圆柱环上均具有沿其圆周方向分布的多个通孔13。应该说明的是，通过本实施例的设置方式，可使得每层介质基板由中心到边缘获得离散的渐变的等效介电常数(折射率)；因而，可通过合理配置构成内部基板11和外部基板12的同心圆柱环的数量，实现所期望的等效介电常数的渐变分布。作为一种优选的实施方式，所述内部基板11被划分为10个同心的圆柱环，外部基板12被划分为3个同心的圆柱环。
[0048]
还应该说明的是，在以上实施例中，内部基板11和外部基板12上所划分的同心圆环可理解为虚拟的划分，即内部基板11和外部基板12均为单块的整体基板。当然，根据实际需要，内部基板11和外部基板12上所划分的同心圆环也可以为实体上的划分，即内部基板
11和外部基板12均由多个独立的圆柱环嵌套组合形成。
[0049]
依据前述实施例可知，每层介质基板中，等效介电常数由中心到边缘呈现渐变递减分布，因此，由中心处的圆柱环到边缘处的圆柱环的等效介电常数也呈现该变化趋势，在实际中，可依据所期望的介电常数分布，依次划分设定每个圆柱环的等效介电常数，当每个圆柱环的等效介电常数设定后，便可匹配设置每个圆柱环上通孔的直径和通孔数量，以使得每个圆柱环的等效介电常数满足对应设定的数值。具体的，以某一个圆柱环为例，该圆柱环的通孔填充率p与该圆柱环的等效介电常数ε
eff
满足以下关系式：
[0050][0051]
上式中，圆柱环的等效介电常数ε
eff
为已知的设定值，ε
air
为空气的相对介电常数，ε
sub
为圆柱环所属基板的相对介电常数，由此，可以通过上述关系式计算出每个圆柱环的通孔填充率p。
[0052]
作为进一步优选的实施方式，为提升加工制作的效率，可将分布于同一圆柱环上的通孔13设置为相同的大小，即各通孔13具有相同的体积v1，对于某一个圆柱环而言，其通孔填充率p等于各通孔的体积之和与该圆柱环的体积之比，因此，该圆柱环上所开设的通孔数量n可通过以下算式确定：
[0053]
n＝p*v2/v1；
[0054]
上式中，v2为该圆柱环的体积。由此，当确定通孔的开设大小后，即可确定每个通孔的体积v1，进而可确定所需开设的通孔数量。
[0055]
在一些实施例中，龙伯透镜天线还包括设置在三层介质基板中的中间层介质基板1b边缘一侧的多个馈源天线2。各馈源天线的前端对准中间层介质基板1b的中心，后端连接信号端口(port1、port2、port3、port4、port5、port6、port7)。
[0056]
作为一种可选择的，所述馈源天线2为反足线性锥形天线，用以实现较宽的阻抗带宽。参阅图3所示，这类天线通常包括pcb基板以及印刷在pcb基板上下两面的两个呈背靠背张开状的金属贴片(21，22)，并通过基板上的金属化孔23连接上下两个金属贴片，具体结构在此不做过多阐述。
[0057]
作为一种优选的实施例方式，参阅图2中所示，设置有七个馈源天线2，七个馈源天线以18
°
的角度间隔均匀分布在中间层介质基板1b的边缘一侧，即相邻两个馈源天线所在径向之间的角度差为18
°
，通过对不同馈源天线2进行馈电可实现
±
55
°
的扫描，即实现多波束辐射。
[0058]
在一些实施例中，所述内部基板、外部基板以及馈源天线的基板的厚度相同。基于本实施例的设置方式，可方便实现三个基板的同步加工，提升天线的加工制作效率。作为一种具体的，将内部基板、外部基板以及馈源天线的基板的厚度均配置为1.5mm。
[0059]
为验证本技术实施例所提供的龙伯透镜天线的性能效果，下面结合实际的天线测试数据进行说明。所测试的天线设置为：内部基板材料采用rogers ro4350b(相对介电常数为3.66)，外部基板采用f4bme220(相对介电常数为2.2)，馈源天线采用f4bme220基板，它们的厚度均为1.5mm，内部基板分为10个同心圆柱环，将外部基板分为3个同心圆柱环，相邻两层介质基板间隔3mm设置，每层介质基板的半径为33mm，天线总高度为10.5mm。
[0060]
参阅图4-10给出了测试结果，其中，图4为所测试龙伯透镜天线e面电场场图，由于馈源天线采用的是水平极化，所以该龙伯透镜天线呈现为e面聚焦的透镜天线，可以看出，天线的聚焦效果较好；图5为所测试龙伯透镜天线h面电场场图，可以看出，本技术三层结构的透镜能明显抑制h面的副瓣；图6为所测试龙伯透镜天线s参数测试结果图；图7-图9分别为所测试龙伯透镜天线在27ghz、29ghz、31ghz下的e面多波束归一化方向图，图10为所测试龙伯透镜天线的峰值增益。可以看出，该本技术天线可实现
±
55
°
的多波束高增益辐射，中心波束在28ghz的增益为18.2dbi。同时，该天线实现了宽带辐射，其-10db阻抗带宽为24ghz-34ghz，不同波束的增益在25.5ghz-32.5ghz的范围内均大于16dbi，实现了较为明显的增益效果。
[0061]
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。
[0062]
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。
[0063]
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。
[0064]
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。