[发明专利]基于龙伯透镜的高增益宽角扫描多波束井盖天线

说明书

本发明公开了一种基于龙伯透镜的高增益宽角扫描多波束井盖天线。它的基本结构包括一个用3D打印技术加工的球龙伯透镜天线、四个由4*4个垂直偶极子天线馈源组成的球面阵、固定馈源的ABS支撑架、玻璃钢井盖(三层)、ABS上盖、ABS下盖、钢框架、钢底板、玻璃钢下侧板、井座以及球体支撑块，其中小型化的垂直偶极子馈源尽可能减少了馈源对天线口径的遮挡效应，垂直偶极子固定在ABS支撑架上，ABS上盖与下盖起保护龙伯透镜天线的作用，三层玻璃钢井盖按电磁波在分层介质中的传播理论来设计，保证了其最大透射系数。利用该方案所设计出的井盖天线实现了高强度设计，并具有隐蔽性、宽角扫描、高增益以及同时多波束定向通信的优点，非常适合应用在5G通信上。

技术领域

本发明涉及到一种属于天线工程技术领域的井盖天线，具体来说是一种用于5G通信的基于龙伯透镜的高增益宽角扫描多波束井盖天线，天线造价成本低廉，无需T/R组件即可实现宽角扫描，并且能同时产生多波束，且具有隐蔽性、高增益的优点。

背景技术

井盖天线是把天线埋于地底的一种新型天线，针对现在的5G通信功耗大等缺陷，对井盖天线本身的电性能要求也越来越高，据发明者所知，现有的井盖天线存在着增益低，扫描角度小等缺点，满足不了现有5G通信对高增益、宽角扫描的要求，如专利CN210296628U中公开了一种高结构强度与信号质量的井盖天线，该井盖天线采取弹簧天线的形式，该天线增益不高，并且无法进行扫描以及产生同时多波束。因此本发明基于上述应用需求，将龙伯透镜应用于井盖天线中，设计出了一种基于龙伯透镜天线形式的高增益宽角扫描多波束井盖天线，可以很好地满足上述需求。

球形龙伯透镜天线是一种具有全向对称结构的透镜天线。透镜表面的每一点都可视为焦点，只要在透镜表面放置多个馈源，就可以在广角范围内达到多波束覆盖，波束一致性好。透镜由对环境适应性强的防潮、耐酸、耐腐蚀的介质材料组成，且透镜材料的介电常数对频率变化不敏感，天线工作带宽主要取决于馈源的带宽，适用于大容量宽带通信系统。

理论上龙伯透镜的介电常数从中心到表面满足2到1的连续变化规律，因此多年来材料技术和制造工艺水平限制了这种天线的应用。经国内外专家学者对其设计理论和制作工艺进行了系统的分析和研究，提出了材料制作工艺的一些基本方法和准则。D L.Runyon等人在名为“Luneberg lens and method of constructing same”的美国专利US 5677796中提出了一种利用二次曲线形的特殊钻头沿介质透镜的半径方向开渐变锥形孔的方法，从而设计出满足龙伯透镜介电常数渐变规律的龙伯透镜，该方法加工难度大且需考虑材料的机械强度，所以成本较高。Peter C,Strickland等人在名为“Method for fabricatingLuneburg Lenses”的专利US3721103B1中提出一种制作龙伯透镜天线的方法。该透镜天线由在橘子瓣形状体的无机材料中按一定的分布规律钻不同大小的柱孔构成，从球体表面到球心，柱孔的半径及孔的密度逐渐减少，从而实现介电常数的渐变，最后将橘子瓣形状体组合成一个球体，此种技术的加工的柱孔复杂，而且柱孔的尺寸均不一样，需要的加工组件甚多，固定困难，成本高。Michael.P.Carpenter等在名为“Lens of Gradient DielectricConstant and Methods of Production”的专利US 6433936B1中将热塑性树脂膨胀珠中掺杂陶瓷材料填入模具中，并加热使它们熔融到一起，通过调节陶瓷含量及泡沫模制品的密度来控制每层球壳的介电常数，该透镜重量轻，能保证较好的实用性，但工艺流程相对复杂，不适合量产。东南大学崔铁军等人在Applied Physics Letters上发表的题为“Broadband planar Luneburg lens based on complementary metamaterials”的论文中利用电磁超材料设计了工作于Ku波段的龙伯透镜天线，但该天线口径效率较低。