一种透镜天线论文和设计-董佳

全文摘要

本申请实施例公开了一种透镜天线，该透镜天线包括：天线馈源、折转透镜和透镜阵列；所述天线馈源，用于向所述折转透镜发射电磁波信号；所述透镜阵列包括至少两个透镜阵元，分布在所述折转透镜的发射面上；所述折转透镜，用于将所述电磁波信号折射至所述发射面上每一透镜阵元；每一所述透镜阵元，用于将所述电磁波信号转换为辐射波束，并向外辐射。

主设计要求

1.一种透镜天线，其特征在于，所述透镜天线包括：天线馈源、折转透镜和透镜阵列；所述天线馈源，用于向所述折转透镜发射电磁波信号；所述透镜阵列包括至少两个透镜阵元，分布在所述折转透镜的发射面上；所述折转透镜，用于将所述电磁波信号折射至所述发射面上每一透镜阵元；每一所述透镜阵元，用于将所述电磁波信号转换为辐射波束，并向外辐射。

设计方案

1.一种透镜天线，其特征在于，所述透镜天线包括：天线馈源、折转透镜和透镜阵列；

所述天线馈源，用于向所述折转透镜发射电磁波信号；

所述透镜阵列包括至少两个透镜阵元，分布在所述折转透镜的发射面上；

所述折转透镜，用于将所述电磁波信号折射至所述发射面上每一透镜阵元；

每一所述透镜阵元，用于将所述电磁波信号转换为辐射波束，并向外辐射。

2.根据权利要求1所述的透镜天线，其特征在于，所述折转透镜包括由内向外排布的至少两层介质，其中，位于外层的介质包覆位于内层的介质，使所述电磁波信号由所述天线馈源透过每一层所述介质；

所述至少两层介质用于提供至少两个信号通道，使所述电磁波信号分为至少两路信号，并从所述天线馈源折射至所述发射面上每一透镜阵元的焦点处。

3.根据权利要求2所述的透镜天线，其特征在于，所述至少两层介质分别具有预设的介电常数和不同的几何参数；其中，相邻两层介质的所述介电常数不同。

4.根据权利要求3所述的透镜天线，其特征在于，每一所述透镜阵元为凸透镜或凹透镜；

所述凸透镜或凹透镜用于将每一路电磁波信号分别转换为平面波束，并向外辐射。

5.根据权利要求4所述的透镜天线，其特征在于，每一所述透镜阵元的焦点位于所述折转透镜的发射面上。

6.根据权利要求1至5任一项所述的透镜天线，其特征在于，所述折转透镜为半球形，所述天线馈源位于所述折转透镜的球心处；所述透镜阵元分布在所述折转透镜的半球面上。

7.根据权利要求6所述的透镜天线，其特征在于，所述折转透镜的每一层介质为具有不同几何参数的半椭球形；所述几何参数包括所述半椭球形的球心位置、短轴半径、长轴半径和厚度。

8.根据权利要求1至5任一项所述的透镜天线，其特征在于，所述天线馈源发射的电磁波信号为球面波信号。

9.根据权利要求1至5任一项所述的透镜天线，其特征在于，所述天线馈源还用于接收电磁波信号；

所述透镜阵列还用于将从外界接收到的电磁波信号折射至所述折转透镜；

所述折转透镜还用于将所述电磁波信号从所述发射面折射至所述天线馈源。

10.根据权利要求1至5任一项所述的透镜天线，其特征在于，所述每一透镜阵元处设有开关，用于开启或关闭所述透镜阵元。

设计说明书

技术领域

本申请实施例涉及无线通信技术，涉及但不限于一种透镜天线。

背景技术

透镜天线是一种能够通过电磁波，将点源或线源的球面波或柱面波转换为平面波从而获得笔形、扇形或其他形状波束的天线。通过设计透镜表面形状和折射率，调节电磁波的相速以获得辐射口径上的平面波前。然而，现有技术中，对于馈源数量有限的情况，透镜天线覆盖角域有限，难以实现多波束的功能。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例为解决现有技术中存在的至少一个问题而提供一种透镜天线。

本申请实施例的技术方案是这样实现的：

本申请提供一种透镜天线，该透镜天线包括：天线馈源、折转透镜和透镜阵列；所述天线馈源，用于向所述折转透镜发射电磁波信号；所述透镜阵列包括至少两个透镜阵元，分布在所述折转透镜的发射面上；所述折转透镜，用于将所述电磁波信号折射至所述发射面上每一透镜阵元；每一所述透镜阵元，用于将所述电磁波信号转换为辐射波束，并向外辐射。

本申请实施例中，通过提供一种透镜天线，通过仿生复眼结构的透镜阵列，在天线馈源数量受限的情况下，实现多波束的功能，扩大天线覆盖角域。

附图说明

图1A为相关技术中透镜天线的组成结构示意图；

图1B为相关技术中透镜天线的原理示意图；

图2A为使用多个馈源的龙伯透镜的组成结构示意图；

图2B为使用龙伯透镜形成多波束的原理示意图；

图3为本申请实施例中的透镜天线的组成结构示意图；

图4为本申请实施例中透镜天线的天线阵元的结构示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的各实施例，现对以下名词进行做出如下解释：

馈源是高增益天线的初级辐射器，用于把高频电流或束缚电磁波变成辐射的电磁波能量，是一种弱方向性天线。

焦点，这里指透镜的光学焦点，平行于主光轴的光线通过凸透镜后汇聚于主光轴上的一点，这个点为凸透镜的焦点，平行于主光轴的光线通过凹透镜后发散，发散光线的反向延长线相交于主光轴上的一点，为凹透镜的焦点。

波阵面，又称为波面或等相面，是波源发出的振动在介质中传播经相同时间所到达的各点组成的面。走在最前面的波面被称为波前。

球面波是指波阵面为同心球面的波。

柱面波是指波阵面为同轴柱面的波。

副瓣，又称为旁瓣。在天线方向图上，波束的辐射方向呈现花瓣状，最大的辐射方向所在的瓣称为主瓣，其与的瓣称为旁瓣或副瓣。通常主瓣的波束是希望的方向上的辐射，而副瓣是不希望的，副瓣会带来干扰等问题。

路损，即路径损耗，是指电磁波在传输过程中所产生的损耗。

复眼透镜是由一系列小透镜组合形成的透镜装置。复眼透镜阵列一般应用于照明系统，其可以获得高的光能利用率和大面积的均匀照明。复眼透镜在微显示器及投影显示领域有广阔的应用前景。

龙伯透镜(Luneberg Lens)，又称为龙勃透镜，它是一个球形的多面折射透镜，当光线通过透镜后，会在透镜两侧相互折射，形成一个放大的镜像。应用龙伯透镜的天线被称为龙伯透镜天线，主要用于将发散的球面波汇聚为平面波。

相关技术中的透镜天线一般采用多层结构，透镜介质折射率不均匀，每一层都有固定均匀的介电常数，如图1A所示，把馈源10(信源)放到焦点处，透镜11内各点的折射率与各点位置到球心的距离相关，如图1B所示，满足如下公式(1)，则可以将球面波汇聚为平面波，其波前12为等相位面：

其中，ε(r)为透镜中一点的折射率，r为该点到球心的距离，R为透镜的球体半径，n(r)为折射系数。

若要形成多波束，则需要在透镜外围布置多个馈源，如图2A所示，透镜11为龙伯透镜，馈源10分布在透镜11一侧的各个焦点处。当馈源10向透镜11发射电磁波信号时，透镜11的另一侧对应形成多个波束13，如图2B所示。

对于这种透镜天线，单个馈源形成的波束宽度覆盖域有限，并且当馈源位置偏离焦点时，产生的副瓣较大。需要实现多波束来增加覆盖范围时，需要采用多个馈源及后端电路，增加了路损和成本。

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案进一步详细阐述。

本申请实施例提供一种透镜天线100，如图3所示，该透镜天线100包括：天线馈源110、折转透镜120和透镜阵列130。

天线馈源110，用于向折转透镜120发射电磁波信号；

透镜阵列130包括至少两个透镜阵元131，分布在折转透镜120的发射面121上；

折转透镜120，用于将电磁波信号折射至发射面121上的每一透镜阵元131；

每一透镜阵元131，用于将电磁波信号转换为辐射波束，并向外辐射。

这里，天线馈源110可以只有一个，发射出的电磁波信号进入折转透镜中，折转透镜由能够传递电磁波的介质材料制成。折转透镜内部的介电常数可以是不均匀的，且折转透镜的介电常数与空气或真空不同，因此，电磁波信号进入折转透镜后会发生折射。根据需求，可以通过设置折转透镜内部的结构和折转透镜的介电常数，来确定电磁波进入折转透镜后的传输路径。电磁波信号经过折转透镜的折射后，达到折转透镜的发射面，这里分布着包括至少两个透镜阵元的透镜阵列。每一透镜阵元会接收到一部分电磁波信号，并将接收到的球面波或柱面波等波形的电磁波信号转换为平面波等形态的辐射波束，再向外发射。

本申请实施例提供另一种透镜天线，该透镜天线包括：天线馈源、折转透镜和透镜阵列。

天线馈源，用于向折转透镜发射电磁波信号；

透镜阵列包括至少两个透镜阵元，分布在折转透镜的发射面上；

折转透镜，用于将电磁波信号折射至发射面上的每一透镜阵元；

每一透镜阵元，用于将电磁波信号转换为辐射波束，并向外辐射；

折转透镜包括由内向外排布的至少两层介质，其中，位于外层的介质包覆位于内层的介质，使所述电磁波信号由所述天线馈源透过每一层所述介质；

所述至少两层介质用于提供至少两个信号通道，使所述电磁波信号分为至少两路信号，并从所述天线馈源折射至所述发射面上每一透镜阵元的焦点处。

通过设置折转透镜每一层介质的形状和材料的介电常数，就可以确定电磁波信号进入折转透镜后的折射方向。至少两层介质可以使电磁波在折转透镜中发生多次折射，从而形成一定的信号通道。这里，通过设计折转透镜，使电磁波信号进入折转透镜后可以分为至少两路，也就是折转透镜的至少两层介质提供至少两个信号通道。

这里的透镜阵元是由透镜组成的，具有透镜的焦点，当电磁波信号经过折转透镜的折射后，射向透镜阵元的焦点，再经过透镜阵元的折射转换为辐射波束，并向外辐射。

本申请实施例提供另一种透镜天线，该透镜天线包括：天线馈源、折转透镜和透镜阵列。

天线馈源，用于向折转透镜发射电磁波信号；

透镜阵列包括至少两个透镜阵元，分布在折转透镜的发射面上；

折转透镜，用于将电磁波信号折射至发射面上的每一透镜阵元；

每一透镜阵元，用于将电磁波信号转换为辐射波束，并向外辐射；

折转透镜包括由内向外排布的至少两层介质，其中，位于外层的介质包覆位于内层的介质，使所述电磁波信号由所述天线馈源透过每一层所述介质；

所述至少两层介质分别具有预设的介电常数和不同的几何参数；其中，相邻两层介质的介电常数不同。所述至少两层介质用于提供至少两个信号通道，使所述电磁波信号分为至少两路信号，并从所述天线馈源折射至所述发射面上每一透镜阵元的焦点处。

这里，每层介质都具有不同的几何结构，外层的介质包覆内层的介质，每层介质的几何结构由几何参数来决定，例如，当一层介质为椭球形时，其几何参数包括外表面的长轴半径和短轴半径、内表面的长轴半径和短轴半径，以及各位置的厚度等等。

相邻两层介质的介电常数不同，这样，电磁波信号由一层介质进入另一层介质时，可以发生折射现象，改变传播的方向。电磁波信号经过至少两层介质后，发生至少两次折射，从而得到一定的信号通道，到达指定的透镜阵元的焦点处。

本申请实施例提供另一种透镜天线，该透镜天线包括：天线馈源、折转透镜和透镜阵列。

天线馈源，用于向折转透镜发射电磁波信号；

透镜阵列包括至少两个透镜阵元，分布在折转透镜的发射面上；

折转透镜，用于将电磁波信号折射至发射面上的每一透镜阵元；

每一透镜阵元为凸透镜或凹透镜，用于将每一路电磁波信号分别转换为平面波束，并向外辐射；

折转透镜包括由内向外排布的至少两层介质，其中，位于外层的介质包覆位于内层的介质，使所述电磁波信号由所述天线馈源透过每一层所述介质；

透镜阵元的结构如图4所示，可以为凸透镜或凹透镜，其中，凸透镜包括：一面凸起另一面为平面的平凸透镜、两面凸起的凸凸透镜和一面凸起另一面凹陷的凹凸透镜；凹透镜又包括：一面凹陷另一面为平面的平凹透镜、两面凹陷的凹凹透镜和一面凸起另一面凹陷的凸凹透镜。电磁波由透镜阵元的焦点处射向凸透镜或凹透镜，经过折射形成平面波束，并向外辐射。

在其他实施例中，每一透镜阵元的焦点位于折转透镜的发射面上。

电磁波信号经过折转透镜的折射后，分为几路信号分别到达折转透镜的发射面上的每一透镜阵元的焦点处，再经过透镜阵元转换为平面波束，并向外辐射。

本申请实施例提供一种透镜天线，该透镜天线包括：天线馈源、折转透镜和透镜阵列。

天线馈源，用于向折转透镜发射电磁波信号；

折转透镜，用于将电磁波信号折射至发射面上的每一透镜阵元；折转透镜为半球形，天线馈源位于折转透镜的球心处；

透镜阵列包括至少两个透镜阵元，分布在折转透镜的半球面上；

每一透镜阵元，用于将电磁波信号转换为辐射波束，并向外辐射。

这里，天线馈源位于折转透镜的球心处，发射出的电磁波信号射向折转透镜中。电磁波信号经过折转透镜的折射至半球面，再被透镜阵列的至少两个透镜阵元转换为需要的辐射波束，如平面波束，并向外辐射。

在其他实施例中，折转透镜的每一层介质为具有不同几何参数的半椭球形；其中，几何参数包括半椭球形的球心位置、短轴半径、长轴半径和厚度等，决定了每一层介质的几何结构。电磁波信号在每一层介质中传输，进入另一层介质时发生折射。因此，确定每一层介质的几何结构和每一层介质的介电常数后，就可以确定电磁波信号的信号通道。

在其他实施例中，天线馈源发射的电磁波为球面波信号。球面波信号经过折转透镜的折射后，形成多路电磁波信号到达透镜阵列的每一透镜阵元，透镜阵元将电磁波信号转换为平面波束，并向外辐射。

在其他实施例中，每一透镜阵元处设有开关，用于开启或关闭透镜阵元。当一个透镜阵元的开关开启时，电磁波信号可以通过该透镜阵元向外辐射；当开关关闭时，电磁波信号无法通过该透镜阵元向外辐射。设置一定的开启时间和频率，使透镜阵列的每一透镜阵元依次开启或关闭，就能够实现波束的扫描，依次向外辐射不同方向的辐射波束。

本申请实施例提供一种透镜天线，该透镜天线包括：天线馈源、折转透镜和透镜阵列。

天线馈源，用于向折转透镜发射电磁波信号；

透镜阵列包括至少两个透镜阵元，分布在折转透镜的发射面上；

折转透镜，用于将电磁波信号折射至发射面上每一透镜阵元；

每一所述透镜阵元，用于将所述电磁波信号转换为辐射波束，并向外辐射；

天线馈源，还用于接收电磁波信号；

透镜阵列，还用于将从外界接收到的电磁波信号折射至折转透镜；

折转透镜，还用于将电磁波信号从发射面折射至天线馈源。

这里，透镜天线不仅用于向外界发射电磁波信号，还用于接收外界的电磁波信号。当透镜天线接收外界的电磁波信号时，电磁波信号的传输路径与发射时的传输路径相反。由透镜阵列接收外界的电磁波信号，并折射至折转透镜；再经过折转透镜的信号通道传输至天线馈源，最终由天线馈源接收。由于透镜阵列具有多个透镜阵元，可以分别接收不同方向来源的电磁波信号，因此，这里也只需要一个天线馈源作为接收端就可以接收来自多个方向的电磁波信号。

本申请实施例提供一种透镜天线，该透镜天线包括：透镜阵列、折转透镜和天线馈源。

透镜天线是一种采用仿生复眼结构的复眼透镜天线，主要由三层组成：最内层的天线馈源，其次是折转透镜，最外层的透镜阵列，天线馈源发射的信号经过折转透镜折射后，到达透镜阵列中每个透镜阵元的焦点处，再根据透镜原理，将信号转换成平面波，形成多个波束信号，实现宽角域覆盖。

天线馈源用于发射或接收电磁波信号。

折转透镜主要实现电磁波的宽角域化。电磁波具有波粒二象性，在其传输的过程中，经过介电常数不同的介质时，会发生折射现象。通过设置每层介质的介电常数和几何厚度，将馈源发出的电磁波信号经过多层介质的折射传输到每个透镜阵元的焦点处，形成多个通路。由于透镜阵元相对于天线馈源的角度不同，对每个通路的信号来说，经过每层介质的入射角也是不同的，所以每层介质的厚度是不均匀的，且有多种介电常数和几何结构的组合。对于单个通道而言，由于口径很小。故可看作一棱镜.通过折转天线馈源的信号，有效的改善了边缘信号强度，使得系统能够达到较大的覆盖角域。

透镜阵列的每一透镜阵元将天线馈源发出的发散的电磁波信号(球面波或者柱面波)转变为平面波，从而达到汇聚作用，如图4所示，有多种透镜结构可以实现这一过程，所以，透镜阵元可以采用图4中许多透镜结构的一种，也可能是多种透镜结构的组合。当天线馈源发出的电磁波信号经过折转透镜形成多个通路到达透镜阵列每个透镜阵元的焦点处时，透镜阵元便可以将电磁波信号转换成平面波辐射出去。

本申请实施例所提供的透镜天线，利用折转透镜将馈源发射的电磁波信号分解成多个通道信号，每一路信号作为透镜天线阵元的馈源，再次辐射出去，实现了多波束。相比传统的透镜天线，增加了覆盖角域，并且不需要增加馈源的数量。利用折转透镜，可以将电磁波信号汇聚到各个透镜阵元的焦点处，避免了副瓣的产生。当在透镜阵元处增加开关时，可以使每个信号通道独立工作，实现波束扫描功能。

在其他实施例中，可以在每个透镜阵元上加入开关，按照预设的顺序或者时间规则依次打开，则可以控制每一天线阵元是否进行透射，实现波束的扫描。

应理解，说明书通篇中提到的“一个实施例”或“一实施例”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本实用新型的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在一个实施例中”或“在一实施例中”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定的特征、结构或特性可以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。应理解，在本实用新型的各种实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。

上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元；既可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本实用新型各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

以上所述，仅为本实用新型的实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

设计图

一种透镜天线论文和设计

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