[发明专利]基于人工介质圆柱透镜扇区多波束天线

说明书

本发明公开了一种基于人工介质圆柱透镜扇区多波束天线，以人工介质圆柱透镜为载体高度集成多个天线单元构成。包括人工介质圆柱透镜1、天线单元组2，金属底板3，该天线单元组2包括若干个天线单元，每个天线单元为独立个体，固定在金属底板3上，两者形成一个整体，等高均匀沿圆柱透镜的半圆周面排列成一行。本发明的天线在水平面内能够实现180°全覆盖，且每个波束的垂直面实测方向图较传统电调天线的垂直面实测方向图宽2‑3倍，覆盖的区域内场强占优，因此无需电调机构。能够有效避免传统天线易出现的“塔下黑”现象，特别适用于密集用户及大数据流量业务区，多波束可成倍地提升容量，可适应当前和未来信息传输大爆发的需求。

技术领域

本发明涉及无线电天线领域，特别涉及一种用于移动通信基站的人工介质圆柱透镜扇区多波束天线，该天线能够在180°范围内实现水平面覆盖。

背景技术

随着移动通信4G、5G、MIMO、卫星通信、雷达、电子战等无线领域市场的需求迅速扩张，对作为无线出入口的天线也提出了新的技术要求。在满足高增益、低副瓣、窄波束、波束覆盖范围广等要求的同时还要兼顾扫描速度、成本、环境等需要。其中最重要的是天线既要能承载超大信息容量，又不能增加其数量和站址。

传统无线通讯系统中想要实现扇区覆盖多采用半功率波瓣宽度为65°的扇区天线覆盖120°扇区。如果要增大用户容量，一般是增多频点，但受频率资源限制，只有再加装扇区天线，这又受站点限制。为增大容量，已经采用的技术是所谓“劈裂天线”，它将每个扇区分成两个扇区，即2波束/120°覆盖。更多波束则用传统阵列天线理论及电子波束赋形方法，但非常复杂，能耗、成本、重量等大幅上升，难于大规模应用。

近年发展的多波束天线是一种解决方案。传统的多波束天线是用多波束形成网络(BF多)激励辐射单元平面阵列、或用多级巴特勒矩阵等做成。然而，由于存在不对称波束、隔离度、网络损耗导致增益损失、频带窄等问题，使其难以大规模应用。

龙伯透镜天线是一种透过电介质将电磁波聚焦至焦点的透镜天线，只需沿着透镜表面简单地移动馈源位置，或放置多个馈源，就可以同时接收/发射多个信号而不需改变透镜天线的位置，其具有承载多天线、多波束潜力，龙伯透镜天线主要通过龙伯球介质来实现其功能，传统龙伯球是一个具有多层介电常数不同材料的球体，各层介电常数材料理论上应在2到1之间渐变。自然界不存在这种介质，一般是人工合成。但实际上很难达到这种理想状态，此外最大的难点是质量太大。通常会模拟近似的变化状态来制成龙伯球。传统的龙伯透镜天线主要通过在基材上打孔或通过发泡方式制作。发泡法只能做到介电常数小于1.4，打孔法制造工艺极其复杂，介电常数很难贴近理想变化曲线，导致透镜的辐射效率低而且太重。长期以来只能作为厘米波雷达无源目标探测、机场跑道盲降等少量应用，难以进入民用领域。

为了减轻龙伯球的重量，研究人员进行了几十年的努力，最近在市场上已见到应用于移动通信领域的多波束龙伯球透镜天线(2017年美国特朗普总就职典的百万群众集会上，见US20110003131A1)。但支撑龙伯球透镜天线的结构过于庞大复杂。且与传统移动通信基站天线一样，也配有复杂的垂直波束下倾机构，这是由于垂直面波束宽度窄的缘故，这增加了应用的操作难度、复杂性和成本。

中国发明专利(200580038415.7：Luneberg介电透镜及其制造方法)公开了一种半球形介电透镜，其包括多个同心的半球层，每层都是含0至80％重量陶瓷的热塑性树脂膨胀珠的泡沫模制品。该发明公开的半球形介电透镜虽然能够克服传统天线的缺点能够实现较大增益且质量较轻，但透镜制造过程中需要将陶瓷与泡沫膨胀珠混合后再使用模具进行发泡，对工艺条件要求较高，且制备模具花费时间较长。

中国发明专利申请(201480057832.5：带透镜基站天线)公开了一种带透镜基站的天线，其核心是用一种均匀介电常数的介质圆柱棒作为透镜，在它的120°外围由3面10单元基站天线激励(照射)，形成3波束120°覆盖，波束增益只有1dB。一共用了30个单元天线。该发明所用介质体虽然也是圆柱形，但其介质体的介电常数为统一值，该天线的辐射效果很难媲美龙伯人工介质多层透镜。