一种变形龙伯透镜及天线的制作方法

1.本实用新型涉及天线技术领域，尤其涉及一种变形龙伯透镜及天线。


背景技术：

2.龙伯透镜以球形为基本形状，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，包括龙伯透镜以及设置于透镜上的馈源。龙伯透镜球是一个由介电材料制成的球体，能够将各个方向传来的电磁波汇聚到透镜表面相应的一点。在无限接近球体表面的部分，其材质的介电常数＝1，即与空气的介电常数相同；其球心处的介电常数＝2，球体从表面到中心材质的介电常数是渐变的。
3.现有的球形龙伯透镜天线辐射方向图在不同方向的波束宽度相同的圆锥形状，但是，很多应用场景中对不同方向的天线波束宽度要求是不同的，此时球形龙伯透镜就无法满足该状况进行使用。
4.例如，在基站通信中需要的天线辐射方向图是扇形；在一维相控阵中为了扩展扫描范围就会设法展宽扫描维度的波束宽度。
5.而申请号为“cn201610555043.5”的发明专利申请提供了一种介质透镜，介质透镜为横截面轮廓为准椭圆的柱状透镜或椭球状透镜；该介质透镜由多个单元体堆砌而成。单元体在介质透镜中的介电常数分布使得沿准椭圆的短轴方向的非平面波经介质透镜变为平面波。介质透镜的单元体采用挤出、注塑、模压、cnc加工或3d打印工艺技术进行制备，并且单元体的组装方式可以采用胶接、焊接、结构卡接或由3d打印直接打印连接。该介质透镜应用于劈裂天线时，能够提高通信系统的系统容量。并且与传统圆柱状龙伯透镜天线相比，达到劈裂天线降低透镜厚度的目的；但是该专利方案中，准椭球型透镜的介电常数只沿短轴方向变化使该方向的电磁波从非平面波变化为平面波，并未改变天线辐射方向图的形状，并不能够满足不同方向且不同宽度波束的应用场景。


技术实现要素：

6.本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种变形龙伯透镜及天线，以解决球形龙伯透镜无法满足不同方向且不同宽度波束的应用场景的问题。
7.本实用新型通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
8.一种变形龙伯透镜，包括透镜本体，所述透镜本体的形状为椭球型；
9.所述透镜本体竖直向下的投影为椭圆形，所述椭圆形中，记椭圆形的短半轴长度以参数a标识，椭圆的长半轴长度以参数b标识，椭圆轴比参数k标识；所述椭圆形的短半轴a＝40mm。
10.透镜本体为椭球形，相比传统的球形结构，在不改变透镜本体其它结构的前提下，即保证了增益等性能不变，还能够减小体积，从而满足不同方向波束的宽度不同的应用场景。
11.作为本实用新型进一步的方案：所述椭圆轴比参数k为1
‑
3。
12.作为本实用新型进一步的方案：所述椭圆轴比参数k为1。
13.作为本实用新型进一步的方案：所述椭圆轴比参数k为2。
14.作为本实用新型进一步的方案：所述椭圆轴比参数k为3。
15.一种基于所述的变形龙伯透镜的天线，包括馈源，所述馈源设置于所述变形龙伯透镜的下方。
16.作为本实用新型进一步的方案，还包括天线罩，所述变形龙伯透镜设置于馈源与天线罩之间。
17.本实用新型的优点在于：
18.1、本实用新型的透镜本体为椭球形，而且同时在短轴和长轴方向的介电常数均按规律变化，使透镜本体的聚波效果在不同来波方向是基本均衡对等的，这样可以保证透镜对任意极化的电磁波的聚波效果相同，因为变形后的透镜本体仍然是归属于龙伯透镜，所以仍然可以通过在透镜本体上布置多个馈源产生多个波束的潜力；相比传统的球形结构，在不改变透镜本体其它结构的前提下，即保证了增益等性能不变，还能够减小体积，从而满足不同方向波束的宽度不同的应用场景。
19.2、本实用新型中变形透镜天线的波束展宽效果明显，作为相控阵阵元时，扫描波束的空间覆盖范围明显增大。
附图说明
20.图1为本实用新型实施例中透镜本体的立体示意图。
21.图2为本实用新型实施例中的一种变形龙伯透镜天线的结构示意图。
22.图3为本实用新型实施例中的一种变形龙伯透镜天线的投影示意图。
23.图4为本实用新型实施例中变形透镜天线a＝40mm；k从1增大到3时的天线天顶增益和天线辐射效率的变化曲线示意图。
24.图5为本实用新型实施例中变形透镜天线的椭圆轴比参数k从1增加到3时xoz面的增益方向图。
25.图6为本实用新型实施例中变形透镜天线的椭圆轴比参数k从1增加到3时yoz面的增益方向图。
26.图7为本实用新型实施例中a＝40mm、椭圆轴比参数k＝2的变形龙伯透镜天线单元和同口径正球形龙伯透镜天线单元在13.5ghz的辐射方向图。
27.图8为本实用新型实施例中变形龙伯透镜天线延短轴方向组成8元线阵并在该维度进行相控扫描时在不同扫描角度的方向图。
28.图9为同口径正球形龙伯透镜天线组成8元线阵后进行相控扫描时在不同扫描角的方向图。
29.图中，1
‑
透镜本体，2
‑
馈源。
具体实施方式
30.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域
普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
31.实施例1
32.如图1，图1为本实用新型实施例中透镜本体的立体示意图；一种变形龙伯透镜，包括透镜本体1，所述透镜本体1的形状为椭球型。
33.进一步的，本实施例中，所述透镜本体1竖直向下的投影为椭圆形。
34.进一步的，本实施例中，所述椭圆形中，记椭圆形的短半轴长度以参数a标识，椭圆的长半轴长度以参数b标识，椭圆轴比参数k标识。容易知道，k＝b/a。
35.具体的，本实施例中，所述椭圆形的短半轴a可以根据实际情况进行确定，优选的，短半轴a＝40mm，椭圆轴比参数k可以根据实际情况进行选择，如椭圆轴比参数k取值1
‑
5，优选为1
‑
3，本实施例中为1.1。
36.透镜本体为椭圆形，而且同时在短轴和长轴方向的介电常数均按规律变化，使透镜本体的聚波效果在不同来波方向是基本均衡对等的，这样可以保证透镜对任意极化的电磁波的聚波效果相同，因为变形后的透镜本体仍然是归属于龙伯透镜，所以仍然可以通过在透镜本体上布置多个馈源产生多个波束的潜力；相比传统的球形结构，在不改变透镜本体其它结构的前提下，即保证了增益等性能不变，还能够减小体积，从而满足不同方向波束的宽度不同的应用场景。
37.实施例2
38.如图1，图1为本实用新型实施例中透镜本体的立体示意图；一种变形龙伯透镜，包括透镜本体1，所述透镜本体1的形状为椭球型。
39.进一步的，本实施例中，所述透镜本体1竖直向下的投影为椭圆形。
40.进一步的，本实施例中，所述椭圆形中，记椭圆形的短半轴长度以参数a标识，椭圆的长半轴长度以参数b标识，椭圆轴比参数k标识。容易知道，k＝b/a。
41.具体的，本实施例中，所述椭圆形的短半轴a可以根据实际情况进行确定，优选的，短半轴a＝40mm，椭圆轴比参数k可以根据实际情况进行选择，如椭圆轴比参数k取值1
‑
5，优选为1
‑
3，本实施例中为2。
42.实施例3
43.如图1，图1为本实用新型实施例中透镜本体的立体示意图；一种变形龙伯透镜，包括透镜本体1，所述透镜本体1的形状为椭球型。
44.进一步的，本实施例中，所述透镜本体1竖直向下的投影为椭圆形。
45.进一步的，本实施例中，所述椭圆形中，记椭圆形的短半轴长度以参数a标识，椭圆的长半轴长度以参数b标识，椭圆轴比参数k标识。容易知道，k＝b/a。
46.具体的，本实施例中，所述椭圆形的短半轴a可以根据实际情况进行确定，优选的，短半轴a＝40mm，椭圆轴比参数k可以根据实际情况进行选择，如椭圆轴比参数k取值1
‑
5，优选为1
‑
3，本实施例中为3。
47.实施例4
48.如图2及图3，图2为本实用新型实施例中的一种变形龙伯透镜天线的结构示意图，图3为本实用新型实施例中的一种变形龙伯透镜天线的投影示意图；一种变形龙伯透镜天线，包括实施例1
‑
3任一所述的变形龙伯透镜，还包括馈源2，所述馈源2设置于所述变形龙
伯透镜的下方。
49.进一步的，本实施例中，还可以包括天线罩，所述天线罩的固定方式可以根据实际情况进行选择，例如通过螺栓固定于地面或者其他物品上面，且所述变形龙伯透镜设置于馈源2与天线罩之间。
50.需要说明的是，所述馈源2可以通过螺栓或者其他方式(如与龙伯透镜相连为一体结构)设置于变形龙伯透镜的下方，同时龙伯球可以通过支撑柱等一体连接从而设置于馈源2与天线罩之间，且变形龙伯透镜、馈源2的固定连接方式可以根据实际工作需要进行确定。
51.优选的，本实施例中，所述馈源2的中心频率可以根据实际情况进行选择，本实施例中优选为13.5ghz。
52.此外，为了更好地说明本实用新型的有益效果，进行仿真实验，观察辐射性能，且馈源2的中心频率为13.5ghz，固定短半轴a的长度为40mm，椭圆轴比参数k从1增加到3时，观察椭圆形扁球面龙伯透镜天线在13.5ghz的辐射方向图。
53.如图4，图4为本实用新型实施例中变形透镜天线a＝40mm；k从1增大到3时的天线天顶增益和天线辐射效率的变化曲线示意图，带有空白圆圈的变化曲线代表天线辐射效率，带有黑色正方形的变化曲线代表天顶增益；可以看到，当椭圆轴比参数k从1增加到3时，天线的辐射效率从93％降低为82％。可以计算得到，如果方向图形状不改变的前提下，增益减小0.5db。但是，当k从1增加到3时，天线增益先从19.5dbi减小为13.0dbi后，增大为19.0dbi。增益的变化规律和辐射效率变化不吻合，必然是方向图的形状发生改变造成的；
54.如图5，图5为本实用新型实施例中变形透镜天线的椭圆轴比参数k从1增加到3时xoz面的增益方向图；从图5可以看出，波束宽度在xoz面的变化非常明显：k从1增加到2时，波束宽度从16.6
°
增加为62.4
°
；当k继续从2增加到3时，波束宽度从62.4减小到22.9
°
，且区域稳定；所以说明，当k＝2左右时，对波束的展宽效果最明显。
55.图6为本实用新型实施例中变形透镜天线的椭圆轴比参数k从1增加到3时yoz面的增益方向图，图6中，可以看出方向图的波束宽度在yoz面的变化没有xoz显著，且当从1增加到1.5以后，波束宽度就基本保持稳定；
56.从上可以可以得到，通过将球形的龙伯透镜变形为椭圆形扁球面龙伯透镜后，将短轴维度的波束明显展宽，而长轴维度的波束跨度变化较小，达到了改变某个维度波束宽度的目的。
57.如图7，图7为本实用新型实施例中a＝40mm、椭圆轴比参数k＝2的变形龙伯透镜天线单元和同口径正球形龙伯透镜天线单元在13.5ghz的辐射方向图；从图中可以看到，在xoz面内正球形龙伯透镜天线的波束宽度为12.2
°
，但变形龙伯透镜天线的波束宽度扩展到62.4
°
，展宽了5倍以上。同时我们也看到，在yoz面内正球形龙伯透镜天线的波束宽度为13.6
°
，但变形龙伯透镜天线的波束宽度扩展到8.4
°
，缩小了1.6倍。
58.图8为本实用新型实施例中变形龙伯透镜天线延短轴方向组成8元线阵并在该维度进行相控扫描时在不同扫描角度的方向图，图8中，可以看到，当阵列从0
°
扫描到30
°
时，增益减小不到1.3db。表明该变形龙伯透镜天线的波束扫描范围足以覆盖
±
30
°
空间范围。
59.图9为同口径正球形龙伯透镜天线组成8元线阵后进行相控扫描时在不同扫描角的方向图，图9中可以看到，当阵列扫描到5
°
以后，增益减小达到3db以上；当阵列扫描到
7.5
°
时，增益减小达到7db以上。表明同口径的正球形龙伯透镜的波束扫描范围小于
±5°
。
60.图7、图8和图9的比较结果表明，变形龙伯透镜天线的波束展宽效果明显，作为相控阵阵元时，扫描波束的空间覆盖范围明显增大。
61.工作原理：
62.透镜本体1的形状为椭球型，在应用至天线中后，得到的变形龙伯透镜天线的波束展宽效果明显，作为相控阵阵元时，扫描波束的空间覆盖范围明显增大。
63.以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种变形龙伯透镜，其特征在于，包括透镜本体(1)，所述透镜本体(1)的形状为椭球型；所述透镜本体(1)竖直向下的投影为椭圆形，所述椭圆形中，记椭圆形的短半轴长度以参数a标识，椭圆的长半轴长度以参数b标识，椭圆轴比参数k标识；所述椭圆形的短半轴a＝40mm。2.根据权利要求1所述的变形龙伯透镜，其特征在于，所述椭圆轴比参数k为1
‑
3。3.根据权利要求1所述的变形龙伯透镜，其特征在于，所述椭圆轴比参数k为1.1。4.根据权利要求1所述的变形龙伯透镜，其特征在于，所述椭圆轴比参数k为2。5.根据权利要求1所述的变形龙伯透镜，其特征在于，所述椭圆轴比参数k为3。6.一种基于权利要求1
‑
5任一所述的变形龙伯透镜的天线，其特征在于，还包括馈源(2)，所述馈源(2)设置于所述变形龙伯透镜的下方。7.根据权利要求6所述的变形龙伯透镜天线，其特征在于，还包括天线罩，所述变形龙伯透镜设置于馈源(2)与天线罩之间。
技术总结
本实用新型涉及一种变形龙伯透镜，包括透镜本体，所述透镜本体的形状为椭球型。本实用新型还公开了一种变形龙伯透镜天线，透镜本体为椭球形，相比传统的球形结构，在不改变透镜本体其它结构的前提下，即保证了增益等性能不变，还能够减小体积，从而满足不同方向波束的宽度不同的应用场景；本实用新型中变形透镜天线的波束展宽效果明显，作为相控阵阵元时，扫描波束的空间覆盖范围明显增大。描波束的空间覆盖范围明显增大。描波束的空间覆盖范围明显增大。


技术研发人员：王立 邓庆勇 刘重洋 刘培帅 孙松林
受保护的技术使用者：合肥若森智能科技有限公司
技术研发日：2020.12.08
技术公布日：2021/7/8