[发明专利]基于人工介质圆柱透镜全向多波束天线

说明书

本发明提供了一种基于人工介质圆柱透镜的全向多波束天线，以人工介质圆柱透镜为载体高度集成多个天线单元构成。该天线包括圆柱透镜1，天线单元组2和金属底板3，所述圆柱透镜1由人工介质材料制成；所述多波束天线包括两个相同的天线单元组2，每个天线单元组2包括多个独立的天线单元；该天线单元固定在所述金属底板3上成为一个整体，所述两个天线单元组2沿所述圆柱透镜1的半圆周面均匀排列上下两行，两行相对错开180°。该天线在水平面内能够实现360°全覆盖，每个波束的垂直方向实测图较传统电调天线宽2‑3倍，可省去电调机构。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。

技术领域

本发明涉及无线电天线领域，更具体地，本发明涉及一种用于移动通信基站的高增益多波束天线，该天线能够在360°范围内实现水平面全覆盖。

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，通常采用的技术是所谓“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，但上述方法均非常复杂，将大幅度提升天线能耗、成本、重量等参数，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(BFN)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在2到1之间渐变，自然界不存在这种介质，因此通常采用人工合成的手段制得。但实际上龙伯透镜的介电常数很难达到这种理想状态，通常会模拟近似的变化状态来制成龙伯球。此外现有龙伯透镜存在的最大问题是质量太重。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，打孔法制造工艺及其复杂，且制备出的透镜介电常数与理想变化曲线差距较大，导致透镜的辐射效率低且质量过大。因此，长期以来龙伯透镜只能应用于厘米波雷达无源目标探测、机场跑道盲降等方面，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，由于垂直面波束宽度窄的缘故，也必须配有复杂的垂直波束下倾机构，这增加了应用的操作难度、复杂性和成本。

航天特种材料及工艺技术研究所申请了一系列龙伯透镜天线相关专利，包括球形和半球形龙伯透镜，结构和制造方法较为类似。以中国实用新型专利(201520112560.6：一种半球龙伯透镜天线)为例，其公开了一种半球龙伯透镜天线，该透镜使用增材制造(通常称3D打印)的方式制作，使用该方法制备透镜虽然不需要模具，各层介电常数可以得到较为精确的控制，但是，使用增材制造方式来制作透镜在材料的选择上有一定限制，无法使用密度非常低的泡沫类材料。制作的透镜重量还是很难有大的突破性的降低。应用于民用领域中时质量上仍不占优势。