CN218498381U - 应用于5g通信的球形透镜 - Google Patents

Abstract

一种应用于5G通信的球形透镜，属于球形透镜技术领域。该球形透镜由多个材质相同形状相同的面状介质结构连接形成，构成面状介质结构的中空圆环体介质同心设置且由球心向外等间距排列于同一个子午线大圆平面内并通过介质板固定连接在一起。该球形透镜结构简单，可以利用3D打印技术实现，馈源天线放置在透镜的焦点处即可使用，具有增益提高效果好（不会对馈源天线产生其他影响）、宽频带、小型化、制作成本低、便于集成的优点。

Description

应用于5G通信的球形透镜

技术领域

本实用新型属于球形透镜技术领域,特别涉及一种Sub-6GHz波段的应用于5G通信的球形透镜。

背景技术

目前对于5G通信的研究，主要存在两个方向，分别是Sub-6GHz和毫米波波段。在5G应用的初期，中国将Sub-6GHz作为重点建设方向，该频段能够覆盖450 MHz~6000 MHz，其中几个重点的通信频段为N77（3.3-4.2 GHz）、N78（3.3-3.8 GHz）、N79（4.4-4.5 GHz）。在世界范围内，Sub-6GHz频谱利用率正在不断增加，因此，对于上述频段的5G基站天线的需求也不断增加。

为了提高天线单元的增益，近年来引入透镜的方法受到了研究者们的广泛关注。龙伯透镜作为一种球对称的渐变介质透镜，能够将馈源天线发出的球面波转换为平面波，从而实现电磁波能量的汇聚，具体体现为馈源天线的增益增加。此外，将多个馈源放置于透镜的不同焦点或移动单一馈源的位置，就可以利用龙伯透镜实现波束扫描功能。目前引入的透镜主要有：基于不同材料的渐变介质层透镜；基于变换光学的龙伯透镜；基于超材料的超表面龙伯透镜，这些透镜往往具有结构复杂、带宽窄、损耗高和频率选择性强等缺点。

随着3D打印技术不断成熟，研究者又将目光锁定在了传统立体龙伯透镜上，通过设计透镜内部结构实现相对介电常数的渐变。虽然龙伯透镜具有宽带、高增益和能够实现波束扫描等优点，但是其复杂的内部结构和较大的体积往往成为其加工和应用的限制。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的是提供一种应用于5G通信的球形透镜。

实用新型所采用的技术方案是：一种球形透镜，其技术要点是，由多个材质相同形状相同的面状介质结构彼此呈相同角度连接形成，所述面状介质结构的外轮廓能拟合包络形成球面，所述面状介质结构由中空圆环体介质以及用于连接各中空圆环体介质的介质板构成，所述中空圆环体介质同心设置且由球心向外等间距排列于同一个子午线大圆平面内并通过介质板固定。

上述方案中，子午线大圆平面内各中空圆环体介质内的空气与介质所占体积的比值由球心向外逐渐增大，且当各中空圆环体介质的中空部分的体积一定时，各中空圆环体介质的厚度由球心向外逐渐减小。

上述方案中，所述球形透镜的中心工作频段为3 GHz-5 GHz，球型透镜的直径为中心工作频率对应的自由空间波长的两倍。

上述方案中，所述的间距范围为1.5mm-2.5mm。

本实用新型的有益效果是：该应用于5G通信的球形透镜，由多个材质相同形状相同的面状介质结构连接形成，构成面状介质结构的中空圆环体介质同心设置且由球心向外等间距排列于同一个子午线大圆平面内并通过介质板固定连接在一起。该球形透镜结构简单，可以利用3D打印技术实现，馈源天线放置在透镜的焦点处即可使用，具有增益提高效果好（不会对馈源天线产生其他影响）、宽频带、小型化、制作成本低、便于集成的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例球形透镜的立体结构示意图；

图2为本实用新型实施例子午线大圆平面内的中空圆环体介质结构示意图；

图3为本实用新型实施例子午线大圆截面示意图；

图4为本实用新型实施例仿真驻波图；

图5为本实用新型实施例仿真增益图；

图中序号说明如下：1中空圆环体介质、2介质板。

具体实施方式

使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图1～5和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

本实施例采用的应用于5G通信的球形透镜，包括由多层嵌套的中空圆环体介质1构成的面状介质结构，多个面状介质结构彼此连接，且面状介质结构的外轮廓能拟合包络形成球面。面状介质结构中各中空圆环体介质1同心设置且由球心向外等间距排列于同一个子午线大圆平面内并通过介质板2固定连接，介质板2为圆形且其穿过球形透镜中心与子午线大圆平面相垂直。介质板2与和它连接的中空圆环体介质1为一体成型结构。各中空圆环体介质1的内径由球心向外设置2个固定值，将10个圆环体分为2组（内部6个圆环体为一组，外部4个圆环体为一组），这2个固定值由球心向外逐渐增大，各组中空圆环体介质的厚度由球心向外逐渐减小，形成介电常数渐变的球形透镜。本实施例的空圆环体介质1和介质板2材料相同，都采用ABS树脂（ABS，Acrylonitrile Butadiene Styrene），ABS树脂的相对介电常数εr = 4.4，由于该球形透镜结构简单，材料单一，直接利用3D打印技术进行加工即可实现。

本实施例中的球形渐变介质透镜，是仿照但并未局限于龙伯透镜的工作原理进行设计的，其介质等效相对介电常数渐变规则与龙伯透镜的材料相对介电常数渐变规则类似，龙伯透镜的介质渐变公式为：εr = 2-(r/R)²。在确定结构时，首先根据龙伯透镜的相对介电常数分布公式确定圆环体的大直径。再根据圆环体的体积公式，空气环和介质环的体积比与圆环截面上二者半径的平方有关。已知空气相对介电常数（1）和介质的相对介电常数（4.4），就可以根据比例初步确定二者的半径，计算后，可在CST软件中进行验证。

球形透镜通过改变不同直径对应中空圆环体介质的外层介质的厚度实现等效相对介电常数的渐变。考虑到加工工艺对于外层介质厚度的限制，将内部中空圆环体介质的直径固定为大小不同的两种值，对于包含10层中空圆环体介质的子午线大圆平面，其外部四层大圆环的中空圆环体直径要大于内部六层小圆环体的中空圆环体直径，本实施例中设置最外层中空圆环体介质厚度要大于0.3mm，最内层的中空圆环体介质厚度可以为1mm。

本实施例中球形透镜的直径设置为中心工作频率所对应的自由空间波长的2倍，这一相对尺寸使其具有小型化的优势。

对本实施例的球形透镜进行馈电，将馈源天线放置于透镜焦点位置处，透镜的焦平面为垂直于子午面大圆旋转轴的平面，焦点位于该平面并且距离透镜外表面一定距离处。此时球形透镜对于天线的增益提升效果最佳。

本实施例的球形透镜便于集成，只需将已有天线放置于透镜交点处对其进行馈电即可，无需改变已有天线的结构。本透镜的工作频段能够覆盖5G通信的Sub-6GHz重点通信频段，并且不会影响天线的带宽、极化方式等，可以与基站天线进行集成。

用CST微波工作室（CST microwave studio）对该结构的球形透镜进行仿真计算，利用标准波导BJ40对该透镜进行馈电，得到这种透镜在3~5 GHz工作频带内对于馈源天线的增益提升效果。从仿真结果可以看出，这种结构的球形透镜天线的在3 GHz-5 GHz范围内，对于馈源波导端口的驻波比几乎无影响，并且在工作频段内对于馈源天线增益具有明显的提高作用。波导端口的带内平均增益提高了7.8 dB，从6.5 dBi提高到了14.3 dBi；在4.2 GHz时，透镜将波导端口的增益从5.3 dBi提高到了14.6 dBi，实现了增益增加9.3 dB。该球形透镜的工作频段和增益提高效果均符合实应用需要。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，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。

Claims (4)

1.一种球形透镜，其特征在于，由多个材质相同形状相同的面状介质结构呈固定旋转角度彼此连接形成，所述面状介质结构由中空圆环体介质以及用于连接各中空圆环体介质的介质板构成，所述中空圆环体介质同心设置且由球心向外等间距排列于同一个子午线大圆平面内并通过介质板固定。

2.如权利要求1所述的球形透镜，其特征在于，子午线大圆平面内各中空圆环体介质内的空气与介质所占体积的比值由球心向外逐渐增大，且当各中空圆环体介质的中空部分的体积一定时，各中空圆环体介质的厚度由球心向外逐渐减小。

3.根据权利要求1所述的球形透镜，其特征在于：所述球形透镜的中心工作频段为3GHz-5 GHz，球型透镜的直径为中心工作频率对应的自由空间波长的两倍。

4.如权利要求1所述的球形透镜，其特征在于：所述的间距范围为1.5mm-2.5mm。

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