一种全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线[发明专利]

(12)发明专利

(10)授权公告号 CN 1127650 B(45)授权公告日 2022.05.17

(21)申请号 202011556630.9(22)申请日 2020.12.24

(65)同一申请的已公布的文献号

申请公布号 CN 1127650 A(43)申请公布日 2021.05.07

(73)专利权人 北京理工大学地址 100081 北京市海淀区中关村南大街5

号(72)发明人 卢宏达　聂博宇　刘埇　张彦博　

刘植鹏　(51)Int.Cl.

H01Q 15/02(2006.01)H01Q 1/42(2006.01)H01Q 1/50(2006.01)(56)对比文件

CN 1100629 A,2020.03.17CN 103682674 A,2014.03.26CN 109687158 A,2019.04.26CN 111697349 A,2020.09.22CN 108808260 A,2018.11.13

()发明名称

一种全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线(57)摘要

本发明涉及一种全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线，属于透镜天线技术领域。所述多波束透镜天线通过沿直线切割完整的二维麦克斯韦鱼眼透镜并采用沿直线排列的馈源阵列，将端口切换和频率切换结合起来，实现波束宽角扫描。天线结构有两种组装模式。第一种组装模式使用上层金属盖板、下层金属盖板、凸台型六端口网络上半部分、六端口网络下半部分与斜面金属环进行安装与连接；第二种组装模式使用下层金属盖板、斜面型六端口网络上半部分、六端口网络下半部分与平面金属环进行安装与连接。两种组装模式下俯仰面波束指向分别为

CN 105762527 A,2016.07.13

CN 108075236 A,2018.05.25CN 1070660 A,2016.04.06WO 2019034117 A1,2019.02.21US 2010134368 A1,2010.06.03

杨帆.基于波导色散特性的波束扫描天线技术.《中国博士学位论文全文数据库（基础科学辑）》.2019,(第6期),全文.

Hongda Lu.Fully Metallic Anisotropic Lens Crossover-in-Antenna Based on Parallel Plate Waveguide Loaded With Uniform Posts.《IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION》.2020,第68卷(第7期),全文.

Hongda Lu.A Millimeter-Wave Fully Metallic Six-Channel Crossover Based on Maxwell Fish-Eye Lens.《IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS,》.2020,第30卷(第11期),全文.

审查员 肖小义

权利要求书2页 说明书5页 附图10页

0°和20°，方位面波束扫描范围超过±90°，工作频率范围为33‑36GHz。在有限的空间内，提升了波束覆盖率；同时馈源沿直线排列，易于集成；通过透镜切割，缩减了体积；采用全金属制备，辐射效率高。

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1.一种全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线，其特征在于：包括上层金属盖板、下层金属盖板、凸台型六端口网络上半部分、六端口网络下半部分和斜面金属环；

其中，所述上层金属盖板包括通孔和固定所用螺纹孔；所述下层金属盖板包括下层金属板与下层金属板上附着的金属柱阵列、支撑底柱以及通孔和连接所用的螺纹孔；所述六端口网络下半部分包括六个波导通道，每个波导通道与外围波导通过连接端口相连；所述凸台型六端口网络上半部分与六端口网络下半部分共同形成透镜天线的馈电网络，以供全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜多波束天线和外围波导进行连接；所述斜面金属环包括环状斜面结构和安装用螺纹孔；

其中，所述金属柱阵列为对于麦克斯韦鱼眼透镜进行了切割，舍去其余部分金属柱，满足部分麦克斯韦鱼眼透镜结构；

每个金属柱的不同摆放位置产生对应其中，所述金属柱阵列为K个高低不同的金属柱，

的等效折射率，该金属柱阵列的摆放位置满足麦克斯韦鱼眼透镜的折射率分布；

其中，K的范围为600到800之间；其中，所述馈电网络的六个馈电端口在所述金属柱阵列的切割线上沿直线排布。

2.根据权利要求1所述的一种全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线，其特征在于：所述凸台型六端口网络上半部分与六端口网络下半部分通过螺钉进行对准连接并组装成馈电网络；上层金属盖板与组装好的馈电网络中凸台型六端口网络上半部分通过螺钉连接；下层金属盖板与组装好的馈电网络中六端口网络下半部分通过螺钉连接；斜面金属环套在下层金属盖板上并利用螺钉进行连接。

3.根据权利要求1所述的一种全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线，其特征在于：由上层金属盖板、下层金属盖板与斜面金属环三者结合形成上下对称的平行板结构，支持水平辐射的扇形波束。

4.根据权利要求1所述的一种全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线，其特征在于：工作频率范围为毫米波频段。

5.根据权利要求1所述的一种全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线，其特征在于：通过馈电端口的切换实现波束的方位角扫描，波束扫描范围大于±90°。

6.一种全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线，其特征在于：包括下层金属盖板、斜面型六端口网络上半部分、六端口网络下半部分和平面金属环；

其中，所述下层金属盖板包括下层金属板与下层金属板上附着的金属柱阵列、支撑底柱以及通孔和连接所用的螺纹孔；所述六端口网络下半部分包括六个波导通道，每个波导通道与外围波导通过连接端口相连；所述斜面型六端口网络上半部分与六端口网络下半部分共同形成透镜天线的馈电网络，以供全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜多波束天线和外围波导进行连接；所述平面金属环包括环状平面结构和安装用螺纹孔；

其中，所述金属柱阵列为对于麦克斯韦鱼眼透镜进行了切割，舍去其余部分金属柱，满足部分麦克斯韦鱼眼透镜结构；

其中，所述金属柱阵列为K个高低不同的金属柱，每个金属柱的不同摆放位置产生对应的等效折射率，该金属柱阵列的摆放位置满足麦克斯韦鱼眼透镜的折射率分布；

其中，K的范围为600到800之间；其中，所述馈电网络中六个馈电端口在距离所述金属柱阵列的割线上沿直线排布。

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7.根据权利要求6所述的一种全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线，其特征在于：所述斜面型六端口网络上半部分与六端口网络下半部分通过螺钉进行对准连接并组装成馈电网络；下层金属盖板与组装好的馈电网络中六端口网络下半部分通过螺钉连接；平面金属环套在下层金属盖板上并利用螺钉进行连接。

8.根据权利要求6所述的一种全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线，其特征在于：由下层金属盖板与平面金属环两者结合形成非对称结构，支持上翘辐射的扇形波束。

9.根据权利要求6所述的一种全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线，其特征在于：工作频率范围为毫米波频段。

10.根据权利要求6所述的一种全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线，其

通过馈电端口的切换实现波束的方位角扫描，波束扫描范围大于±90°。特征在于：

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一种全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线

技术领域

[0001]本发明涉及一种全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线，属于透镜天线技术领域。

背景技术

[0002]随着5G技术的发展及多种通信系统的需要，多波束天线越来越受到关注。一个性能良好的天线要求其能在有限的空间里尽量实现全空间的覆盖，同时要尽可能保持增益的稳定度。相控阵是一种典型的多波束方案，但是往往需要复杂的馈电网络，大量的T/R组件，成本较高，维护不方便，性价比低。[0003]因此，由于透镜天线的低成本、宽频带、多波束扫描且馈电网络简单等优点，受到越来越多人的青睐。梯度折射率透镜在多波束天线中已有很多应用，麦克斯韦鱼眼透镜也被用于多波束天线设计中，对于龙勃透镜天线，馈电端口移动到较大角度时，口面辐射场恶化更为严重，波束扫描角度更小，无法得到较为良好的效果。同时，龙勃透镜天线尺寸通常较大，且馈源阵列需要沿弧形边缘排列，影响宽角扫描性能，不便于集成。[0004]相比之下，本发明的全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线在有效缩小透镜天线体积的同时，可将馈源阵列沿直线放置，并实现±90°的大角度扫描。本发明结

加工工艺成熟、稳定，非常适用于毫米波频段且透镜剖面受的需求场景。构简单，

发明内容

[0005]本发明的目的在于针对现有透镜天线在大角度扫描时增益不稳定且不易于集成以及相控阵天线馈电网络复杂技术缺陷，提出了一种全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线，该透镜天线在传统的麦克斯韦鱼眼透镜天线基础上，切割掉一部分以实现球面波到平面波的汇聚，同时实现馈电网络的六个馈电端口沿切割线直线排布，以便于集成；该透镜天线在有限的空间内，通过改变馈源的馈电位置实现主波束的大角度扫描，保证了增益的相对稳定性；还利用麦克斯韦鱼眼透镜本身的色散特性带来的波束频扫，提高了波束的覆盖率。

[0006]为达上述目的，本发明采取如下技术方案：

[0007]所述全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线，包括上层金属盖板、下层金属盖板、凸台型六端口网络上半部分、斜面型六端口网络上半部分、六端口网络下半部分、斜面金属环与平面金属环；

[0008]所述上层金属盖板包括通孔和固定所用螺纹孔；所述下层金属盖板包括下层金属板与下层金属板上附着的金属柱阵列、支撑底柱以及通孔和连接所用的螺纹孔；所述六端口网络下半部分包括六个波导通道，每个波导通道与外围波导通过连接端口相连；[0009]其中，金属柱阵列为对于麦克斯韦鱼眼透镜进行切割，舍去其余部分金属柱，满足部分麦克斯韦鱼眼透镜结构；[0010]其中，金属柱阵列为K个高低不同的金属柱，每个金属柱的不同摆放位置产生对应

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的等效折射率，该金属柱阵列的摆放位置满足麦克斯韦鱼眼透镜的折射率分布；[0011]其中，K的范围为600到800之间；

[0012]所述凸台型六端口网络上半部分通过第一种组装模式与六端口网络下半部分进行连接，斜面型六端口网络上半部分通过第二种组装模式与六端口网络下半部分进行连接；对于第一种组装模式和第二种组装模式，组装过程都是将各部分零件拼接好再用螺钉进行安装；

[0013]所述全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线中各部件的连接关系如下：

[0014]其中，第一种组装模式为将上层金属盖板、下层金属盖板、凸台型六端口网络上半部分、六端口网络下半部分与斜面金属环进行安装与连接，具体为：凸台型六端口网络上半

上层金属盖板与组部分与六端口网络下半部分通过螺钉进行对准连接并组装成馈电网络；

装好的馈电网络中凸台型六端口网络上半部分通过螺钉连接；下层金属盖板与组装好的馈电网络中六端口网络下半部分通过螺钉连接；斜面金属环套在下层金属盖板上并利用螺钉进行连接；[0015]其中，第二种组装模式为将下层金属盖板、斜面型六端口网络上半部分、六端口网络下半部分与平面金属环进行安装与连接，具体为：斜面型六端口网络上半部分与六端口

下层金属盖板与组装好的馈电网网络下半部分通过螺钉进行对准连接并组装成馈电网络；

络中六端口网络下半部分通过螺钉连接；平面金属环套在下层金属盖板上并利用螺钉进行连接；

[0016]所述全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线中各部件的功能如下：[0017]凸台型六端口网络上半部分或斜面型六端口网络上半部分分别与六端口网络下半部分组成天线的馈电网络，以供天线和外围波导进行连接；支撑底柱为天线整体提供支撑和保护；金属柱阵列提供了梯度折射率的分布，实现了麦克斯韦鱼眼透镜的功能；斜面金属环和平面金属环用来套在下层金属盖板，提高透镜天线辐射效率，同时对内部金属柱阵列起到一定的保护作用；第一种组装模式中上层金属盖板、下层金属盖板与斜面金属环三者结合形成平行板结构，实现良好的水平辐射扇形波束；第二种组装模式中下层金属盖板与平面金属环两者结合形成类平板结构，利用天线本身的不对称性实现上翘波束；[0018]所述全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线的工作过程，包括如下步骤：

[0019]步骤1、外部波导与六端口网络的接口相连接，电磁波进入六端口网络；[0020]步骤2、电磁波通过六端口网络进入透镜天线；[0021]步骤3、利用透镜天线梯度折射率的特性，球面波被转换为平面波，据此实现定向高增益波束；[0022]步骤4、改变外部波导与六端口网络的接口位置，使其辐射的角度发生变化；[0023]其中，依据外部波导与六端口网络的接口位置不同，天线可辐射六个波束；[0024]每个外部连接端口对应不同角度的波束，在相应的工作频率内，利用频率扫描与端口切换实现不同波束角度的控制，具体为：[0025]其中，波导与第一端口连接，在相应工作频率范围内实现‑100°至‑60°的角度覆盖；

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其中，波导与第二端口连接，在相应工作频率范围内实现‑60°至‑30°的角度覆盖；

[0027]其中，波导与第三端口连接，在相应工作频率范围内实现‑30°至‑0°的角度覆盖；[0028]其中，波导与第四端口连接，在相应工作频率范围内实现0°至30°的角度覆盖；[0029]其中，波导与第五端口连接，在相应工作频率范围内实现30°至60°的角度覆盖；[0030]其中，波导与第六端口连接，在相应工作频率范围内实现60°至100°的角度覆盖；[0031]其中，相应工作频率范围为33GHz到36GHz。[0032]有益效果

[0033]本发明所述的一种全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线，与现有宽角覆盖多波束天线相比，具有如下有益效果：[0034]1.扫描角度大，实现方位角扫描范围大于±90°；[0035]2.利用多端口覆盖和频扫结合，提高了波束的覆盖率；[0036]3.馈源沿直线排列，易于系统集成；[0037]4.部分透镜结构，相对于同等大小的透镜体积减小；[0038]5.辐射效率高。

附图说明

[0039]图1是本发明全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线实施例1的结构示意图；

[0040]图2是本发明全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线实施例2的结构示意图；

[0041]图3为本发明全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线的上层金属盖板结构图；

[0042]图4为本发明全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线的下层金属盖板结构图；

[0043]图5为本发明全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线的凸台型六端口网络上半部分结构图；

[0044]图6为本发明全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线的斜面型六端口网络上半部分结构图；

[0045]图7为本发明全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线的六端口网络下半部分结构图；

[0046]图8为本发明全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线的斜面金属环结构图；

[0047]图9为本发明全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线的平面金属环结构图；

[0048]图10为本发明全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线实施例1回波损耗示意图；

[0049]图11为本发明全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线实施例1插入损耗示意图；

[0050]图12为本发明全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线实施例1的等增

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益辐射角度覆盖示意图；

[0051]图13为本发明全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线实施例1在频率为33GHz且俯仰角为0°时的水平面方向图；

[0052]图14为本发明全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线实施例1在频率为34GHz且俯仰角为0°时的水平面方向图；

[0053]图15为本发明全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线实施例1在频率为35GHz且俯仰角为0°时的水平面方向图；

[00]图16为本发明全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线实施例1在频率为36GHz且俯仰角为0°时的水平面方向图；

[0055]图17为本发明全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线实施例2回波损耗示意图；

[0056]图18为本发明全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线实施例2插入损耗示意图；

[0057]图19为本发明全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线实施例2的等增益辐射角度覆盖示意图；

[0058]图20为本发明全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线实施例2在频率为33GHz且俯仰角为20°时的水平面方向图；

[0059]图21为本发明全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线实施例2在频率为34GHz且俯仰角为20°时的水平面方向图；

[0060]图22为本发明全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线实施例2在频率为35GHz且俯仰角为20°时的水平面方向图；

[0061]图23为本发明全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线实施例2在频率为36GHz且俯仰角为20°时的水平面方向图。具体实施方式

[0062]为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明一种全金属部分麦克斯韦鱼眼透镜宽角覆盖多波束天线作进一步的详细说明。[0063]实施例1

[00]该实施例的结构如图1所示。本实施例包含上层金属盖板1、下层金属盖板2、凸台型六端口网络上半部分3、六端口网络下半部分7以及斜面金属环5。[0065]本实施例的上层金属盖板1如图3所示，包括3个螺纹孔，与凸台型六端口网络上半部分3进行连接。其金属盖板边缘呈向上渐开形式，与斜面金属环5呈对称样式。[0066]本实施例的下层金属盖板2如图4所示，包含由不同高度的金属柱组成的金属柱阵列，与底板合为一体，包括6个螺纹孔，其中3个平行排布的螺纹孔与六端口网络下半部分7进行连接，3个分布在透镜边缘的螺纹孔与斜面金属环5进行连接。[0067]其中从图中可以看出相对传统麦克斯韦鱼眼透镜，该实施例在其半径为0.45R处进行切割，相比于同等尺寸的透镜，体积减小22％；同时，经过理论分析，该处位置为球面波至平面波转换效果最好的点。

[0068]本实施例的凸台型六端口网络上半部分3如图5所示。包含10个螺纹孔，其中位于

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凸台上的3个螺纹孔与上层金属盖板1连接，其余7个螺纹孔与六端口网络下半部分7进行连接。

[0069]本实施例的六端口网络下半部分7如图7所示。包含6段矩形波导；包含10个螺纹孔，其中位于凸台上的3个螺纹孔与下层金属盖板2连接，其余7个螺纹孔与凸台型六端口网络上半部分3进行连接。

[0070]本实施例的斜面金属环5如图8所示。包含3个螺纹孔，与下层金属盖板2连接。[0071]本实施例的所有零件皆为硬铝制成。

[0072]图10为本实施例回波损耗的仿真与测试结果，在33GHz至36GHz频段范围内，六个端口的回波损耗仿真结果都小于‑12.5dB，其中三个端口的测试结果与仿真结果吻合良好，小于‑12.5dB。

[0073]图11为本实施例插入损耗的仿真与测试结果，六个端口的互耦均小于‑20dB。[0074]图12为六个端口在33GHz、34GHz、35GHz、36GHz四个频点等高增益空间分布图，在俯仰角为0°处的10dB增益以上的空间覆盖在方位角上大于±90°。[0075]图13、图14、图15及图16为本实施例在33GHz、34GHz、35GHz以及36GHz四个频点处，俯仰角为20°的方位角方向图，随着频率改变和馈电端口切换，主波束实现了从大于‑90°到大于90°的空间覆盖。[0076]实施例2

[0077]该实施例的结构如图2所示。本实施例包含下层金属盖板2、斜面型六端口网络上半部分6、六端口网络下半部分4以及平面金属环7。

[0078]本实施例的斜面型六端口网络上半部分6如图6所示。包含7个螺纹孔，与六端口网络下半部分4进行连接。六端口网络下半部分4与下层金属盖板2连接。[0079]本实施例的平面金属环7如图9所示。包含3个螺纹孔，与下层金属盖板2进行连接。[0080]图17为本实施例回波损耗的仿真与测试结果，在33GHz至36GHz频段范围内，六个端口的回波损耗仿真结果都小于‑15dB，其中三个端口的测试结果与仿真结果吻合良好，小于‑15dB。

[0081]图18为本实施例插入损耗的仿真与测试结果，六个端口的互耦均小于‑20dB。[0082]图19为本实施例六个端口在33GHz、34GHz、35GHz、36GHz四个频点等高增益空间分布图，在俯仰角为20°时10dB增益以上的空间覆盖在方位角上大于±90°。[0083]图20、图21、图22及图23为本实施例在33GHz、34GHz、35GHz以及36GHz四个频点处，俯仰角为20°的方位角方向图，随着频率改变和馈电端口切换，主波束实现了从大于‑90°到大于90°的空间覆盖。

[0084]本发明所述的天线可运用于需要宽角度扫描的低成本毫米波多波束系统或无线通信系统。具体实施时，将端口切换和频率扫描结合，俯仰面波束指向分别为20°和0°，工作频率范围为33‑36GHz。所述天线在有限的空间内，提升了波束覆盖率；同时馈源沿直线排列，容易集成于系统内；进行了切割，透镜体积得到了减小；利用切割后麦克斯韦鱼眼透镜的特性，实现了超过±90°的方位角扫描；回波损耗与隔离度良好，辐射效率高。[0085]以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡是在本发明权利要求范围内所作的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

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