CN102480045B - 基站天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基站天线，包括具有多个振子的天线模块及对应这些振子设置的超材料模块，所述超材料模块包括至少一个超材料片层，以每个超材料片层上的一点为原点O，以垂直于所述超材料片层的一直线为x轴、经过原点O且平行于所述超材料片层的一直线为y轴建立直角坐标系O-xy，则y轴上任一点(0，y)的折射率n(y)为：

式中，l为所述振子到所述超材料片层的距离；d为所述超材料片层的厚度，

n_max和n_min分别表示所述超材料片层在y轴上的最大折射率和最小折射率；R表示所述超材料片层在y轴上y所能取的最大值，如此即可以所述直角坐标系O-xy的原点O为圆心、以y为半径形成各点的折射率均相同的折射率圆，且以不同的y为半径在所述超材料片层上形成多个同心的折射率圆，从而提高了基站天线的方向性和增益。

Description

基站天线

技术领域

本发明涉及电磁通信领域，更具体地说，涉及一种基站天线。

背景技术

基站天线是保证移动通信终端实现无线接入的重要设备。随着移动通信网络的发展，基站的分布越来越密集，对基站天线的方向性提出了更高的要求，以避免相互干扰，让电磁波传播的更远。

一般，我们用半功率角来表示基站天线的方向性。功率方向图中，在包含主瓣最大辐射方向的某一平面内，把相对最大辐射方向功率通量密度下降到一半处(或小于最大值3dB)的两点之间的夹角称为半功率角。场强方向图中，在包含主瓣最大辐射方向的某一平面内，把相对最大辐射方向场强下降到0.707倍处的夹角也称为半功率角。半功率角亦称半功率带宽。半功率带宽包括水平面半功率带宽和垂直面半功率带宽。而基站天线的电磁波的传播距离是由垂直面半功率带宽决定的。垂直面半功率带宽越小，基站天线的增益越大，电磁波的传播距离就越远，反之，基站天线的增益就越小，电磁波的传播距离也就越近。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种半功率带宽小、方向性好的基站天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基站天线，包括具有多个振子的天线模块及对应这些振子设置的超材料模块，所述超材料模块包括至少一个超材料片层，以每个超材料片层上的一点为原点O，以垂直于所述超材料片层的一直线为x轴、经过原点O且平行于所述超材料片层的一直线为y轴建立直角坐标系O-xy，则y轴上任一点(0，y)的折射率n(y)为：

$n\left(y\right)=n_{\max }-\frac{\sqrt{l^2+y^2}-l}{d}$

式中，l为所述振子到所述超材料片层的距离；d为所述超材料片层的厚度，

n_max和n_min分别表示所述超材料片层在y轴上的最大折射率和最小折射率；R表示所述超材料片层在y轴上y所能取的最大值，如此即可以所述直角坐标系O-xy的原点O为圆心、以y为半径形成各点的折射率均相同的折射率圆，且以不同的y为半径在所述超材料片层上形成多个同心的折射率圆。

优选地，每个超材料片层由多个超材料单元排列而成，以所述原点O所在的超材料单元为圆心形成多个同心圆，让所述超材料片层的各个超材料单元分别位于这些同心圆上；每个超材料片层的各个超材料单元上附着有拓扑形状相同的人工微结构，位于同一同心圆的各个超材料单元上排布的所述人工微结构的几何尺寸均相同，随着同心圆的直径的增大，位于各个同心圆的超材料单元上排布的所述人工微结构的几何尺寸减小。

优选地，所述人工微结构呈雪花状的平面金属微结构。

优选地，每个超材料片层由多个超材料单元排列而成，以所述原点O所在的超材料单元为圆心形成多个同心圆，让所述超材料片层的各个超材料单元分别位于这些同心圆上；每个超材料片层的各个超材料单元上均形成有深度相同的圆形小孔，位于同一同心圆的各个超材料单元上形成的所述小孔的直径均相同，随着同心圆的直径的增大，位于各个同心圆的超材料单元上形成的所述小孔的直径增大。

优选地，每个超材料片层由多个超材料单元排列而成，以所述原点O所在的超材料单元为圆心形成多个同心圆，让所述超材料片层的各个超材料单元分别位于这些同心圆上；每个超材料片层的各个超材料单元上均形成有直径相同的圆形小孔，位于同一同心圆的各个超材料单元上形成的所述小孔的深度均相同，随着同心圆的直径的增大，位于各个同心圆的超材料单元上形成的所述小孔的深度增大。

优选地，每个超材料片层由多个超材料单元排列而成，以所述原点O所在的超材料单元为圆心形成多个同心圆，让所述超材料片层的各个超材料单元分别位于这些同心圆上；每个超材料片层的各个超材料单元上均形成有数量不等的直径和深度均相同的圆形小孔，位于同一同心圆的各个超材料单元上形成的所述小孔的数量均相同，随着同心圆的直径的增大，位于各个同心圆的超材料单元上形成的所述小孔的数量增多。

优选地，所述超材料模块包括多个沿x轴叠加的超材料片层，各个超材料片层上的折射率圆的分布均相同，且各个超材料片层上的直径相同的折射率圆的折射率均相同。

优选地，所述超材料模块的两侧分别设置有阻抗匹配薄膜，每一阻抗匹配薄膜包括多个阻抗匹配层，每一阻抗匹配层是具有单一折射率的均匀介质，各个阻抗匹配层的折射率随着越靠近所述超材料模块由接近于或等于空气的折射率逐渐变化至接近于或等于所述超材料模块上最靠近所述阻抗匹配薄膜的超材料片层的折射率。

优选地，每个阻抗匹配层的折射率式中，m表示每一阻抗匹配薄膜的总层数，i表示阻抗匹配层的序号，最靠近所述超材料模块的阻抗匹配层的序号为m。

优选地，所述天线模块的振子呈阵列排布，且每相邻两排振子相互交错排列。

本发明的基站天线具有以下有益效果：通过在所述超材料片层上形成多个具有满足上述折射率公式的折射率圆，使由振子发射出的电磁波穿过所述超材料模块时向折射率大的方向偏折，从而改变了电磁波的传播路径，减小了基站天线的半功率带宽，提高了其方向性和增益，让电磁波传播的更远。

附图说明

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1是本发明基站天线的结构示意图；

图2是图1中的天线模块的正面放大图；

图3是图1中的超材料模块的一个超材料片层的截面放大图，其中建立了一直角坐标系O-xy；

图4是对应图3中建立的直角坐标系O-xy所形成的折射率圆分布示意图；

图5是对应图4的折射率圆分布所形成的部分超材料片层的人工微结构的排布示意图；

图6是对应图4的折射率圆分布所形成的部分超材料片层的小孔的排布示意图；

图7是对应图4的折射率圆分布所形成的部分超材料片层的小孔的另一排布示意图；

图8是本发明的超材料模块两侧分别覆盖一阻抗匹配薄膜时的结构示意图。

图中各标号对应的名称为：

10基站天线、12天线模块、14底板、16振子、20超材料模块、22、32超材料片层、222、322基板、223、323超材料单元、224人工微结构、24折射率圆、26同心圆、324小孔、40阻抗匹配薄膜、42阻抗匹配层

具体实施方式

本发明提供一种基站天线，通过在天线的电磁波发射或接收方向上设置一超材料模块来使半功率带宽变小，以提高天线的方向性和增益。

我们知道，电磁波由一种均匀介质传播进入另外一种均匀介质时会发生折射，这是由于两种介质的折射率不同而导致的。而对于非均匀介质来说，电磁波在介质内部也会发生折射且向折射率比较大的位置偏折。而折射率等于

也即介质的折射率取决于其介电常数和磁导率。

超材料是一种以人工微结构为基本单元并以特定方式进行空间排布、具有特殊电磁响应的人工复合材料。一般超材料包括多个超材料片层，每一超材料片层由人工微结构和用于附着人工微结构的基板构成(每个人工微结构及其所附着的基板部分人为定义为一个超材料单元)，通过调节人工微结构的拓扑形状和几何尺寸可改变基板上各点(也即各个超材料单元，由于每个超材料单元的尺寸应小于入射电磁波的波长的五分之一，优选为十分之一，一般非常微小，故每个超材料单元可看作一点，下同)的介电常数和磁导率。因此，我们可以利用人工微结构的拓扑形状和/或几何尺寸来调制基板上各点的介电常数和磁导率，从而使基板上各点的折射率以某种规律变化，得以控制电磁波的传播，并应用于具有特殊电磁响应需求的场合。实验证明，在人工微结构的拓扑形状相同的情况下，在单位面积上人工微结构的几何尺寸越大，基板上各点的介电常数越大；反之，介电常数越小。也即，在人工微结构的拓扑形状确定的情况下，可以通过让基板上各点的人工微结构的几何尺寸的大小满足一定的规律来调制介电常数，当用多个这种人工微结构呈一定规律排布的超材料片层叠加在一起形成超材料时，超材料空间各点的折射率也呈这种规律分布，即可达到改变电磁波的传播路径的目的。另外，我们也可在基板上开设小孔来形成这种折射率分布规律。

如图1和图2所示，所述基站天线10包括天线模块12和超材料模块20，所述天线模块12包括底板14及阵列排布于所述底板14的振子16。图中所示为每相邻两排振子16相互交错排列的4×9阵列，在其他的实施例中，可以为任意数量的振子16以任何方式排列，如矩阵排布。所述超材料模块20包括多个沿垂直于片层表面的方向(也即基站天线的电磁波发射或接收方向)叠加而成的超材料片层22，图中所示为3个超材料片层22两两相互之间直接前、后表面相粘接在一起的情形。具体实施时，所述超材料片层22的数目可依据需求来增减，各个超材料片层22也可等间距地排列组装在一起。由于每个超材料片层22的折射率分布规律均相同，故在下面仅选取一个超材料片层22作为示例进行说明。

根据以上电磁波在介质中传播的原理，我们让所述超材料片层22空间各点的折射率分布满足如下规律：以所述超材料片层22的其中一点为圆心形成多个同心的折射率圆，同一折射率圆上各点的折射率均相同，而随着折射率圆的直径的增大，各个折射率圆的折射率减小且减小量增大。具体地，我们可以所述超材料片层22上的任一点为原点O，以垂直于所述超材料片层22的一直线为x轴、经过原点O且平行于所述超材料片层22的一直线为y轴建立直角坐标系O-xy，则对于y轴上任一点(0，y)，其折射率n(y)应满足如下关系式：

$n\left(y\right)=n_{\max }-\frac{\sqrt{l^2+y^2}-l}{d}---\left(1\right)$

其中，l为振子16到所述超材料片层22表面的距离；d为所述超材料片层22的厚度，且

n_max和n_min分别表示所述超材料片层22在y轴上的最大折射率和最小折射率；R表示所述超材料片层22在y轴上y所能取的最大值。

我们以所述直角坐标系O-xy的原点O为圆心、以y为半径作一个圆即在所述超材料片层22上形成各点的折射率均相同的折射率圆，而以不同的y为半径作圆时形成多个同心的折射率圆，从而在所述超材料片层22上形成满足前述折射率分布规律的多个折射率圆。假若我们以所述超材料片层22上大致正对所述天线模块12的中心的位置作为所述直角坐标系O-xy的原点O，则所述直角坐标系O-xy在所述超材料片层22上的位置如图3所示；我们以所述直角坐标系O-xy的原点O为圆心，用以所述圆心形成的多个同心圆表示折射率圆24，相邻同心圆之间的间距的大小表示相邻折射率圆24的折射率的变化量，则所述超材料片层22上的各个折射率圆24的折射率变化规律如图4所示(图中同心圆用虚线表示)。

而让多个所述超材料片层22沿x轴叠加在一起，各个超材料片层22上的折射率圆24的分布均相同，且各个超材料片层22上的直径相同的折射率圆24的折射率均相同，从而形成所述超材料模块20。

下面我们举例说明如何通过人工微结构的排布来让每个超材料片层22上的折射率分布满足式(1)。请参考图5，每个超材料片层22包括基板222和附着在所述基板222上的多个人工微结构224。所述基板222可由聚四氟乙烯等高分子聚合物或陶瓷材料制成。所述人工微结构224通常为金属线如铜线或者银线构成的具有一定拓扑形状的平面或立体结构，并通过一定的加工工艺附着在所述基板222上，例如蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻等。一般，我们将每个人工微结构224及其所附着的基板222部分人为定义为一个超材料单元223，且每个超材料单元223的尺寸应小于入射电磁波的波长的五分之一，优选为十分之一，以使所述超材料片层22对电磁波产生连续响应。可见，每个超材料片层22可看作是由多个超材料单元223阵列排布而成的。由于所述超材料单元223非常微小，可以近似看作一个点，因此，圆便可看作是由无数个所述超材料单元223沿圆周排制而成的。这样，我们可以所述超材料片层22的任一超材料单元223为圆心形成多个同心圆26，如图中虚线所示，从而使所述超材料片层22的各个超材料单元223分别位于这些同心圆26上；让具有相同拓扑形状的所述人工微结构224附着在所述超材料片层22的各个超材料单元223上，并让大致位于同一同心圆26的各个超材料单元223上排布的所述人工微结构224的几何尺寸均相同，随着同心圆26的直径的增大，位于各个同心圆26的超材料单元223上排布的所述人工微结构224的几何尺寸减小。由于大致位于不同直径同心圆26的各个超材料单元223上的所述人工微结构224与基板222的相应部分一起表征了不同的介电常数和磁导率，且随着所述超材料单元223所在的同心圆26的直径越大，所述超材料单元223的介电常数越小。如此，即在所述超材料片层22上形成多个同心的折射率圆24，且这些同心的折射率圆24的折射率不断减小。图5所示仅为所述人工微结构224在部分所述超材料片层22的各个超材料单元223上的一个排布示意图，其中，同心圆26的圆心为位于图中所示超材料片层22的中心的超材料单元223，所述人工微结构224是呈雪花状的平面金属微结构且随同心圆26的直径增大是等比例缩小的。事实上，所述人工微结构224的排布方式还有多种，且可让构成所述人工微结构224的线条的宽度相等，这样可简化制造工艺。

另外，我们也可在所述超材料片层22的基板222上通过开设小孔来形成满足式(1)的折射率分布规律。如图6所示，所述超材料片层32包括基板322和形成在所述基板322上的多个小孔324。所述小孔324可根据所述基板322的材质不同对应采用合适的工艺形成于所述基板322上。例如当所述基板322由高分子聚合物制成时，可通过钻床钻孔、冲压成型或者注塑成型等工艺在所述基板322上形成所述小孔324，而当所述基板322由陶瓷材料制成时则可通过钻床钻孔、冲压成型或者高温烧结等工艺在所述基板322上形成所述小孔324。我们亦将每个小孔324及其所在的基板322部分人为定义为一个超材料单元323，且每个超材料单元323的尺寸应小于入射电磁波的波长的五分之一。这样，所述超材料片层32亦可看作是由多个超材料单元323阵列排布而成的。

由实验可知，当所述小孔324内填充的介质是空气时，所述小孔324占整个超材料单元323的体积越大，所述超材料单元323的折射率越小。这样，同上，由于圆可看作是由无数个所述超材料单元323沿圆周排制而成的，我们可以所述超材料片层32的任一超材料单元323为圆心形成多个同心圆36，如图中虚线所示，从而使所述超材料片层32的各个超材料单元323分别位于这些同心圆36上；在每个超材料单元323上形成一个所述小孔324，让大致位于同一同心圆36的各个超材料单元323上形成的所述小孔324的深度和直径均相同(即体积相同)，随着同心圆36的直径的增大，位于各个同心圆36的超材料单元323上形成的所述小孔324的深度不变而直径增大。以便在所述超材料片层32上形成多个同心的折射率圆24，且这些同心的折射率圆24的折射率不断减小。图6所示仅为所述小孔324在部分所述超材料片层32的各个超材料单元323上的一个排布示意图，其中，同心圆36的圆心为位于图中所示超材料片层32的中心的超材料单元323。

同理，我们也可让具有相同直径的所述小孔324排布于这些同心圆36上，随着同心圆36的直径的增大，通过调整所述小孔324的深度来形成满足式(1)的折射率分布规律。而且，所述小孔324占整个超材料单元323的体积不仅可通过在所述超材料单元323上形成一个几何尺寸不同的所述小孔324来实现，还可通过在所述超材料单元323上形成数量不等而几何尺寸相同或不相同的所述小孔324来实现，如图7所示。

形成所述超材料模块20时，让各个所述超材料片层22沿x轴叠加在一起，并让位于相同直径的同心圆26的超材料单元223上排布几何尺寸相同的所述人工微结构244，或者让各个所述超材料片层32沿x轴叠加在一起，并让位于相同直径的同心圆36的超材料单元323上形成占整个超材料单元323的体积相同的一个或多个所述小孔324，使各个所述超材料片层上的直径相同的折射率圆24的折射率均相同。

由上可知，通过在所述超材料模块20的各个超材料片层22或32上设置具有一定拓扑形状及/或几何尺寸的人工微结构224或小孔324并让其按照一定的规律排布，即可得以调制各个超材料单元22或32的介电常数和磁导率，从而在各个超材料片层22或32上形成满足式(1)的折射率分布规律，使电磁波向特定的方向偏折，即可减小基站天线的半功率带宽变小，提高其方向性和增益，让电磁波传播的更远。

此外，由于空气与所述超材料模块20的折射率不同，电磁波入射和出射所述超材料模块20时还会发生反射，这时，我们通常在所述超材料模块20两侧设置阻抗匹配薄膜来减少电磁波反射。如图8所示，所述超材料模块20两侧分别形成一阻抗匹配薄膜40，每一阻抗匹配薄膜40包括多个压制在一起的阻抗匹配层42，每一阻抗匹配层42是均匀介质，具有单一的折射率，各个阻抗匹配层42具有不同的折射率，且随着越靠近所述超材料模块20其折射率由接近于或等于空气的折射率逐渐变化至接近于或等于所述超材料模块20的最靠近所述阻抗匹配薄膜40的超材料片层22或32的折射率。各个阻抗匹配层42的折射率均满足以下公式：

$n\left(i\right)={((n_{\max }+n_{\min })/2)}^{\frac{i}{m}}---\left(2\right)$

式中，m表示所述超材料模块20一侧的阻抗匹配薄膜40的总层数，i表示阻抗匹配层42的序号，最靠近所述超材料模块20的阻抗匹配层42的序号为m。从式(2)可知，每一阻抗匹配层42的总层数m与所述超材料模块20的超材料片层22或32的最大折射率n_max与最小折射率n_min有直接关系；当i＝1时，式(2)表示与空气接触的阻抗匹配层42的折射率，其应接近于或等于空气的折射率，可见，只要n_max与n_min确定，就可以确定所述阻抗匹配层42的总层数m。

各个所述阻抗匹配层42的结构类似于所述超材料片层22或32，分别包括基板和附着在所述基板上的人工微结构或者是形成于所述基板上的小孔，通过调制人工微结构或小孔的几何尺寸和/拓扑形状来使各个阻抗匹配层42的折射率达到所需的要求，从而实现从空气到所述超材料片层22或32的匹配。当然，所述阻抗匹配薄膜40可以是由自然界中存在的多个具有单一折射率的天然材料制成的。

所述超材料模块20的两侧分别设置所述阻抗匹配薄膜40时，式(1)中的l为振子16到与其最靠近的阻抗匹配薄膜40表面的距离。

以上所述仅是本发明的多个具体实施方式和/或实施例，不应当构成对本发明的限制。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明基本思想的前提下，还可以做出多个改进和润饰，而这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。比如，式(1)的折射率分布规律还可通过所述人工微结构224或小孔324的拓扑形状或拓扑形状结合几何尺寸来实现，且所述小孔324内也可填充折射率各不相同的介质来改变各个超材料单元323的折射率。

Claims (9)

1.一种基站天线，其特征在于，包括具有多个振子的天线模块及对应这些振子设置的超材料模块，所述超材料模块包括至少一个超材料片层，以每个超材料片层上的一点为原点O，以垂直于所述超材料片层的一直线为x轴、经过原点O且平行于所述超材料片层的一直线为y轴建立直角坐标系O-xy，则y轴上任一点（0，y）的折射率n(y)为：

$n\left(y\right)=n_{\max }-\frac{\sqrt{l^2+y^2}-l}{d}$

式中，l为所述振子到所述超材料片层的距离；d为所述超材料片层的厚度，

n_max和n_min分别表示所述超材料片层在y轴上的最大折射率和最小折射率；R表示所述超材料片层在y轴上y所能取的最大值，如此即可以所述直角坐标系O-xy的原点O为圆心、以y为半径形成各点的折射率均相同的折射率圆，且以不同的y为半径在所述超材料片层上形成多个同心的折射率圆。

2.根据权利要求1所述的基站天线，其特征在于，每个超材料片层由多个超材料单元排列而成，以所述原点O所在的超材料单元为圆心形成多个同心圆，让所述超材料片层的各个超材料单元分别位于这些同心圆上；每个超材料片层的各个超材料单元上附着有拓扑形状相同的人工微结构，位于同一同心圆的各个超材料单元上排布的所述人工微结构的几何尺寸均相同，随着同心圆的直径的增大，位于各个同心圆的超材料单元上排布的所述人工微结构的几何尺寸减小。

3.根据权利要求2所述的基站天线，其特征在于，所述人工微结构呈雪花状的平面金属微结构。

4.根据权利要求1所述的基站天线，其特征在于，每个超材料片层由多个超材料单元排列而成，以所述原点O所在的超材料单元为圆心形成多个同心圆，让所述超材料片层的各个超材料单元分别位于这些同心圆上；每个超材料片层的各个超材料单元上均形成有深度相同的圆形小孔，位于同一同心圆的各个超材料单元上形成的所述小孔的直径均相同，随着同心圆的直径的增大，位于各个同心圆的超材料单元上形成的所述小孔的直径增大。

5.根据权利要求1所述的基站天线，其特征在于，每个超材料片层由多个超材料单元排列而成，以所述原点O所在的超材料单元为圆心形成多个同心圆，让所述超材料片层的各个超材料单元分别位于这些同心圆上；每个超材料片层的各个超材料单元上均形成有直径相同的圆形小孔，位于同一同心圆的各个超材料单元上形成的所述小孔的深度均相同，随着同心圆的直径的增大，位于各个同心圆的超材料单元上形成的所述小孔的深度增大。

6.根据权利要求1所述的基站天线，其特征在于，每个超材料片层由多个超材料单元排列而成，以所述原点O所在的超材料单元为圆心形成多个同心圆，让所述超材料片层的各个超材料单元分别位于这些同心圆上；每个超材料片层的各个超材料单元上均形成有数量不等的直径和深度均相同的圆形小孔，位于同一同心圆的各个超材料单元上形成的所述小孔的数量均相同，随着同心圆的直径的增大，位于各个同心圆的超材料单元上形成的所述小孔的数量增多。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的基站天线，其特征在于，所述超材料模块包括多个沿x轴叠加的超材料片层，各个超材料片层上的折射率圆的分布均相同，且各个超材料片层上的直径相同的折射率圆的折射率均相同。

8.根据权利要求1所述的基站天线，其特征在于，所述超材料模块的两侧分别设置有阻抗匹配薄膜，每一阻抗匹配薄膜包括多个阻抗匹配层，每一阻抗匹配层是具有单一折射率的均匀介质，各个阻抗匹配层的折射率随着越靠近所述超材料模块由接近于或等于空气的折射率逐渐变化至接近于或等于所述超材料模块上最靠近所述阻抗匹配薄膜的超材料片层的折射率，每个阻抗匹配层的折射率

式中，m表示每一阻抗匹配薄膜的总层数，i表示阻抗匹配层的序号，最靠近所述超材料模块的阻抗匹配层的序号为m。

9.根据权利要求1所述的基站天线，其特征在于，所述天线模块的振子呈阵列排布，且每相邻两排振子相互交错排列。

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