CN102751581A - 基站天线 - Google Patents

Abstract

一种包含超材料的基站天线包括：一表面辐射单元，用于产生辐射电磁波；一反射单元，用于将述表面辐射单元产生部分或者全部的向后辐射电磁波进行反射，且所述表面辐射单元与反射单元之间距离小于辐射电磁波1/4波长；一超材料单元，设置于所述表面辐射单元与反射单元之间。在基站天线的所述表面辐射单元与反射单元之间设置超材料单元，当表面辐射单元产生的向后辐射电磁波穿过或被反射再次穿过超材料单元时，其电磁波的波长缩短。因此可将所述表面辐射单元与反射单元之间距离设计小于电磁波1/4波长而使基站天线的尺寸及体积进一步减少，有利于基站天线的小型化。

Description

基站天线

技术领域

本发明涉及一种无线通讯的基站天线，尤其涉及一种包含超材料的基站天线。

背景技术

目前，基站天线振子的支座馈电方式主要采用电路板馈电方式和电缆馈电方式两种。如中国已公开的第200610157272.8号发明专利申请，即一种宽频双极化天线阵子结构10，该天线阵子结构包括表面辐射单元11、介质板12、馈电支座13及反射板14，(如图1所示)。

当该天线阵子工作时，利用反射板将该表面辐射单元11产生的向后电磁辐射波反射，从而可以提高天线的前后比等相关参数。为了到达天线结构的最大反射特性，这就要求馈电支座13长度必须为电磁辐射波1/4波长，从而使被反射电磁辐射波与天线阵子的向前辐射的电磁波的方位及相位保持一致。但是，上述馈电支座13的长度必须为辐射电磁波1/4波长，这样制约了基站天线的尺寸及体积进一步减少的可能性和可行性，从而阻碍了基站天线的小型化。

发明内容

因此，有必要提供一种包含超材料的基站天线，在保持基站天线获得最大反射特性同时，还能进一步减少基站天线的的尺寸和体积以满足基站天线的小型化。

一种包含超材料的基站天线包括：一表面辐射单元，用于产生辐射电磁波；一反射单元，用于将述表面辐射单元产生的向后辐射电磁波进行反射，且所述表面辐射单元与反射单元之间距离小于辐射电磁波1/4λ波长；一超材料单元，设置于所述表面辐射单元与反射单元之间。

进一步地，所述超材料单元对电磁波的折射率大于大气空间的折射率。

进一步地，所述超材料单元在不同区域设计不同折射率。

进一步地，所述超材料单元在整个区域设计为同一折射率，且根据表面辐射单元产生的向后辐射电磁波的分布状况可设置不同形状的超材料单元。

进一步地，述基站天线还包括一馈电支座，所述馈电支座用于承载馈线且被超材料单元包裹，所述馈电支座长度小于辐射电磁波1/4λ波长。

进一步地，所述馈电支座为一超材料馈电支座。

进一步地，所述基站天线还包括一超材料介质板，所述表面辐射单元设置于所述超材料介质板上。

进一步地，所述超材料单元包括片状基板，该片状基板包括基材以及附着在该基材上的多个人造微结构。

进一步地，所述的人造微结构是以几何图案附着在所述基材上的金属线。

进一步地，所述几何图案为在工字形、工字形的衍生形、雪花状或雪花状的衍生形任意一种。

相对于现有技术，在基站天线的所述表面辐射单元与反射单元之间设置超材料单元，当表面辐射单元产生的向后辐射电磁波穿过或被反射再次穿过超材料单元时，其电磁波的波长缩短。因此可将所述表面辐射单元与反射单元之间距离设计小于电磁波1/4λ波长而使基站天线的尺寸及体积进一步减少，有利于基站天线的小型化。

附图说明

图1为现有技术的基站天线的截面结构示意图。

图2为本发明的一实施方式中包含超材料的基站天线截面结构示意图。

图3为图2所示超材料单元不同区域设计成不同折射率分布示意图。

图4为本发明的另一实施方式中包含超材料的基站天线截面结构示意图。

图5A为图2或图4所示的超材料单元上‘工字形’人造微结构。

图5B为图2或图4所示的超材料单元上‘雪花状’人造微结构。

图5C为图2或图4所示的超材料单元上的另一种‘雪花状’的人造微结构。

图5D为图2或图4所示的超材料单元上的人造微结构的一种具体形式‘雪花状’结构的又一种衍生结构。

图6是采用工字形结构的人造微结构在超材料单元中每层基板中的排列示意图。

具体实施方式

下面结合相关附图及具体实施例对本发明做进一步的描述：

图2为本发明中一实施中的包含超材料的基站天线截面结构示意图，基站天线10包括反射单元101、馈电支座102、介质板103、设置于介质板103上的表面辐射单元104及设置于反射单元101与介质板103之间的超材料单元105。所述表面辐射单元104用于在其周围空间形成辐射电磁波，即向前辐射电磁波和向后辐射电磁波。其中所述向后辐射的大部分或者全部电磁波穿过超材料单元105后到达反射单元101，然后由反射单元101将上述电磁波反射再次穿过超材料单元105。

在本实施方式中，所述馈电支座102为一超材料馈电支座。

所述介质板103为一超材料介质板，所述表面辐射单元104设置于所述超材料介质板上。馈线(图中未示出)可依次穿过由馈电支座102和介质板103而与表面辐射单元104电连接。这样一来，可将所述馈电支座102、介质板103和超材料单元105加工成一体成型的模组。在其他实施方式，所述馈电支座102、介质板103和超材料单元105也可由超材料分别加工而成相互独立的模组。

所述超材料单元105由多个超材料片层叠加形成，每一超材料片层包括片状基材以及附着在该片状基材上的多个人造微结构。

由电磁波相关理论可知，电磁波的波长与其穿过介质的折射率有关，即当电磁波在不同的折射率介质传播时，电磁波的波长发生变化。其进一步规律是：折射率越大而其对应的波长越短。因此可在表面辐射单元104和反射单元101之间设置超材料单元105，因为超材料单元105可设计成折射率大于大气空间折射率的介质。因此，当表面辐射单元104产生的向后辐射电磁波穿过超材料单元105后，其波长变小，即可实现馈电支座102的长度小于电磁辐射波1/4λ波长，有利于天线的小型化。同时，采用超材料制成馈电支座102和介质板103也有利于降低天线的成本。

需要说明的是：所述整个超材料单元105可设计成同一折射率超材料，或者根据表面辐射单元104产生向后电磁波的分布状况来将分别超材料单元105的不同区域设计成不同的折射率。

针对将超材料单元105设计为不同折射率情况：由超材料技术可知，在基材选定的情况下，通过调整人造微结构的图案、尺寸及其在基材上的空间分布，可以调整超材料上各处的等效介电常数及等效磁导率进而改变超材料各处的等效折射率。当人造微结构采用相同的几何形状时，在磁导率一定的情况下，某处人造微结构的尺寸越大，则该处的等效介电常数，折射率也越大。本实施例采用的人造微结构的图案为工字形，如图5A所示，人造微结构在基材上的分布如图6所示，由图6可知，基板上雪花状的人造微结构的尺寸从中心向周围逐渐变小，在基板中心处，雪花状的人造微结构的尺寸最大，并且在距离中心相同半径处的雪花状人造微结构的尺寸相同，因此基板的等效介电常数由中间向四周逐渐变小，中间的等效介电常数最大，因而基板的折射率从中间向四周逐渐变小，中间部分的折射率最大(如图3所示)。

针对将超材料单元106设计为相同折射率情况：需要将超材料单元105基板上采用同样尺寸的人造微结构即可。参阅如图4，根据表面辐射单元104产生的向后辐射电磁波的分布状况可设置不同形状的超材料单元106，如三角形，梯形等。

材料的折射率与其介电常数及磁导率存在如下关系：

其中k为比例系数，k取值为正负1，ε为材料的介电常数，u为材料的磁导率，在磁导率一定的情况下，通过对超材料空间中每一点的介电常数ε的精确设计，可以实现由表面辐射单元104发出的电磁波穿过超材料单元105或106时波长缩短。

若干人造微结构可通过人工仿真技术实现，即可由人工对具有特定电磁特性的人造微结构进行设计，将片状基板划分为多个单元，每个单元中的基材与附着在该单元上的人造微结构的等效介电常数ε与等效磁导率μ的选择方法为：通过计算机仿真和实验测试，先预设发射源与超材料单元的距离，预选一个单元(包括该单元中的基材和附着在基材上具有一定几何形状的人造微结构)作为中心处的单元，将若干单元(包含不同几何参数的人造微结构)响应发射源发出的电磁波的电磁特性进行测量，存储测量得到的电磁响应曲线，确定各种不同单元结构的等效介电常数以及等效磁导率并存在于一个数据库中；然后根据公式Sinθ＝q·Δn，(参见Metamaterials：Theory，Design，andApplications，Publisher：Springer，ISBN 1441905723，75页-76页)，其中θ为偏转角，q为超材料的厚度，Δn为折射率的变化量，对于不同的偏转角度θ，确定折射率的变化量，确定不同半径处的折射率，根据折射率与介电常数和磁导率的关系从数据库中选择符合条件的单元结构。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，人造微结构的图案可以是二维、也可以是三维结构，不限于该实施例中使用的“工”字形(如图5A所示)，可以为“工”字形的衍生结构，可以是图5B所示的在三维空间中各条边相互垂直的雪花状及图5C和图5D所示的雪花状的衍生结构，也可以是其他的几何形状，其中不同的人造微结构可以是图案相同，但是其设计尺寸不同；也可以是图案和设计尺寸均不相同。构成超材料的基板的数量根据需要可增可减，每一片基板的结构可以相同，也可以不同，只要满足由天线单元发出的电磁波经过超材料单元传播后可缩短电磁波的波长。

上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种包含超材料的基站天线，其特征在于，所述基站天线包括：

一表面辐射单元，用于产生辐射电磁波；

一反射单元，用于将述表面辐射单元产生部分或者全部的向后辐射电磁波进行反射，且所述表面辐射单元与反射单元之间距离小于辐射电磁波1/4波长；

一超材料单元，设置于所述表面辐射单元与反射单元之间。

2.根据权利要求1所述的基站天线，其特征在于，所述超材料单元对电磁波的折射率大于大气空间的折射率。

3.根据权利要求2所述的基站天线，其特征在于，所述超材料单元在不同区域设计不同折射率。

4.根据权利要求2所述的基站天线，其特征在于，所述超材料单元整个区域设计为同一折射率，且根据表面辐射单元产生的向后辐射电磁波的分布状况将超材料单元设计不同的形状。

5.根据权利要求1所述的基站天线，其特征在于，所述基站天线还包括一馈电支座，所述馈电支座用于承载馈线且被超材料单元包裹，所述馈电支座长度小于辐射电磁波1/4波长。

6.根据权利要求5所述的基站天线，其特征在于，所述馈电支座为一超材料馈电支座。

7.根据权利要求1所述的基站天线，其特征在于，所述基站天线还包括一超材料介质板，所述表面辐射单元设置于所述超材料介质板上。

8.根据权利要求2所述的基站天线，其特征在于，所述超材料单元由多个超材料片层叠加形成，每一超材料片层包括片状基材以及附着在该片状基材上的多个人造微结构。

9.根据权利要求8所述的基站天线，其特征在于，所述的人造微结构是附着在所述基材上具有特定几何图案的金属线。

10.根据权利要求9所述的基站天线，其特征在于，所述几何图案为在工字形、工字形的衍生形、雪花状或雪花状的衍生形任意一种。

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