CN102769211B - 基站定向天线 - Google Patents

Abstract

一种基站定向天线，所述基站定向天线包括基站天线以及安置于基站天线电磁波发射装置前方的电磁波偏折元件，所述电磁波偏折元件由至少一个超材料片层构成，每个片层包括片状的基材和附着在所述基材上的多个人造微结构，每个人造微结构为构成几何图形的丝线，所述电磁波偏折元件至少沿一个第一方向其折射率逐渐减小，而沿垂直于第一方向的第二方向、同时垂直于第一方向和第二方向的第三方向二者之中的任一方向其折射率不变或者也逐渐减小。电磁波经过电磁波偏折元件后出现一定角度的偏折再发射出去，有助于将信号限制在自己的覆盖范围内，并且降低对其他同频地区的干扰。天线定向性加强了本覆盖区内的信号强度。

Description

基站定向天线

技术领域

本发明涉及通信领域，更具体地说，涉及一种基站定向天线。

背景技术

基站主要用于在一定的无线电覆盖区中，通过移动通信交换中心，与移动电话终端之间进行信息传递的无线电收发信电台。基站天线如同整个移动通信系统的触角，在通信过程中起着举足轻重的作用。选择基站天线时关键是定向性和下倾角。下倾角是指定向天线的下倾角度，主要用于控制干扰及增强覆盖。

现有技术使天线方向图向下倾斜的方法有两种：一种是机械下倾，通过机械调整改变天线向下倾角；另一种是电调下倾，通过改变天线阵的激励系数来调整波束的倾斜角度。

在采用电倾角时，随着下倾角的增加，在主瓣方向覆盖距离明显缩短，天线方向图仍然保持原有形状，能够降低呼损、减小干扰。但对于机械下倾，随着下倾角的加大，天线主瓣方向信号强度迅速降低，当下倾角增大到一定数值时主瓣方向逐渐凹陷下去，同时旁瓣增益随之增大，这就造成旁瓣对其他方向上的同频基站的干扰。

合理设置天线下倾角不但可以降低同频干扰的影响，有效控制基站的覆盖范围和整网的软切换比例(对CDMA网络而言)，而且可以加强本基站覆盖区内的信号强度。通常天线下倾角的设定有两方面侧重，即侧重于干扰抑制和侧重于加强覆盖。这两方面侧重分别对应不同的下倾角算法。一般而言，对基站分布密集的地区应侧重于考虑干扰抑制，而基站分布较稀疏的地区则侧重于考虑加强覆盖。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术使天线方向下倾的方法中不能同时满足抗干扰性和增强覆盖的缺陷，提供一种利用超材料将电磁波进行任意角度的偏折，实现电磁波定向传播的基站定向天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基站定向天线，包括基站天线以及安置于基站天线电磁波发射装置前方的电磁波偏折元件，所述电磁波偏折元件由至少一个超材料片层构成，每个片层包括片状的基材和附着在所述基材上的多个人造微结构，每个人造微结构为构成几何图形的丝线，所述电磁波偏折元件至少沿一个第一方向其折射率逐渐减小，而沿垂直于第一方向的第二方向、同时垂直于第一方向和第二方向的第三方向二者之中的任一方向其折射率不变或者也逐渐减小。

进一步的，所述基材由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料制成。

进一步的，所述基材划分为多个阵列排布的立方形基材单元，每个基材单元完全相同。

进一步的，所述电磁波偏折元件沿所述第一方向的一列基材单元上的丝线含量逐渐减小，使得折射率沿所述第一方向逐渐减小。

进一步的，每个基材单元内附着有一个人造微结构，所述人造微结构沿所述第一方向其尺寸逐渐减小。

进一步的，每个人造微结构完全相同，每个基材单元内所附着的人造微结构(3)的数量不完全相同。

进一步的，所述电磁波偏折元件包括多个超材料片层，所述多个超材料片层(1)沿垂直于所述基材表面的方向堆叠而成为一体。

进一步的，所述人造微结构为I形，或者其衍生结构。

进一步的，所述人造微结构为铜线或银线。

进一步的，所述人造微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基材上。

实施本发明的基站定向天线，具有以下有益效果：电磁波经过超材料后出现一定角度的偏折再发射出去，有助于将信号限制在自己的覆盖范围内，并且降低对其他同频地区的干扰，天线定向性加强了本覆盖区内的信号强度，即改善了覆盖地区的场强，又增加了抗同频干扰能力。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明基站定向天线工作原理的示意图；

图2是本发明的电磁波偏折元件的结构示意图图；

图3是图2所示实施例使电磁波传播方向偏折的示意图；

具体实施方式

基站定向天线的水平和垂直辐射方向图是非均匀的，它经常用在扇形小区中，因此它们也经常称为扇区天线，其辐射功率或多或少集中在一个方向。在水平方向图上表现为一定角度范嗣辐射，也就是平常所说的有方向性；在垂直方向图上表现为有一定宽度的波束。定向天线在蜂窝系统中使用方向天线有两个原因：覆盖扩展及频率复用。使用方向天线可以改善蜂窝移动网中的干扰。定向天线在移动通信系统中一般应用于城区小区制的站型，覆盖范围小，用户密度大，频率利用率高。

超材料是一种具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构材料，可以在一定范围内实现普通材料无法具备的介电常数和磁导率，从而可以有效控制电磁波的传播特性。

本发明利用超材料能将电磁波进行任意角度偏折的特性，实现电磁波定向传播，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述：

本发明的基站的定向天线包括基站天线100以及安置于基站天线100电磁波发射装置前方的电磁波偏折元件101。电磁波经过电磁波偏折元件偏折后的传播，由于天线不是采用机械下倾的方式是电磁波偏折，天线主瓣方向信号强度不会降低，旁瓣增益不变，就不会造成旁瓣对其他方向上的同频基站的干扰，达到降低呼损、减小干扰的目的。

本发明所涉及一种可以使电磁波传播方向发生偏折的电磁波偏折元件，如图2所示，由至少一个超材料片层1构成，当超材料片层1有多个时，其沿垂直于片层表面的方向堆叠并通过一定的组装或连接方式构成一个立体的整体。

如图2所示，每个片层1包括片状的基材2和附着在所述基材2上的多个人造微结构3。片状基材2具有前、后两个相互平行的表面，使得基材2为一个等厚的片体。在任一平行于片状基材2前表面的平面上，设置两个相互垂直的方向，其中一个为第一方向X，另一个为第二方向Y，则垂直于基材2表面的方向也即超材料片层1堆叠的方向为第三方向Z。

基材2上附着有人造微结构3，包括有两种情况：一种是人造微结构3为平面结构，其附着在基材2前表面上；另一种是人造微结构3为三维立体结构，其附着在片状基材2内部。每个人造微结构3通常是由银、铜等金属丝线组成的，也可以由非金属丝线组成。这些丝线连接被刻在基材2表面或基材2内部并构成一定的几何图形。将基材2划分成很多个相等的立方体基材单元，例如为长、宽、高均为入射电磁波波长的十分之一的立方体，每个基材单元上附着有一定数量的人造微结构3，构成一个超材料单元4。因此每个超材料单元4含有一定量的构成人造微结构3的丝线。

已知一束电磁波入射到介质上会向折射率大的地方偏折，因此要实现电磁波的偏折，本发明的电磁波偏折元件至少沿一个方向如X方向其折射率是逐渐减小的，而Y方向和Z方向中的任一方向其折射率不变或者也逐渐减小。要使偏折的角度大，则折射率在该方向上的逐渐减小的变化率要大。本文的逐渐减小，是指下一参考点的折射率小于或等于前一参考点的折射率。这里的变化率大，是指三个前后排列的参考点中，第二参考点与第三参考点的折射率差值大于第一参考点与第二参考点的折射率差值。本文的折射率，是由公式推算得出的，其中α为一个常数，ε为一个超材料单元4在某一电磁波频率下的介电常数，μ为此超材料单元4在该电磁波频率下的磁导率。

通过大量的试验和仿真得出规律，即基材2上的丝线密度大也即基材单元内丝线含量高的位置该基材单元整体体现的等效折射率大，因此要使元件沿X方向折射率逐渐减小，则应该至少沿X方向其基材单元内的丝线含量逐渐减小。这里的基材单元的边长通常是入射电磁波波长的五分之一以下，通常为十分之一。为了实现特定的需要，整个超材料片层1可以是由数以万计的超材料单元4构成。

当每个超材料单元4含有一个人造微结构3时，当人造微结构3的尺寸沿X方向逐渐减小，则其基材单元的丝线含量也逐渐减小，折射率也逐渐减小，如图2、图3所示，此时，沿Y方向每个超材料单元4具有相同的尺寸大小，Y方向折射率不变。当然，本发明的电磁波偏折元件沿Y方向可依与X方向同样的原理实现折射率逐渐减小，Z方向亦然。

当各个超材料单元4所含的人造微结构3数量不等时，若每个人造微结构3的形状、尺寸完全相同，可以设计电磁波偏折元件使其沿X方向各超材料单元4的人造微结构3数量逐渐减小来实现丝线含量逐渐减少进而折射率逐渐减小。Y方向和Z方向亦然。

本发明的电磁波偏折元件使用超材料技术来实现，超材料是由多个超材料片层构成的，改变每个超材料片层上的人造微结构即可改变相应部位的折射，运用在基站天线发射器前端安置可使电磁波发生偏折的超材料，由于不是采取机械下倾方式，天线主瓣方向信号强度不会降低，旁瓣增益不变，就不会造成旁瓣对其他方向上的同频基站的干扰，达到降低呼损、减小干扰的目的。

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，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 (7)

1.一种基站定向天线，包括基站天线以及安置于基站天线电磁波发射装置前方的电磁波偏折元件，其特征在于，所述电磁波偏折元件由至少一个超材料片层(1)构成，每个片层包括片状的基材(2)和附着在所述基材(2)上的多个人造微结构(3)，每个人造微结构(3)为构成几何图形的丝线，所述电磁波偏折元件至少沿一个第一方向其折射率逐渐减小，而沿垂直于第一方向的第二方向、同时垂直于第一方向和第二方向的第三方向其折射率均也逐渐减小，其中，所述基材(2)划分为多个阵列排布的立方形基材单元，每个基材单元完全相同，每个人造微结构(3)完全相同且每个基材单元内所附着的人造微结构(3)的数量不完全相同；

其中，所述电磁波偏折元件沿所述第一方向的一列基材单元上的丝线含量逐渐减小，使得折射率沿所述第一方向逐渐减小。

2.根据权利要求1所述的基站定向天线，其特征在于，所述基材(2)由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。

3.根据权利要求1所述的基站定向天线，其特征在于，每个基材单元内附着有一个人造微结构(3)，所述人造微结构(3)沿所述第一方向其尺寸逐渐减小。

4.根据权利要求1所述的基站定向天线，其特征在于，所述电磁波偏折元件包括多个超材料片层(1)，所述多个超材料片层(1)沿垂直于所述基材(2)表面的方向堆叠而成为一体。

5.根据权利要求1所述的基站定向天线，其特征在于，所述人造微结构为I形。

6.根据权利要求1所述的基站定向天线，其特征在于，所述人造微结构为铜线或银线。

7.根据权利要求1所述的基站定向天线，其特征在于，所述人造微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基材上。