CN102790977B - 一种微波传输设备和微波拉远系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微波传输设备和微波拉远系统，微波传输设备包括用于实现微波信号空间传输的微波传输单元，设置在所述微波传输单元上的用于使微波汇聚的超材料汇聚模块。微波拉远系统包括微波接入单元、近端微波传输单元、远端微波传输单元、微波拉远单元、设置在所述近端微波传输单元上的用于使微波汇聚的超材料汇聚模块。本发明通过在微波传输单元上增设用于使微波汇聚的超材料汇聚模块，来对微波传输单元的微波波形进行调制，使得微波波束更加集中，有效的增加传输增益，延长传输距离，增强传输精度并降低系统建设费用。

Description

一种微波传输设备和微波拉远系统

技术领域

本发明涉及微波技术，更具体地说，涉及一种微波传输设备和微波拉远系统。

背景技术

移动通信网络发展至今，传输成为了制约网络建设的关键因素。传输方式主要是光纤，但是限于经济因素和建站难度的制约，很多时候需要微波拉远系统作为替代。微波拉远系统可应用于缺乏光纤资源、不易铺设光缆的地区进行覆盖或用于小区的网络优化，以及在安装条件受限制、收发天线隔离度比较难保证的场合，如铁塔及高层的屋顶等地区使用。

微波拉远系统是将数字微波传输技术、射频放大技术和天线技术进行重新组合，耦合信号后，由近端调制，通过微波技术实现信号的无线传输，再通过远端射频放大、覆盖，形成的一种新的网络覆盖方案，微波拉远系统通常包括微波接入单元(MAU)、微波传输单元(MTU)和微波拉远单元(MRU)，如图1所示。微波传输单元(MTU)的示意图见图2所示。其中制约传输效果的关键因素是微波传输单元的有效传输距离。目前的微波传输单元传输距离有限、传输增益较低，导致微波传输系统的建设费用较高、性能低下。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述传输距离有限、建设费用高、性能低下的缺陷，提供一种微波传输设备和微波拉远系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种微波传输设备，包括用于实现微波信号空间传输的微波传输单元，设置在所述微波传输单元上的用于使微波汇聚的超材料汇聚模块。

在本发明所述的微波传输设备中，所述超材料汇聚模块包括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。

在本发明所述的微波传输设备中，所述超材料汇聚模块以一垂直于所述基材的平面为分界面被分为第一部分和第二部分；

所述第一部分沿第一方向其折射率逐渐增大，而沿垂直于第一方向的第二方向、以及同时垂直于第一方向和第二方向的第三方向其折射率不变或者逐渐变小；

所述第二部分沿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、以及同时垂直于第一方向和第二方向的第三方向其折射率不变或者逐渐变小。

在本发明所述的微波传输设备中，每个所述人造微结构为由至少一根金属丝组成的具有几何图案的平面或立体结构。

在本发明所述的微波传输设备中，所述金属丝通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在所述基材上。

本发明还提供一种微波拉远系统，包括微波接入单元、近端微波传输单元、远端微波传输单元和微波拉远单元，还包括设置在所述近端微波传输单元上的用于使微波汇聚的超材料汇聚模块。

在本发明所述的微波拉远系统中，所述超材料汇聚模块包括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。

在本发明所述的微波拉远系统中，所述超材料汇聚模块以一垂直于所述基材的平面为分界面被分为第一部分和第二部分；

所述第一部分沿第一方向其折射率逐渐增大，而沿垂直于第一方向的第二方向、以及同时垂直于第一方向和第二方向的第三方向其折射率不变或者逐渐变小；

所述第二部分沿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、以及同时垂直于第一方向和第二方向的第三方向其折射率不变或者逐渐变小。

在本发明所述的微波拉远系统中，每个所述人造微结构为由至少一根金属丝组成的具有几何图案的平面或立体结构。

在本发明所述的微波拉远系统中，所述金属丝通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在所述基材上。

实施本发明的技术方案，具有以下有益效果：在微波拉远系统中，通过在微波传输单元上增设用于使微波汇聚的超材料汇聚模块，来对微波传输单元的微波波形进行调制，使得微波波束更加集中，有效的增加传输增益，延长传输距离，增强传输精度并降低系统建设费用。

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是的现有技术中微波拉远系统的结构示意图；

图2是图1中的微波传输单元的结构示意图；

图3是依据本发明一实施例的微波传输设备的结构示意图；

图4是图3中的超材料汇聚模块302的结构示意图；

图5是图4所示实施例使电磁波传播方向的示意图；

图6是依据本发明一实施例的微波拉远系统的结构示意图。

具体实施方式

图3是依据本发明一实施例的微波传输设备300的结构示意图。微波传输设备300包括用于实现微波信号空间传输的微波传输单元301，设置在微波传输单元301上的用于使微波汇聚的超材料汇聚模块302。微波传输单元301与超材料汇聚模块302通过一定的固定方式来进行固定，具体的固定方式不限，只要能实现本发明的技术方案即可。

其中，超材料汇聚模块302包括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。当超材料片层有多个时，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4所示。

超材料汇聚模块302以一垂直于所述基材的平面为分界面被分为第一部分10和第二部分20；第一部分10沿第一方向其折射率逐渐增大，而沿垂直于第一方向的第二方向、以及同时垂直于第一方向和第二方向的第三方向其折射率不变或者逐渐变小。第二部分20沿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、以及同时垂直于第一方向和第二方向的第三方向其折射率不变或者逐渐变小。

如图4所示，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。基材由陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制成。片状的基材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，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。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划分成很多个阵列排布且大小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个或多个人造微结构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汇聚，本发明的超材料汇聚模块302的第一部分10沿一个方向如X方向其折射率是逐渐增大的，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。第一部分20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。要使汇聚的程度大，则第一部分10的折射率在X方向上的逐渐增大的变化率要大，第二部分20的折射率在X方向上的逐渐减小的变化率要大。本文的逐渐减小，是指下一参考点的数据小于或等于前一参考点的数据。本文的逐渐增大，是指下一参考点的数据大于或等于前一参考点的数据。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差值大于第一参考点与第二参考点的差值。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。要使沿X方向折射率逐渐增大，则应该至少沿X方向其基材单元内的丝线含量逐渐增加。这里的基材单元可以是常规的体积单位如立方毫米、立方厘米等，也可以是任一自定义的体积大小，例如上述每个超材料单元4为一个基材单元，整个超材料片层1既是由数以万计的超材料单元4构成的。

当第一部分10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方向逐渐增大，则其基材单元的丝线含量也逐渐增多，折射率也逐渐增大，如图4、图5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。

当第二部分20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4、图5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。

本发明的人造微结构3可以是任何形状的结构。对于平面结构，人造微结构3可以是如图4所示的“工”字形，包括相互平行且相等的两个第一金属丝50、两端分别连接在所述两第一金属丝50中点且垂直于第一金属丝50的第二金属丝51。人造微结构3也可以是其他形状，比如“十”字形。当然，其他任意形状如封闭或者不封闭的平面曲线，例如三角形、四边形、“匚”字形、椭圆环等，都可以作为本发明的人造微结构3的金属丝所构成的形状。金属丝通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在基材上。

图5是图4所示实施例使电磁波传播方向的示意图。为描述简便起见，图中将以M1、M2为边界的电磁波束作为示例。电磁波M1经过超材料汇聚模块302作用后的出射电磁波为M1’，由图5可知，电磁波的方向发生改变，原始的行进路径为虚线所示，经过超材料汇聚模块302作用后向下偏折。同样，电磁波M2经过超材料汇聚模块302作用后的出射电磁波为M2，电磁波的方向发生改变，原始的行进路径为虚线所示，经过超材料汇聚模块302作用后向上偏折。以M1、M2为边界的电磁波束经过作用后，整体发生汇聚，使得波束角度(M1与M2的夹角)减小，由图5可得，M1’与M2’的夹角明显小于M1与M2的夹角。因此，采用超材料汇聚模块302后，微波传输单元传输的电磁波束发生了汇聚，使得波束更加集中，减小了链路衰减，有效的增加传输增益，延长传输距离，增强传输精度并降低系统建设费用。可以根据微波拉远系统的工作频段来设计合适的超材料汇聚模块302，对微波传输单元传输的电磁波束进行聚焦和准直，使得微波能量更加集中，方向性更强，大幅增加有效传输距离。

图6是依据本发明一实施例的微波拉远系统600的结构示意图。微波拉远系统600包括微波接入单元(MAU)601、近端微波传输单元(MTU)602、远端微波传输单元(MTU)603和微波拉远单元(MRU)604，设置在近端微波传输单元602上的用于使微波汇聚的超材料汇聚模块605。近端微波传输单元602与超材料汇聚模块605通过一定的固定方式来进行固定，具体的固定方式不限，只要能实现本发明的技术方案即可。

其中，微波接入单元601主要包括中频单元，用于将RF信号转换成中频信号；微波调制解调单元(M&DU)，用于将中频信号调制成微波信号或将微波信号解调成中频信号；馈电合路单元(FE&CU)，用于将微波信号和MCU对WTU的控制信号合路并给WTU供电；电源单元(PSU)，用于实现为各模块提供基本的供电；控制单元(MCU)，用于实现对各功能单元的本地和远程监视和控制。

微波拉远单元604包括馈电合路单元(FE&CU)，用于将微波信号和MCU对MTU的控制信号合路并给MTU供电；微波调制解调单元(M&DU)，用于将微波信号解调成中频信号或将中频信号调制成微波信号；中频单元(IFU)，用于将RF信号转换成射频信号；射频单元(RFU)，用于实现RF信号的功率放大、小信号的低噪声接收等；电源单元(PSU)，用于实现为各模块提供基本的供电；控制单元(MCU)，用于实现对各功能单元的本地和远程的监视和控制。

关于微波接入单元(MAU)、近端微波传输单元(MTU)、远端微波传输单元(MTU)以及微波拉远单元(MRU)的详细功能和结构可参见现有技术资料，此处不再详细描述。

图6所示的近端微波传输单元602同图3所示的微波传输单元301，图6所示的超材料汇聚模块605同图3所示的超材料汇聚模块302。关于超材料汇聚模块605的详细内容可参见前文关于超材料汇聚模块302的内容，此处不再赘述。

微波拉远系统主要是应用在光缆无法布及或布设成本过高、或隔离度无法保证或干扰严重的区域，具有完善的本地和远程监控功能，方便用户运行和维护。

本发明通过在微波传输单元上增设用于使微波汇聚的超材料汇聚模块，来对微波传输单元的微波波形进行调制，使得微波波束更加集中，有效的增加传输增益，延长传输距离，增强传输精度并降低系统建设费用。

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 (4)

1.一种微波传输设备，包括用于实现微波信号空间传输的微波传输单元，其特征在于，还包括设置在所述微波传输单元上的用于使微波汇聚的超材料汇聚模块；所述超材料汇聚模块包括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；多个所述人造微结构将所述基材划分成多个阵列排布且大小相等的立方体基材单元，各所述基材单元上附着有一个或多个所述人造微结构，形成一个超材料单元；每个所述人造微结构为由至少一根金属丝组成的具有几何图案的立体结构；

所述超材料汇聚模块以一垂直于所述基材的平面为分界面被分为第一部分和第二部分；

所述第一部分沿第一方向其折射率逐渐增大，而沿垂直于第一方向的第二方向、以及同时垂直于第一方向和第二方向的第三方向其折射率不变或者逐渐变小；

所述第二部分沿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、以及同时垂直于第一方向和第二方向的第三方向其折射率不变或者逐渐变小。

2.根据权利要求1所述的微波传输设备，其特征在于，所述金属丝通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在所述基材上。

3.一种微波拉远系统，包括微波接入单元、近端微波传输单元、远端微波传输单元和微波拉远单元，其特征在于，还包括设置在所述近端微波传输单元上的用于使微波汇聚的超材料汇聚模块；所述超材料汇聚模块包括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；多个所述人造微结构将所述基材划分成多个阵列排布且大小相等的立方体基材单元，各所述基材单元上附着有一个或多个所述人造微结构，形成一个超材料单元；每个所述人造微结构为由至少一根金属丝组成的具有几何图案的立体结构；

所述超材料汇聚模块以一垂直于所述基材的平面为分界面被分为第一部分和第二部分；

所述第一部分沿第一方向其折射率逐渐增大，而沿垂直于第一方向的第二方向、以及同时垂直于第一方向和第二方向的第三方向其折射率不变或者逐渐变小；

所述第二部分沿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、以及同时垂直于第一方向和第二方向的第三方向其折射率不变或者逐渐变小。

4.根据权利要求3所述的微波拉远系统，其特征在于，所述金属丝通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻的方法附着在所述基材上。