CN102800974A - 一种基站天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基站天线，其包括至少一个辐射振子，用于产生电磁辐射波；超材料面板，用于将所述至少一个辐射振子产生的电磁波汇聚后向外辐射；所述超材料面板包括基板以及在基板上周期排布的一个或多个小孔。该些小孔的排布使得超材料面板被划分为多个区域，每一区域内折射率随着半径的增大均由大变小且相邻区域的两个折射率的变化值范围存在交集。本发明基站天线产生的辐射波经过超材料面板汇聚后向外辐射，减少了基站天线辐射波波瓣的宽度、使基站天线的增益得以显著提高、体积小且工艺简单、成本低廉。

Description

一种基站天线

技术领域

本发明涉及天线领域，尤其设计一种基站天线。

背景技术

基站天线是移动通信系统中无线接入的重要组成部分，其发展受到多方面因素的限制，特别是随着移动通信网络的不断向广度和深度的扩张，造成基站布局越来越密集。这也对基站天线的设计参数提出了更高的要求，如基站天线的增益、体积、前后比、交叉极化鉴别率、重量等相关参数。

现有技术中的基站天线为使天线接收的电磁信号更强一般在天线上增设天线振子。天线振子具有导向和放大电磁波的作用，其形状可以为杆状也可以为结构复杂的其他形状，一个基站天线上面一般有多个天线振子，多个天线振子根据相互之间的幅度和相位关系组成一定的组合形状以实现波束赋形。然而，现有的此类基站天线存在以下两个缺点：(1)天线振子要达到最佳效果，其尺寸必须要和接收或发射的电磁波波长对应，一般为波长的二分之一或四分之一。这样当电磁波波长较长时或较短时将导致天线振子过大或者过小，不利于安装维护；(2)天线振子需要排列成特定的形状组合才能实现波束赋形，其实现过程复杂且增益较低、维护困难；(3)天线振子辐射的波形波瓣较宽，使基站天线增益很难满足现代通信高增益的系统设计要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种提高增益、工艺简单、成本低廉且小型化的基站天线。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种基站天线，其包括：

至少一个辐射振子，用于产生电磁辐射波；

超材料面板，用于将所述至少一个辐射振子产生的电磁波汇聚并向外辐射；

所述超材料面板包括至少一个超材料片层，所述超材料片层由超材料单元组成，所述超材料单元包括单元基材以及形成于单元基材上的一个或多个小孔，所有的所述超材料单元的单元基材即构成了所述超材料面板的基板；

所述超材料片层被多个以所述超材料片层中心点为圆心的同心圆划分为多个彼此相邻的圆形区域，第一圆形区域由半径从零逐渐增大到第一半径的多个第一环形区域构成，第二圆形区域由半径从第一半径逐渐增大到第二半径的多个第二环形区域构成，以此类推；所述超材料片层上具有相同半径的环形区域内每点折射率相等；所述第一圆形区域内随着半径的增大，所述多个第一环形区域的折射率从第一折射率逐渐减小到第二折射率，所述第二圆形区域内随着半径的增大，所述多个第二环形区域的折射率从第三折射率逐渐减小到第四折射率，且所述第三折射率大于所述第二折射率，以此类推；随着半径的增大，折射率的变化量逐渐增大。

进一步地，所述基站天线还包括反射单元，所述反射单元用以将所述至少一个辐射振子产生的部分电磁波反射至所述超材料面板并被所述超材料面板汇聚后向外辐射。

进一步地，所述基站天线还包括设置于反射单元上的多个无源功分器件，所述无源功分器件与分别所述多个辐射振子电连接且通过多输入多输出接口接收基带信号处理器产生的电信号。

进一步地，所述每一超材料单元上形成有一个小孔，所述小孔内填充有折射率小于基材折射率的介质，所述超材料单元构成所述超材料片层的排布规律为：所述多个彼此相邻的圆形区域内的超材料单元上形成的小孔的尺寸随着半径的增大连续增大且相同半径处的超材料单元上形成的小孔的尺寸相同；相邻的所述第一圆形区域和所述第二圆形区域内的超材料单元上形成的小孔的尺寸数值变化范围存在交集。

进一步地，所述小孔填充的介质为空气。

进一步地，所述每一超材料单元上形成有一个小孔，所述小孔内填充有折射率大于基材折射率的介质，所述超材料单元构成所述超材料片层的排布规律为：所述多个彼此相邻的圆形区域内的超材料单元上形成的小孔的尺寸随着半径的增大连续减小且相同半径处的超材料单元上形成的小孔的尺寸相同；相邻的所述第一圆形区域和所述第二圆形区域内的超材料单元上形成的小孔的尺寸数值变化范围存在交集。

进一步地，所述每一超材料单元上形成有多个体积相同的小孔，所述小孔内填充有折射率小于基材折射率的介质，所述超材料单元构成所述超材料片层的排布规律为：所述多个彼此相邻的圆形区域内的超材料单元上形成的小孔的数量随着半径的增大连续增加且相同半径处的超材料单元上形成的小孔的数量相同；相邻的所述第一圆形区域和所述第二圆形区域内的超材料单元上形成的小孔的数量变化范围存在交集。

进一步地，所述每一超材料单元上形成有多个体积相同的小孔，所述小孔内填充有折射率大于基材折射率的介质，所述超材料单元构成所述超材料片层的排布规律为：所述多个彼此相邻的圆形区域内的超材料单元上形成的小孔的数量随着半径的增大连续减少且相同半径处的超材料单元上形成的小孔的数量相同；相邻的所述第一圆形区域和所述第二圆形区域内的超材料单元上形成的小孔的数量变化范围存在交集。

进一步地，所述每一超材料单元上形成的小孔的体积相同，所述超材料单元构成所述超材料片层的排布规律为：所述多个彼此相邻的圆形区域内的超材料单元上形成的小孔内填充的介质的折射率随着半径的增大连续减小且相同半径处的超材料单元上形成的小孔内填充的介质的折射率相等；相邻的所述第一圆形区域和所述第二圆形区域内的超材料单元上形成的小孔内填充的介质的折射率的变化范围存在交集。

进一步地，所述超材料面板两侧表面分别设置有阻抗匹配层。

本发明基站天线在天线振子上增设超材料面板，超材料面板由小孔周期排布于基板中而构成且使得超材料面板被划分为多个区域，每一区域内折射率随着半径的增大均由大变小且相邻区域的两个折射率的变化值范围存在交集。利用超材料面板的上述折射率分布使得辐射振子产生的电磁波波瓣宽度减小，使基站天线的增益得以显著提高且超材料面板体积更小，整个基站天线的体积亦随之减小。

附图说明

图1为本发明基站天线的截面结构示意图；

图2为本发明基站天线去除超材料面板后的正向平面示意图；

图3为本发明基站天线的超材料面板汇聚电磁波的示意图；

图4为本发明基站天线的超材料面板立体结构示意图；

图5为构成图4超材料面板的超材料单元的立体结构示意图；

图6为本发明基站天线的超材料片层随半径变化的XY截面折射率分布示意图；

图7为本发明基站天线的超材料片层随半径变化的YZ平面折射率分布示意图；

图8为本发明基站天线的超材料面板第一较佳实施方式的主视图；

图9为本发明基站天线的超材料面板第二较佳实施方式的主视图。

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1为本发明基站天线的截面结构示意图，基站天线10包括反射单元101、多个辐射振子102及用于将多个辐射振子102产生的电磁波进行汇聚的超材料面板103。多个辐射振子102产生的部分电磁波经由所述超材料面板103汇聚并向外辐射，而多个辐射振子102产生的剩余部分的电磁波经过反射单元101反射至所述超材料面板103上，超材料面板103将该部分被反射的辐射波汇聚后向外辐射。

图2为图1所示基站天线去除超材料面板103后的正向平面示意图。反射单元101包括底板121，辐射振子102通过馈电支架(图中未出)固定于底板121上，其中辐射振子呈矩阵式排列于反射单元101上。在本发明中，反射单元101采用金属材料制成。

优选地，基站天线10还包括设置于反射单元101上的多个无源功分器件105，所述无源功分器件105与所述多个辐射振子102分别电连接且通过多输入输出(MIMO)接口106接收基带信号处理器产生的电信号。此处的多输入多输出是指MIMO天线上的所有单个的天线同时发射，同时接收。

本发明中超材料面板103的功能为使辐射振子102产生的电磁波汇聚后向外辐射，使得辐射振子无需特殊阵列排布、也无需根据电磁波波长调整其长度。因此，超材料面板103需满足一定的结构设计要求。

超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通的超常材料功能。

目前常规的超材料主要是通过在基材上周期排列不同的人造金属微结构从而达到改变超材料各点的介电常数和磁导率的目的。然而想要改变超材料各点的介电常数和磁导率以实现不同的功能，在超材料基材上排列人造金属微结构并不是唯一的办法，且在超材料基材上排列人造金属微结构工艺复杂、实现困难。本发明通过在基材上形成小孔，并在小孔内填充介质使得基材各点电磁参数不同。通过对小孔的排布规律和小孔内填充的介质进行计算与仿真，即可使得形成有小孔的基材整体具有超材料的特殊物理性质。

图3所示即为根据上述超材料原理设计的本发明超材料面板103汇聚电磁波的示意图，图3中，由于本发明基站天线的辐射振子无需特定排列，因此辐射振子整体看成一个可接收和发射电磁波的信号源200。作为公知常识我们可知，电磁波的折射率与

成正比关系，当一束电磁波由一种介质传播到另外一种介质时，电磁波会发生折射，当物质内部的折射率分布非均匀时，电磁波就会向折射率比较大的位置偏折，通过设计超材料中每一点的电磁参数，就可对超材料的折射率分布进行调整，进而达到改变电磁波的传播路径的目的。根据上述原理可以通过设计超材料面板103的折射率分布使从信号源200发出的电磁波被汇聚。

请参考图4，图4即为本发明基站天线超材料面板103的立体结构示意图。图4中，超材料面板103包括至少一个超材料片层3，每个超材料片层3包括片状的基板1以及形成于基板上的多个小孔2，小孔2以及形成有小孔2的部分基板即为一个超材料单元，超材料片层3可看成由多个超材料单元周期排列而成。超材料单元为响应电磁波的基本单元，多个超材料单元对电磁波的响应叠加起来即构成超材料面板整体对电磁波的宏观响应，因此超材料单元的尺寸为入射电磁波波长的十分之一至五分之一之间以对电磁波形成连续的电磁响应。图5为超材料单元的立体结构示意图。图5中，超材料单元上仅形成有一个小孔2。

本实施例中每个超材料片层3的折射率分布相同，这里为了描述清楚仅对一个超材料片层3的折射率分布规律进行详细说明，其余各超材料片层3的折射率分布规律均相同。通过调整每个超材料单元上的小孔2的尺寸、数量以及填充于小孔2内的介质使得超材料片层3整体的折射率分布满足第一规律：超材料片层3被多个以超材料片层中心点为圆心的同心圆划分为多个彼此相邻的圆形区域，第一圆形区域由半径从零逐渐增大到第一半径的多个第一环形区域构成，第二圆形区域由半径从第一半径逐渐增大到第二半径的多个第二环形区域构成，以此类推；超材料片层3上具有相同半径的环形区域内每点折射率相等；第一圆形区域内随着半径的增大，多个第一环形区域的折射率从第一折射率逐渐减小到第二折射率，所述第二圆形区域内随着半径的增大，所述多个第二环形区域的折射率从第三折射率逐渐减小到第四折射率，且所述第三折射率大于所述第二折射率，以此类推。

如图6所示，图6为超材料片层3随半径变化的折射率分布示意图。图6中，超材料片层3包括3个圆形区域，第一圆形区域的半径从零逐渐增加到L1，在该区域内沿半径增加的方向每个超材料单元的折射率依次为a₁、a₂、a₃......a_n；第二圆形区域内半径从L1变化为(L1+L2)，沿半径增大方向每个超材料单元的折射率依次为b₁、b₂、b₃......b_n；第三区域内半径从(L1+L2)变化为(L1+L2+L3)，沿半径增大方向每个超材料单元的折射率依次为c₁、c₂、c₃......c_n；且各个折射率满足：

a₁≥a₂≥a₃≥……≥a_n                        (1)

b₁≥b₂≥b₃≥……≥b_n                        (2)

c₁≥c₂≥c₃≥……≥c_n                        (3)

其中b₁＞a_n，c₁＞b_n，n为不小于2的自然数，式(1)(2)(3)均不同时取等号。

利用超材料面板103将从信号源200发出的电磁波汇聚，越靠近超材料面板103的边缘处入射电磁波和出射电磁波之间所夹的偏折角越大。作为公知常识可知相邻超材料单元之间的折射率变化量越大，则电磁波的偏折角越大。因此，为了实现超材料面板103边缘处的电磁波的大角度偏折以及实现平面波形式的电磁波，各个区域内超材料单元的折射率变化满足如下关系：

(a₁-a₂)≤(a₂-a₃)≤……≤(a_n-1-a_n)≤(b₁-b₂)≤(b₂-b₃)≤……≤(b_n-1-b_n)≤(c₁-c₂)≤(c₂-c₃)≤……≤(c_n-1-c_n)

(4)

满足上述折射率变化量关系的超材料面板103，对于从信号源200发出的发散的电磁波，以折射率为a₁的超材料单元为圆心，随着半径的增大超材料面板103在yz平面上的折射率变化量逐渐增大，因此以a₁所在的超材料单元为圆心，随着半径的增大入射的电磁波出射时偏折角度大，越靠近圆心所在的超材料单元入射的电磁波其出射偏折角越小。通过公式Sinθ＝q·Δn，其中θ为所需偏折电磁波的角度、Δn为前后折射率变化差值，q为超材料片层厚度并通过计算机仿真即可确定所需参数值并达到本发明设计目的，即实现汇聚电磁波的功能。类似于凸透镜，只要知道各个表面点对光的偏折角度和材料的折射率，即可设计出相应的表面曲率特征使从透镜焦点入射发散光线平行出射。同理本发明基站天线的超材料面板103通过设计各个超材料单元的小孔2，得到该单元的介电常数ε和磁导率μ，进而对超材料面板103的折射率分布进行设计使得各个相邻超材料单元的折射率的变化量Δn能实现电磁波特定的偏折角度，即可实现汇聚电磁波的功能。

为了更直观的表示超材料片层3在yz面上折射率分布规律，将折射率相同的超材料单元连成一条线，并用线的疏密来表示折射率的大小，线越密折射率越大，则符合以上所有关系式的超材料片层3的折射率分布如图7所示。

需要说明的是，由于实际上超材料单元是一个立方体而非一个点，因此上述圆形、环形只是近似描述，实际上的折射率相同或基本相同的超材料单元是在一个锯齿形圆周上分布的。其具体设计类似于计算机用方形像素点绘制圆形、椭圆形等平滑曲线时进行描点的编程模式(例如OpenGL)，当像素点相对于曲线很小时曲线显示为光滑，而当像素点相对于曲线较大时曲线显示有锯齿。

实现上述折射率和折射率变化量分布关系的小孔2有很多种可实现方式，下面详细描述二种较佳实施方式。

由实验可知，当每一超材料单元中小孔2内填充的介质相同且填充的介质折射率小于基材折射率时，小孔2占超材料单元的体积越大，超材料单元整体的折射率越小；当每一超材料单元中小孔2内填充的介质相同且填充的介质折射率大于基材折射率时，小孔2占超材料单元的体积越大，超材料单元整体的折射率越大；当小孔2所占超材料单元体积相同时，填充于小孔2内的不同的介质的折射率大小直接影响超材料单元整体的折射率大小。

小孔2占超材料单元体积的实施方式可通过在超材料单元上形成一个小孔，且该小孔尺寸不同，或者在超材料单元上形成数量不同，尺寸相同的多个小孔。为使图示方便，仅以超材料单元上形成有数量为一个且小孔尺寸不同为较佳实施例来说明。如图8所示，图8为本发明第一较佳实施方式主视图。图8中，超材料片层3包括基材1以及在基材1上周期阵列排布的小孔2。每一超材料单元上形成有一个小孔。基材1可选用高分子聚合物、陶瓷材料、铁电材料、铁氧材料等。其中高分子聚合物优选FR-4或F4B材料。对应不同的基材可采用不同的工艺在基材上形成小孔，例如当基材选用高分子聚合物时，可通过钻床钻孔、冲压成型或者注塑成型等方式形成小孔，当基材选用陶瓷时则可通过钻床钻孔、冲压成型或者高温烧结等方式形成小孔。

小孔2内可填充介质，本较佳实施方式中，小孔2内填充的介质为空气，而空气折射率必然小于基材1折射率，当小孔2体积越大时，小孔2所占据的超材料单元的折射率则越小。小孔2的排布规律为：每个超材料片层3的YZ平面上包括一个圆形区域和多个与圆形区域同心的环形区域且圆心处的小孔2的尺寸最小，每个区域内小孔2的尺寸随着半径的增大连续增大，且相同半径处小孔2的尺寸相同；多个区域中至少存在两个相连的第一区域和第二区域，这个两个相邻区域内小孔2的尺寸变化范围交集为非空，即以小孔2尺寸最小处为圆心，随着半径的增大至少依次存在相邻的第一区域和第二区域，第二区域内最小的小孔2的尺寸小于第一区域内最大的小孔2的尺寸。

当小孔2内填充的介质为折射率大于基材1的折射率的材料时，根据上述可知，小孔2所占超材料单元体积的排布规律与第一较佳实施方式相反即可。

如图9所示，图9为本发明第二较佳实施方式主视图。图9中，超材料片层3包括基材1以及在基材1上周期阵列排布的小孔2。每一超材料单元上形成有一个小孔。且各小孔占超材料单元的体积相同，小孔内填充有折射率不同的介质。图9中，有阴影线表示小孔中填充的介质的折射率，阴影线密度越大表示该介质的折射率越大。填充介质后的超材料单元排布规律为：每个超材料片层3的YZ平面上包括一个圆形区域和多个与圆形区域同心的环形区域且圆心处的小孔2内填充的介质折射率最小，每个区域内小孔2内填充的介质折射率随着半径的增大连续减小，且相同半径处小孔2内填充的介质折射率相同；多个区域中至少存在两个相连的第一区域和第二区域，这个两个相邻区域中的小孔2内填充的介质折射率变化范围交集为非空，即以小孔2内填充的介质折射率最大处为圆心，随着半径的增大至少依次存在相邻的第一区域和第二区域，第二区域中小孔2内填充的介质折射率的最小值小于第一区域中小孔2内填充的介质折射率的最大值。

本发明的基于超材料的天线所采用的超材料面板103的两侧表面还分别设置有阻抗匹配层(图中未示出)，阻抗匹配层的一侧的阻抗与空气阻抗相同，另一侧的阻抗与超材料面板103的阻抗相同，中间的阻抗连续变化形成一阻抗渐变层，消除了空气与超材料面板103之间的阻抗突变，进而减少了电磁波的反射。阻抗匹配层可采用普通材料制成也可采用超材料制成，只要在空气与超材料面板103之间形成阻抗渐变层即可满足阻抗匹配的目的。

本发明的基于超材料的天线所采用的超材料面板103在yz平面的折射率分布呈“环形”，且存在一个圆形区域和多个与圆形区域同心的环形区域，在每个圆形区域和环形区域内折射率随着半径的增大折射率连续减小，且相邻的两个区域的交界处存在折射率的跳变。本发明的超材料面板103的折射率梯度较大，具有较强的偏折能力。

以上所述是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基站天线，其特征在于：所述基站天线包括：

至少一个辐射振子，用于产生电磁辐射波；

超材料面板，用于将所述至少一个辐射振子产生的电磁波汇聚并向外辐射；

所述超材料面板包括至少一个超材料片层，所述超材料片层由超材料单元组成，所述超材料单元包括单元基材以及形成于单元基材上的一个或多个小孔，所有的所述超材料单元的单元基材即构成了所述超材料面板的基板；

所述超材料片层被多个以所述超材料片层中心点为圆心的同心圆划分为多个彼此相邻的圆形区域，第一圆形区域由半径从零逐渐增大到第一半径的多个第一环形区域构成，第二圆形区域由半径从第一半径逐渐增大到第二半径的多个第二环形区域构成，以此类推；所述超材料片层上具有相同半径的环形区域内每点折射率相等；所述第一圆形区域内随着半径的增大，所述多个第一环形区域的折射率从第一折射率逐渐减小到第二折射率，所述第二圆形区域内随着半径的增大，所述多个第二环形区域的折射率从第三折射率逐渐减小到第四折射率，且所述第三折射率大于所述第二折射率，以此类推；随着半径的增大，折射率的变化量逐渐增大。

2.如权利要求1所述的基站天线，其特征在于：所述基站天线还包括反射单元，所述反射单元用以将所述至少一个辐射振子产生的部分电磁波反射至所述超材料面板并被所述超材料面板汇聚后向外辐射。

3.如权利要求2所述的基站天线，其特征在于：所述基站天线还包括设置于反射单元上的多个无源功分器件，所述无源功分器件与分别所述多个辐射振子电连接且通过多输入多输出接口接收基带信号处理器产生的电信号。

4.如权利要求1所述的基站天线，其特征在于：所述每一超材料单元上形成有一个小孔，所述小孔内填充有折射率小于基材折射率的介质，所述超材料单元构成所述超材料片层的排布规律为：所述多个彼此相邻的圆形区域内的超材料单元上形成的小孔的尺寸随着半径的增大连续增大且相同半径处的超材料单元上形成的小孔的尺寸相同；相邻的所述第一圆形区域和所述第二圆形区域内的超材料单元上形成的小孔的尺寸数值变化范围存在交集。

5.如权利要求4所述的基站天线，其特征在于：所述小孔填充的介质为空气。

6.如权利要求1所述的基站天线，其特征在于：所述每一超材料单元上形成有一个小孔，所述小孔内填充有折射率大于基材折射率的介质，所述超材料单元构成所述超材料片层的排布规律为：所述多个彼此相邻的圆形区域内的超材料单元上形成的小孔的尺寸随着半径的增大连续减小且相同半径处的超材料单元上形成的小孔的尺寸相同；相邻的所述第一圆形区域和所述第二圆形区域内的超材料单元上形成的小孔的尺寸数值变化范围存在交集。

7.如权利要求1所述的基站天线，其特征在于：所述每一超材料单元上形成有多个体积相同的小孔，所述小孔内填充有折射率小于基材折射率的介质，所述超材料单元构成所述超材料片层的排布规律为：所述多个彼此相邻的圆形区域内的超材料单元上形成的小孔的数量随着半径的增大连续增加且相同半径处的超材料单元上形成的小孔的数量相同；相邻的所述第一圆形区域和所述第二圆形区域内的超材料单元上形成的小孔的数量变化范围存在交集。

8.如权利要求1所述的基站天线，其特征在于：所述每一超材料单元上形成有多个体积相同的小孔，所述小孔内填充有折射率大于基材折射率的介质，所述超材料单元构成所述超材料片层的排布规律为：所述多个彼此相邻的圆形区域内的超材料单元上形成的小孔的数量随着半径的增大连续减少且相同半径处的超材料单元上形成的小孔的数量相同；相邻的所述第一圆形区域和所述第二圆形区域内的超材料单元上形成的小孔的数量变化范围存在交集。

9.如权利要求1所述的基站天线，其特征在于：所述每一超材料单元上形成的小孔的体积相同，所述超材料单元构成所述超材料片层的排布规律为：所述多个彼此相邻的圆形区域内的超材料单元上形成的小孔内填充的介质的折射率随着半径的增大连续减小且相同半径处的超材料单元上形成的小孔内填充的介质的折射率相等；相邻的所述第一圆形区域和所述第二圆形区域内的超材料单元上形成的小孔内填充的介质的折射率的变化范围存在交集。

10.如权利要求1所述的基站天线，其特征在于：所述超材料面板两侧表面分别设置有阻抗匹配层。

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