CN102800975A - 一种基站天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基站天线，其包括至少一个用于产生电磁辐射波的辐射振子，用于将辐射振子产生的电磁波汇聚并向外辐射的超材料面板。超材料面板包括至少一个超材料片层，超材料片层包括基板和设置在基板上的多个人造微结构，每一超材料片层的折射率分布相同；超材料片层被划分为多个区域，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。本发明基站天线在辐射振子外面增设超材料面板，利用超材料面板内部的折射率分布实现汇聚电磁波的功能，减小电磁波波瓣宽度，提高基站天线整体增益，免去了辐射振子特殊排列和特定尺寸的要求并减少天线尺寸、便于设计和制造。

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，提出一种结构简单、成本低廉、易于大规模生产且电磁参数调节简单、适应面广的基站天线。

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，所述超材料片层包括基板和设置在所述基板上的多个人造微结构，每一所述超材料片层的折射率分布均相同；

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，所述人造微结构具有相同的几何形状，所述多个彼此相邻的圆形区域内人造微结构的尺寸随着半径的增大连续减小且相同半径处的人造微结构的尺寸相同；相邻的所述第一圆形区域和所述第二圆形区域内人造微结构的尺寸数值变化范围存在交集。

进一步地，每一所述人造微结构由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构。

进一步地，所述金属丝为铜丝或银丝。

进一步地，所述金属丝通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻附着于基板上。

进一步地，所述基板由陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。

进一步地，所述人造微结构为“工”字形、“十”字形或“王”字形。

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。

本发明基站天线在辐射振子外部增设超材料面板，超材料面板包括至少一个超材料片层，超材料片层包括基板和设置在基板上的多个人造微结构，每一超材料片层的折射率分布相同；超材料片层被划分为多个区域，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，使得基站天线的增益得以显著提高并免去了辐射振子特殊排列和特定尺寸的要求，减少天线尺寸、便于设计和制造。

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为本发明基站天线超材料面板汇聚电磁波的原理示意图；

图4为本发明基站天线超材料面板结构示意图；

图5为图4所示超材料面板截面随半径变化的折射率分布示意图；

图6为图4所示超材料面板平面折射率分布示意图；

图7为图4所示超材料面板人造微结构平面拓扑结构示意图；

图8为图7所示人造微结构平面拓扑结构示意图的衍生图；

图9为图8所示人造微结构衍生图的进一步衍生图。

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电磁波波瓣宽度减小，增加基站天线的增益。因此，超材料面板103需满足一定的结构设计要求。

超材料是一种以人造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新型材料，包括人造微结构和供人造微结构附着的基板。人造微结构为由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构，多个人造微结构在基板上阵列排布，每个人造微结构以及其所附着的基板所占部分即为一个超材料单元。基板可为任何与人造微结构不同的材料，这两种材料的叠加使每个超材料单元产生一个等效介电常数与磁导率，这两个物理参数分别对应了超材料单元的电场响应与磁场响应。超材料对电磁响应的特征是由人造微结构的特征所决定，而人造微结构的电磁响应很大程度上取决于其金属丝的图案所具有的拓扑特征和其几何尺寸。根据上述原理设计超材料空间中排列的每个人造微结构的拓扑图形和几何尺寸，就可对超材料中每一点的电磁参数进行设置。

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，由于本发明基站辐射振子无需特定排列，因此基站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发出的电磁波经过超材料面板103后汇聚并辐射出来以减小电磁波的波瓣宽度、提高天线增益。

图3所示的超材料面板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和附着在基板1上的多个人造微结构2，每个人造微结构2以及其所附着的基板1所占部分即为一个超材料单元。超材料面板103的具体结构如图4所示，本实施例中超材料面板103由多个超材料片层3堆叠形成，各个超材料片层3之间等间距排列组装，或两两片层之间直接前、后表面相粘合地连接成一体。具体实施时，超材料片层3的数目可依据需求来进行设计。每个超材料片层3由多个超材料单元阵列形成，整个超材料面板103可看作是由多个超材料单元沿X、Y、Z三个方向阵列排布而成。本发明所采用的具有电磁波汇聚功能的超材料面板103中，每个超材料单元的边长为入射电磁波波长的1/10到1/5之间以对入射电磁波形成连续的电磁响应。本实施例中每个超材料片层3的折射率分布均相同，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。

通过对人造微结构2的拓扑图案、几何尺寸以及其在基板1上分布，使每个超材料片层3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4所示的超材料面板103由多个折射率分布规律相同的超材料片层3堆叠形成，图5是图4所示的超材料面板103截面随半径变化的折射率分布示意图。如图5所示，超材料面板103包括3个圆形区域，第一圆形区域内的多个第一环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第一环形区域的折射率依次为a₁、a₂、a₃......a_n；第二圆形区域内的多个第二环形区域的半径从L1变化为(L1+L2)，沿半径增大方向每个第二环形区域的折射率依次为b₁、b₂、b₃......b_n；第三区域内的多个第三环形区域的半径从(L1+L2)变化为(L1+L2+L3)，沿半径增大方向每个第三环形区域的折射率依次为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人造微结构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，即可实现汇聚信号源200发出的电磁波。

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6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。

实验证明，相同图案的人造微结构2，其几何尺寸与介电常数成ε正比，因此在入射电磁波确定的情况下，通过合理设计人造微结构2的拓扑图案和不同尺寸的人造微结构2在超材料片层上的排布，就可以调整超材料面板103的折射率分布，进而实现汇聚电磁波的功能。

实现上述折射率和折射率变化量分布关系的人造微结构2有很多种可实现方式，对于平面结构的人造微结构2，其几何形状可以是轴对称也可以非轴对称；对于三维结构，其可以是非90度旋转对称的任意三维图形。

如图4所示平面的人造微结构2均附着在片状基材1的表面上。图7为图4所示人造微结构平面拓扑图案。图7中人造微结构2呈“工”字形，包括竖直的第一金属丝201和分别连接在第一金属丝201两端且垂直于第一金属丝201的第二金属丝202。超材料面板10由多个相同的超材料片层3构成，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人造微结构2的尺寸最大，每个区域内“工”字形的人造微结构2的尺寸随着半径的增大连续减小，且相同半径处的人造微结构2的尺寸相同；多个区域中至少存在两个相邻的第一区域和第二区域，这两个相邻区域内人造微结构2的尺寸变化范围交集为非空，即以人造微结构2尺寸最大处为圆心，随着半径的增大至少依次存在两个相邻的第一区域和第二区域，第二区域内最大的人造微结构2的尺寸大于第一区域内最小的人造微结构2的尺寸。

图8所示实施例是图7所示人造微结构2的衍生，图8中的衍生人造微结构2不仅包括构成“工”字形的第一金属丝201和第二金属丝202，还包括分别连接在第二金属丝202两端且垂直于第二金属丝202的第三金属丝203。

图9所示实施例则是图8的人造微结构2的进一步衍生，其人造微结构2在图6的基础上还包括分别连接在第三金属丝203两端且垂直于第三金属丝203的第四金属丝204。依此类推，本发明的人造微结构2还有无穷多个。第二金属丝202的长度小于第一金属丝201，第三金属丝203的长度小于第二金属丝202，第四金属丝204的长度小于第三金属丝203，依此类推。

其中，每个第一金属丝201只与第二金属丝202相连接，不与其他任何金属丝相交；任意第N金属丝只与第(N-1)金属丝和第(N+1)金属丝相交连接，不予其他任何金属丝相交，这里N大于等于2。

应当理解，本实施例的基于超材料的天线可以采用“王”字形或“十”字形等对称结构的人造微结构2，也可采用其他非对称结构的人造微结构2，只要每个超材料片层3在yz面上的折射率分布满足上述所有关系式，通过对人造微结构2的形状、尺寸和排布进行设置即可实现汇聚电磁波的功能。

具体实施时，可通过计算和仿真得出其介电常数和磁导率，然后不断调整人造微结构2的形状和尺寸，直到其介电常数和磁导率的值满足上述折射率分布。

上述实施例中人造微结构2由至少一根铜丝或者银丝等金属丝构成，具有特定图形。金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻等方法附着在基板1上。其中蚀刻是较优的制造工艺，其步骤是在设计好合适的人造微结构2的平面图案后，先将一张金属箔片整体地附着在基板1上，然后通过蚀刻设备，利用溶剂与金属的化学反应去除掉人造微结构2预设图案以外的箔片部分，余下的即可得到阵列排布的人造微结构2。基板1由陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料等制得。例如，聚四氟乙烯、环氧树脂、FR4、F4b等高分子材料。

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，所述超材料片层包括基板和设置在所述基板上的多个人造微结构，每一所述超材料片层的折射率分布均相同；

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：所述人造微结构具有相同的几何形状，所述多个彼此相邻的圆形区域内人造微结构的尺寸随着半径的增大连续减小且相同半径处的人造微结构的尺寸相同；相邻的所述第一圆形区域和所述第二圆形区域内人造微结构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：每一所述人造微结构由至少一根金属丝组成的平面结构或立体结构。

6.如权利要求5所述的基站天线，其特征在于：所述金属丝为铜丝或银丝。

7.如权利要求5所述的基站天线，其特征在于：所述金属丝通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻附着于基板上。

8.如权利要求1所述的基站天线，其特征在于：所述基板由陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料制得。

9.如权利要求4所述的基站天线，其特征在于：所述人造微结构为“工”字形、“十”字形或“王”字形。

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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