CN102891370B - 基站天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基站天线，包括天线模块及对应这些振子设置的超材料模块，所述超材料模块包括多个超材料片层，每个超材料片层正对每一振子的区域形成一折射率分布区，每个折射率分布区内以正对相应振子的中心的位置为圆心形成多个折射率圆，若干折射率圆形成一个圆环区域，以每个折射率分布区内正对相应振子的中心的位置为原点、分别以垂直于和平行于所述超材料片层的直线为x轴、y轴建立直角坐标系，则每一折射率圆的折射率如下式：式中，l为振子到超材料片层的距离；λ为振子发射出的电磁波的波长；d为超材料片层的厚度，n_max和n_min分别表示圆环区域内折射率的最大值和最小值；k表示圆环区域由圆心向外扩散的序号，floor是向下取整函数。

Description

基站天线

技术领域

本发明涉及电磁通信领域，更具体地说，涉及一种基站天线。

背景技术

基站天线是保证移动通信终端实现无线接入的重要设备。随着移动通信网络的发展，基站的分布越来越密集，对基站天线的方向性提出了更高的要求，以避免相互干扰，让电磁波传播的更远。

一般，我们用半功率角来表示基站天线的方向性。功率方向图中，在包含主瓣最大辐射方向的某一平面内，把相对最大辐射方向功率通量密度下降到一半处(或小于最大值3dB)的两点之间的夹角称为半功率角。场强方向图中，在包含主瓣最大辐射方向的某一平面内，把相对最大辐射方向场强下降到0.707倍处的夹角也称为半功率角。半功率角亦称半功率带宽。半功率带宽包括水平面半功率带宽和垂直面半功率带宽。而基站天线的电磁波的传播距离是由垂直面半功率带宽决定的。垂直面半功率带宽越小，基站天线的增益越大，电磁波的传播距离就越远，反之，基站天线的增益就越小，电磁波的传播距离也就越近。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种半功率带宽小、方向性好的基站天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基站天线，包括具有多个呈阵列排布的振子的天线模块及对应这些振子设置的超材料模块，所述超材料模块包括至少一个超材料片层，每个超材料片层正对每一振子的区域形成一折射率分布区，每个折射率分布区内以正对相应振子的中心的位置为圆心形成多个折射率圆，若干折射率圆形成一个圆环区域，以每个折射率分布区内正对相应振子的中心的位置为原点，以垂直于所述超材料片层的直线为x轴、平行于所述超材料片层的直线为y轴建立直角坐标系，则每一折射率圆的折射率如下式：

$n\left(y\right)=n_{\max }-\frac{\sqrt{l^2+y^2}-l-\mathrm{k\λ}}{d}$

式中，l为振子到超材料片层的距离；λ为入射电磁波的波长；d为超材料片层的厚度，n_max和n_min分别表示每个折射率分布区内的圆环区域内所能取得的折射率的最大值和最小值；k表示每个折射率分布区内的圆环区域由圆心向外扩散的序号，floor是向下取整函数。

优选地，每个折射率分布区内的各个圆环区域的最小半径和最大半径折射率圆的折射率均分别相等。

优选地，每个超材料片层由多个超材料单元排列而成，各个超材料单元上附着有拓扑形状相同的人工微结构，让所述人工微结构排布于位于每个折射率分布区内以正对每一振子的中心的位置为圆心的多个同心圆的超材料单元上，由位于若干同心圆的超材料单元形成一个所述圆环区域，排布于每个圆环区域内的同一同心圆的各个超材料单元上的人工微结构的几何尺寸均相同，随着同心圆的半径的增大，排布于各个同心圆的超材料单元上的人工微结构的几何尺寸减小；各个圆环区域内最小半径和最大半径同心圆的各个超材料单元上的人工微结构的几何尺寸均分别相等。

优选地，所述超材料模块包括多个沿x轴叠加的超材料片层，各个超材料片层上对应同一振子形成相同的折射率分布区。

优选地，各个超材料片层上对应同一振子的折射率分布区内形成相同的圆环区域。

优选地，各个超材料片层上对应同一振子的相应圆环区域内的半径相同的折射率圆的折射率均相同。

优选地，各个超材料片层上的对应同一振子的多个圆环区域内的半径相同的同心圆的超材料单元上排布几何尺寸均相同的人工微结构。

优选地，所述人工微结构是平面的金属走线结构。

优选地，所述超材料模块的两侧分别设置有阻抗匹配薄膜，每一阻抗匹配薄膜包括多个阻抗匹配层，每一阻抗匹配层是具有单一折射率的均匀介质，各个阻抗匹配层的折射率随着越靠近所述超材料模块由接近于或等于空气的折射率变化至接近于或等于所述超材料模块上最靠近所述阻抗匹配薄膜的超材料片层的折射率。

优选地，每个阻抗匹配层的折射率式中，m表示阻抗匹配薄膜的总层数，i表示阻抗匹配层的序号，最靠近所述超材料模块的阻抗匹配层的序号为m。

本发明的基站天线具有以下有益效果：通过在所述超材料片层上形成多个具有满足上述公式的折射率的折射率圆，且折射率呈分段式分布，使由振子发射出的电磁波穿过所述超材料模块时可控制电磁波的传播路径，减小了基站天线的半功率带宽，提高了其方向性和增益，让电磁波传播的更远。

附图说明

下面将结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1是本发明基站天线的结构示意图；

图2是图1中的天线模块的正面放大图；

图3是图1中的超材料模块的一个超材料片层的正面放大图；

图4是图3中对应一个振子的超材料片层被分割为多个圆环区域的正面放大图；

图5是对应图4所示的多个圆环区域的一个折射率圆分布示意图；

图6是一个超材料片层上对应一个振子的折射率分布区的截面放大图；

图7是对应一个振子的折射率分布规律的金属走线结构的排布示意图；

图8是本发明对应一个振子的超材料片模块对电磁波的汇聚示意图；

图9是本发明对应一个振子的超材料模块的两侧分别覆盖上一阻抗匹配薄膜时对电磁波的汇聚示意图。

图中各标号对应的名称为：

10 基站天线、12 天线模块、14 底板、16 振子、20 超材料模块、22 超材料片层、222 基板、223 超材料单元、224 人工微结构、24 圆环区域、26折射率分布区、28 金属走线结构、30 阻抗匹配薄膜、32 阻抗匹配层

具体实施方式

本发明提供一种基站天线，通过在天线的电磁波发射或接收方向上设置一超材料模块来使半功率带宽变小，以提高其方向性和增益。

我们知道，电磁波由一种均匀介质传播进入另外一种均匀介质时会发生折射，这是由于两种介质的折射率不同而导致的。而对于非均匀介质来说，电磁波在介质内部也会发生折射且向折射率比较大的位置偏折。而折射率等于，也即介质的折射率取决于其介电常数和磁导率。

超材料是一种以人工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人工复合材料，人们常利用人工微结构的拓扑形状和几何尺寸来改变空间中各点的介电常数和磁导率，可见，我们可以利用人工微结构的拓扑形状和/或几何尺寸来调制空间各点的介电常数和磁导率，从而使空间各点的折射率以某种规律变化，以控制电磁波的传播，并应用于具有特殊电磁响应需求的场合。且实验证明，在人工微结构的拓扑形状相同的情况下，在单位体积上人工微结构的几何尺寸越大，超材料空间各点的介电常数越大；反之，介电常数越小。也即，在人工微结构的拓扑形状确定的情况下，可以通过让超材料空间各点的人工微结构的几何尺寸的大小满足一定的规律来调制介电常数，从而对超材料空间各点的折射率进行排制而达到改变电磁波的传播路径的目的。

如图1和图2所示，所述基站天线10包括天线模块12和超材料模块20，所述天线模块12包括底板14及阵列排布于所述底板14的振子16。图中所示为每相邻两排振子16相互交错排列的4×9阵列，在其他的实施例中，可以为任何数量的振子16以任意方式排列，如矩阵排布。所述超材料模块20包括多个沿垂直于片层表面的方向(也即基站天线的电磁波发射或接收方向)叠加而成的超材料片层22，图中所示为3个超材料片层22两两相互之间直接前、后表面相粘接在一起的情形。具体实施时，所述超材料片层22的数目可依据需求来增减，各个超材料片层22也可等间距地排列组装在一起。由于每个超材料片层22的折射率分布规律均相同，故在下面仅选取一个超材料片层22作为示例进行说明。

如图3所示，每个超材料片层22包括基板222和附着在所述基板222上的多个人工微结构224。所述基板222可由聚四氟乙烯等高分子聚合物或陶瓷材料制成。所述人工微结构224通常为金属线如铜线或者银线构成的具有一定拓扑形状的平面或立体结构，并通过一定的加工工艺附着在所述基板222上，例如蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻等。由于所述人工微结构224过于微小，在图3中将其近似画作一个点。

一般，从每一振子16发射出的电磁波可近似看作为球面波，而要远距离传播，需要将其转变为平面波。也就是说，所述超材料模块20要将球面波形式的电磁波汇聚并转变为平面波形式的电磁波。故，在所述超材料片层22上以正对每一振子16的中心的位置为圆心形成多个同心的圆环区域24，让每一圆环区域24内空间各点的折射率分布满足如下规律：以正对每一振子16的中心的位置为圆心形成多个同心的折射率圆，同一折射率圆上各点的折射率相同，而随着折射率圆的半径的增大，各个折射率圆的折射率减小且减小量增大，且各个圆环区域24内的最小半径和最大半径折射率圆的折射率均分别相等。如此，在所述超材料片层22上对应每一振子16由这些圆环区域24形成一折射率分布区26，如图3中由虚线分隔形成的区域。

作为示例，图4用虚线画出四个同心圆，其中两两相邻同心圆之间共形成三个所述圆环区域24。由于最靠近所述超材料片层22正对振子16的中心的位置处的同心圆的半径为零，图中用一个点表示。假如我们将距离相应振子16的中心越来越远的三个圆环区域24分别称为第一、第二和第三圆环区域24，且第一圆环区域24内随着折射率圆的半径的增大其折射率分别为n_max，n₁₁，…，n_1p，n_min，第二圆环区域24内随着折射率圆的半径的增大其折射率分别为n_max，n₂₁，…，n_2m，n_min，第三圆环区域24内随着折射率圆的半径的增大其折射率分别为n_max，n₃₁，…，n_3n，n_min，则有如下关系式：

n_max≥n₁₁≥…≥n_1p≥n_min                                 (1)

n_max≥n₂₁≥…≥n_2m≥n_min                                 (2)

n_max≥n₃₁≥…≥n_3n≥n_min                                 (3)

式(1)、(2)、(3)均不能同时取等号，且p、m、n均为大于0的自然数。优选，p＝m＝n。

为了直观地表示所述超材料片层22的对应一个振子16的折射率分布区26内的多个圆环区域24的折射率分布规律，我们以正对振子16的中心的位置为圆心画出多个同心圆来表示折射率圆，用线的疏密表示折射率的大小，线越密折射率越大，线越疏折射率越小，则对应一个振子16的折射率分布区26内的多个圆环区域24的折射率分布规律如图5所示。

此外，我们可让所述各个超材料片层22上对应同一振子16形成相同的圆环区域24及折射率分布区26，且所述各个超材料片层22上的相应圆环区域24内的半径相同的折射率圆的折射率均相同。

下面我们给出一种让所述各个超材料片层22上的各个折射率分布区26内的折射率圆的折射率满足前述分布规律的公式。

如图6所示，为一个超材料片层22上对应一个振子16的折射率分布区26的截面放大图。我们以所述超材料片层22上正对每一振子16的中心的位置为原点，以垂直于所述超材料片层22的直线为x轴、平行于所述超材料片层22的直线为y轴建立直角坐标系，则对于所述超材料片层22上对应每一振子16的折射率分布区26内的y点，其折射率有如下关系式：

$n\left(y\right)=n_{\max }-\frac{\sqrt{l^2+y^2}-l-\mathrm{k\λ}}{d}---\left(4\right)$

式中，l为振子16到所述超材料片层22表面的距离；λ为入射电磁波的波长；d为所述超材料片层22的厚度，且n_max和n_min分别表示所述折射率分布区26内的圆环区域24内所能取得的折射率的最大值和最小值；k表示所述圆环区域24由圆心向外扩散的序号，floor是向下取整函数，即直接去掉小数部分所剩的最大整数。

我们以直角坐标系的原点为圆心、以y为半径作一个圆即在所述折射率分布区26形成各点的折射率都相同的折射率圆。由若干折射率圆形成一个所述圆环区域24，各个圆环区域24内的最小半径和最大半径折射率圆的折射率均分别相等。

形成所述超材料模块20时，让所述各个超材料片层22沿x轴叠加在一起，从而，所述各个超材料片层22上对应同一振子16形成相同的折射率分布区26，且所述各个超材料片层22上对应同一振子16的半径相同的折射率圆的折射率均相同。

根据人工微结构对超材料的折射率的影响原理，下面我们举例说明如何在每个超材料片层22的基板222上附着平面的金属走线结构28(仅为人工微结构224的一种类型)来形成前述所需要的折射率的分布规律。一般，我们将每个金属走线结构28及其所附着的基板222部分人为定义为一个超材料单元223，且每个超材料单元223的尺寸应小于所需响应的电磁波波长的五分之一，优选为十分之一，以使所述超材料片层22对电磁波产生连续响应。这样，每个超材料片层22便可看作是由多个超材料单元223阵列排布而成的。我们知道，所述超材料单元223的尺寸一般都很微小，可以近似看作一个点，这样，圆便可以看作是由多个超材料单元223沿圆周堆叠而成的。因此，我们让具有相同拓扑形状的所述金属走线结构28排布于大致位于每个折射率分布区26内以正对每一振子16的中心的位置为圆心的多个同心圆的超材料单元223上，由位于若干同心圆的超材料单元223形成一个所述圆环区域24，排布于每个圆环区域24内的同一同心圆的各个超材料单元223上的金属走线结构28的几何尺寸相同，随着同心圆的半径的增大，排布于各个同心圆的超材料单元223上的金属走线结构28的几何尺寸减小；各个圆环区域24内最小半径和最大半径同心圆的各个超材料单元223上的金属走线结构28的几何尺寸均分别相等。由于不同半径同心圆的各个超材料单元223上的金属走线结构28与所述基板222的相应部分一起表征了不同的介电常数和磁导率，从而在每个超材料片层22上形成对应每一振子16的具有不同折射率的多个折射率圆，且这些折射率圆的折射率呈现分段或不连续分布，以便形成多个折射率随折射率圆的半径增大而减小且变化范围相同的圆环区域24。如图7所示即为对应一个振子16的金属走线结构28的一个排布示意图，且所述金属走线结构28是等比例缩小的。事实上，所述金属走线结构28的排布方式还有很多种，且我们可让构成所述金属走线结构28的金属线的宽度相等，这样可简化制造工艺。

如图8所示，为球面波形式的电磁波穿过本发明对应一个振子16的超材料模块20时各个超材料片层22对其进行汇聚并转变为平面波形式的电磁波射出的示意图。可见，通过让所述超材料模块20上具有一定拓扑形状及/或几何尺寸的金属走线结构28按照一定的排布规律设置在各个超材料片层22上，得以调制各个超材料单元223的介电常数和磁导率，进而在超材料片层22上形成多个折射率随折射率圆的半径增大而减小且变化范围相同的圆环区域24，使电磁波向特定的方向偏折，从而让球面波形式的电磁波汇聚并转变为平面波形式的电磁波，减小了基站天线的半功率带宽变小，提高了其方向性和增益，让电磁波传播的更远。

此外，由于空气与所述超材料模块20的折射率不同，电磁波入射和出射所述超材料模块20还会发生发射，这时，我们通常在所述超材料模块20两侧设置阻抗匹配薄膜来减少电磁波反射。如图9所示，所述超材料模块20对应一个振子16的部分两侧分别形成一阻抗匹配薄膜30，每一阻抗匹配薄膜30包括多个压制在一起的阻抗匹配层32，每一阻抗匹配层32是均匀介质，具有单一的折射率，各个阻抗匹配层32具有不同的折射率，且随着越靠近所述超材料模块20其折射率由接近于或等于空气的折射率变化至接近于或等于所述超材料模块20的最靠近所述阻抗匹配薄膜30的超材料片层22的某一折射率。各个阻抗匹配层32的折射率均满足以下公式：

$n\left(i\right)={((n_{\max }+n_{\min })/2)}^{\frac{i}{m}}---\left(5\right)$

式中，m表示阻抗匹配薄膜30的总层数，i表示阻抗匹配层32的序号，最靠近所述超材料模块20的阻抗匹配层32的序号为m。从式(5)可知，所述阻抗匹配层32的总层数m与所述超材料模块20的超材料片层22的最大折射率n_max与最小折射率n_min有直接关系；当i＝1时，式(5)表示与空气接触的阻抗匹配层32的折射率，其应接近于或等于空气的折射率，可见，只要n_max与n_min确定，就可以确定所述阻抗匹配层32的总层数m。

所述各个阻抗匹配层32的结构类似于所述超材料片层22，分别包括基板和附着在所述基板上的人工微结构，通过调制人工微结构的几何尺寸和/拓扑形状来使各个阻抗匹配层32的折射率达到所需的要求，从而实现从空气到所述超材料片层22的匹配。当然，所述阻抗匹配薄膜30可以是由自然界中存在的多个具有单一折射率的材料制成的。

以上所述仅是本发明的多个具体实施方式和/或实施例，不应当构成对本发明的限制。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明基本思想的前提下，还可以做出多个改进和润饰，而这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。比如，上述折射率分布规律及其变化量关系还可通过所述金属走线结构28的拓扑形状或拓扑形状结合几何尺寸来实现。

Claims (10)

1.一种基站天线，其特征在于，包括具有多个呈阵列排布的振子的天线模块及对应这些振子设置的超材料模块，所述超材料模块包括至少一个超材料片层，每个超材料片层包括基板和附着在所述基板上的多个人工微结构，每个超材料片层正对每一振子的区域形成一折射率分布区，每个折射率分布区内以正对相应振子的中心的位置为圆心形成多个折射率圆，若干同心的折射率圆形成一个圆环区域，以每个折射率分布区内正对相应振子的中心的位置为原点，以垂直于所述超材料片层的直线为x轴、平行于所述超材料片层的直线为y轴建立直角坐标系，则每一折射率圆的折射率如下式：

$n\left(y\right)=n_{\max }-\frac{\sqrt{l^2+y^2}-l-\mathrm{k\λ}}{d}$

式中，l为振子到超材料片层的距离；λ为入射电磁波的波长；d为超材料片层的厚度，n_max和n_min分别表示每个折射率分布区内的圆环区域内所能取得的折射率的最大值和最小值；k表示每个折射率分布区内的圆环区域由圆心向外扩散的序号，floor是向下取整函数。

2.根据权利要求1所述的基站天线，其特征在于，每个折射率分布区内的各个圆环区域的最小半径和最大半径折射率圆的折射率均分别相等。

3.根据权利要求1所述的基站天线，其特征在于，每个超材料片层由多个超材料单元排列而成，各个超材料单元上附着有拓扑形状相同的人工微结构，让所述人工微结构排布于位于每个折射率分布区内以正对每一振子的中心的位置为圆心的多个同心圆的超材料单元上，由位于若干同心圆的超材料单元形成一个所述圆环区域，排布于每个圆环区域内的同一同心圆的各个超材料单元上的人工微结构的几何尺寸均相同，随着同心圆的半径的增大，排布于各个同心圆的超材料单元上的人工微结构的几何尺寸减小；各个圆环区域内最小半径和最大半径同心圆的各个超材料单元上的人工微结构的几何尺寸均分别相等。

4.根据权利要求3所述的基站天线，其特征在于，所述超材料模块包括多个沿x轴叠加的超材料片层，各个超材料片层上对应同一振子形成相同的折射率分布区。

5.根据权利要求4所述的基站天线，其特征在于，各个超材料片层上对应同一振子的折射率分布区内形成相同的圆环区域。

6.根据权利要求5所述的基站天线，其特征在于，各个超材料片层上对应同一振子的相应圆环区域内的半径相同的折射率圆的折射率均相同。

7.根据权利要求5所述的基站天线，其特征在于，各个超材料片层上的对应同一振子的多个圆环区域内的半径相同的同心圆的超材料单元上排布几何尺寸均相同的人工微结构。

8.根据权利要求3所述的基站天线，其特征在于，所述人工微结构是平面的金属走线结构。

9.根据权利要求1所述的基站天线，其特征在于，所述超材料模块的两侧分别设置有阻抗匹配薄膜，每一阻抗匹配薄膜包括多个阻抗匹配层，每一阻抗匹配层是具有单一折射率的均匀介质，各个阻抗匹配层的折射率随着越靠近所述超材料模块由接近于或等于空气的折射率变化至接近于或等于所述超材料模块上最靠近所述阻抗匹配薄膜的超材料片层的折射率。

10.根据权利要求9所述的基站天线，其特征在于，每个阻抗匹配层的折射率式中，m表示阻抗匹配薄膜的总层数，i表示阻抗匹配层的序号，最靠近所述超材料模块的阻抗匹配层的序号为m。