CN102891371B - 基站天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基站天线，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，以所述超材料片层的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轴建立坐标系，则每一折射率圆上各点的折射率如下式：式中，mod为求余函数，λ为入射电磁波的波长，d为每个超材料片层的厚度，n₀为任何正数，即可使由振子发射出的电磁波穿过所述超材料模块时控制电磁波的传播路径，提高了基站天线的方向性和增益。

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(以下用此用语)。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，以所述超材料片层的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，则每一折射率圆上各点的折射率如下式：

$n\left(y\right)=\mathrm{mod}((\sqrt{1-y^2}-\mathrm{mod}(1,\mathrm{\λ}/n_0)),\mathrm{\λ}/n_0)\×n_0/d$

式中，mod为求余函数，λ为入射电磁波的波长，d为每个超材料片层的厚度，n₀为任何正数。

优选地，每个超材料片层上对应每一振子的折射率分布区内形成多个圆环区域，每个超材料片层包括拓扑形状相同的人工微结构，每个超材料片层的每一圆环区域内以正对相应振子的中心的位置为圆心形成多个同心圆，所述人工微结构排布于所述同心圆上，排布于同一同心圆各点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，排布于其上各点的人工微结构的几何尺寸减小，而各个圆环区域内最小半径同心圆上的人工微结构的几何尺寸介于半径更小的相邻圆环区域内最小半径与最大半径同心圆上的人工微结构的几何尺寸之间。

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上，排布的人工微结构的几何尺寸均相同。

优选地，每两相邻超材料片层之间直接前、后表面相粘接在一起。

优选地，所述人工微结构由金属线构成。

优选地，所述人工微结构的拓扑形状是平面结构。

优选地，所述天线模块的振子以每相邻两排相互交错排列的方式排布。

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，以便由振子发射出的电磁波穿过所述超材料模块时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是本发明的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人工微结构的排布示意图；

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

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

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，以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，并可在所述超材料模块20两侧设置阻抗匹配层，以减少电磁波反射。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，如图4所示，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内最小半径折射率圆的折射率大于半径更小的相邻圆环区域24内最大半径的折射率圆的折射率。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n₁₁，n₁₂，…，n_1p，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n₂₁，n₂₂，…，n_2p，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n₃₁，n₃₂，…，n_3p，则有如下关系式：

n₁₁≥n₁₂≥…≥n_1p    (1)

n₂₁≥n₂₂≥…≥n_2p    (2)

n₃₁≥n₃₂≥…≥n_3p    (3)

n₂₁＞n_1p             (4)

n₃₁＞n_2p             (5)

其中p为大于0的自然数，式(1)、(2)、(3)均不能同时取等号。

为了直观地表示所述超材料片层22的对应一个振子16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的多个圆环区域24的折射率分布规律如图5所示。

当然，我们也可让各个超材料片层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。

由超材料改变电磁波传播路径的原理可知，我们可让每个超材料片层22的基板222上的人工微结构224是具有相同拓扑形状的平面结构并排布于以正对每一振子16的中心的位置为圆心的多个同心圆上，排布于同一同心圆上各点的人工微结构224的几何尺寸相同，而随着同心圆的半径的增大，排布于其上各点的人工微结构224的几何尺寸减小，并由若干同心圆形成一个圆环区域24，各个圆环区域24内最小半径同心圆上的人工微结构224的几何尺寸大于半径更小的相邻圆环区域24内最大半径同心圆上的人工微结构224的几何尺寸。从而在每个超材料片层22上形成对应每一振子16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分布不同的圆环区域24，但半径更大的圆环区域24内的最小半径同心圆的折射率大于半径更小的相邻圆环区域24内的最大半径同心圆的折射率。

下面我们给出一种让各个超材料片层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的中心为原点，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上的y点，其折射率有如下关系式：

$n\left(y\right)=\mathrm{mod}((\sqrt{1-y^2}-\mathrm{mod}(1,\mathrm{\λ}/n_0)),\mathrm{\λ}/n_0)\×n_0/d---\left(6\right)$

式中，mod为求余函数，对于整数来说，两个同号整数求余与两个正数求余完全相同；两个异号整数求余时，先将两个整数看作是正数，再作除法运算：①能整除时，其值为0，②不能整除时，其值＝除数×(整商+1)-被除数，其值的符号为除数的符号。对于两个小数来说，其值为被除数-(整商×除数)之后在第一位小数位进行四舍五入，其值的符号同整数的符号规律。λ为入射电磁波的波长。d为所述超材料片层22的厚度。此外，尽管n₀源自所述普通凸透镜30，但在式(6)、(7)中已无实际意义，可以为任何正数。

而各个超材料片层22沿x轴叠加在一起，并且各个超材料片层22上对应同一振子16形成相同的折射率分布区26，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。

具体对于每个超材料片层22上的人工微结构224的排布来说，由于一般，我们将每个人工微结构224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，所述超材料片层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，我们可以将所述人工微结构224阵列排布于所述基板222上近似看作是所述人工微结构224排布于折射率圆上。可见，我们可以在所述基板222上正对振子16的位置划分出一个区域，并在每一区域内以正对相应振子16的中心的位置为圆心形成多个圆环区域24，而将这些超材料单元223分隔在这些圆环区域24内。让位于每个圆环区域24内的超材料单元223随着距离所述正对振子16的中心的超材料单元223越远，超材料单元223上依次设置几何尺寸减小的具有相同平面拓扑形状的人工微结构224，距离所述正对振子16的中心的超材料单元223相同远近处的超材料单元223上设置几何尺寸相同的人工微结构224，且各个圆环区域24内最靠近所述振子16的中心的超材料单元223上设置的人造微结构224的几何尺寸大于半径更小的相邻圆环区域24内距离所述振子16的中心最远的超材料单元223上设置的人造微结构224的几何尺寸，从而使各个圆环区域24之间的折射率圆的折射率呈分段或不连续分布，如图7所示即为对应一个振子16的人工微结构224的一个排布示意图，且所述人造微结构224是等比例缩小的。事实上，所述人工微结构224的排布方式还有很多种，且我们可让构成所述人造微结构224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/或几何尺寸的人工微结构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上形成多个具有折射率分布不连续的折射率圆的圆环区域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。

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人工微结构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，以所述超材料片层的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，则每一折射率圆上各点的折射率如下式：

$n\left(y\right)=\mathrm{mod}((\sqrt{1-y^2}-\mathrm{mod}(1,\mathrm{\λ}/n_0)),\mathrm{\λ}/n_0)\×n_0/d$

式中，mod为求余函数，λ为入射电磁波的波长，d为每个超材料片层的厚度，n₀为任何正数。

2.根据权利要求1所述的基站天线，其特征在于，每个超材料片层上对应每一振子的折射率分布区内形成多个圆环区域，每个超材料片层包括拓扑形状相同的人工微结构，每个超材料片层的每一圆环区域内以正对相应振子的中心的位置为圆心形成多个同心圆，所述人工微结构排布于所述同心圆上，排布于同一同心圆各点的人工微结构的几何尺寸均相同，在各个圆环区域内随着同心圆的半径的增大，排布于其上各点的人工微结构的几何尺寸减小，而各个圆环区域内最小半径同心圆上的人工微结构的几何尺寸大于半径更小的相邻圆环区域内最大半径同心圆上的人工微结构的几何尺寸。

3.根据权利要求2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。

4.根据权利要求3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。

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相应圆环区域内的半径相同的折射率圆的折射率均相同。

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

7.根据权利要求3所述的基站天线，其特征在于，每两相邻超材料片层之间直接前、后表面相粘接在一起。

8.根据权利要求2所述的基站天线，其特征在于，所述人工微结构由金属线构成。

9.根据权利要求2所述的基站天线，其特征在于，所述人工微结构的拓扑形状是平面结构。

10.根据权利要求1所述的基站天线，其特征在于，所述天线模块的振子以每相邻两排相互交错排列的方式排布。

Images