CN103036036A - 室外天线装置 - Google Patents

Abstract

一种室外天线装置包括一室外单元和与所述室外单元一体设置的天线单元：所述室外单元包括一电路板，所述电路板上设置有一射频片上系统；所述天线单元包括一馈源以接收所述射频片上系统产生的电信号并转变为电磁波信号；一超材料单元，用于将所述电磁波信号折射汇聚。由于天线单元基于超材料单元能是天线辐射能量集中，因此在达到相同指标天线单元，其体积可以大大减少，而采用片上系统(SOC)技术也减少室外单元的体积，因此将两者设置于一体时，大大减少了室外天线装置的体积和重量。

Description

室外天线装置

技术领域

本发明涉及一种天线装置，尤其涉及一种一体化的室外天线装置。

背景技术

目前国内的微波天线的室外单元(Outdoor Unit，ODU)与微波射频天线基本上采用分离设备，安装和维护费用高，并且设备与天线间的连接电缆带来的损耗将使系统性能恶化。此外，在多个通信系统中需要多种电缆，这样使得安装设备更加困难。

上述微波射频天线设计是单独进行，尽管设计时得到天线参数可以比较准确，但在实际环境应用中没有考虑本到负载或周围环境的EMC因素。由于受到周围环境的影响，尤其是馈源相位等的影响，使得天线原先设计应用的准确性受到极大影响，因此将微波射频天线天线室外单元安装测试时，其所达到的性能并不理想。

另外，由于微波射频天线需要很大发射功率，因此设计微波射频天线出来天线体积非常大，不便于户外安装。

发明内容

基于此，有必要提供一种室外单元和微波射频天线一体化、小型化设计的室外天线装置。

一种室外天线装置包括一室外单元和与所述室外单元一体设置的天线单元：所述室外单元包括一电路板，所述电路板上设置有一射频片上系统；所述天线单元包括一馈源以接收所述射频片上系统产生的电信号并转变为电磁波信号；一超材料单元，用于将所述电磁波信号折射汇聚。

进一步地，所述射频片上系统包括处理模块和射频模块，所述处理模块通信端口与射频模块的通讯端相连，所述射频模块的接收与发射端与天线单元相连。

进一步地，所述天线单元还包括一吸波单元，用于将所述馈源产生的剩余部分电磁波吸收。

进一步地，所述天线单元还包括一天线壳体，所述天线壳体由一壳体和设置于所述壳体表面的吸波单元组成；天线壳体一侧设有开口，所述超材料单元设置于所述开口处以将馈源封闭于微波天线内。

进一步地，所述微波天线还包括一天线壳体，所述天线壳体截面部分呈抛物面状且两翼延伸形成一开口；超材料单元设置于所述开口处以将馈源包裹于所述微波天线内。

进一步地，所述超材料单元的折射率在垂直于该超材料面板的中心轴上最大，以中心轴为圆心，随着半径的增大，折射率逐渐变小且折射率的变化量逐渐增大，相同半径处的折射率相同，所述馈源位于所述超材料单元的中心轴向上。

进一步地，所述超材料单元由多个超材料片层叠加形成，每一超材料片层包括片状的基材以及附着在该基材上的多个人造微结构。

进一步地，所述每一超材料片层中心点处的折射率最大，以中心点为圆心，随着半径的增大，折射率逐渐变小且折射率的变化量逐渐增大，相同半径处的折射率相同。

进一步地，所述每一超材料片层上的人造微结构的几何形状相同，以中心点为圆心，相同半径上的人造微结构尺寸相同，随着半径逐渐增大所述人造微结构的尺寸逐渐变小。

进一步地，所述的人造微结构是附着在所述基材上的具有几何图案的金属线。

由于天线单元基于超材料单元能是天线辐射能量集中，因此在达到相同指标天线单元，其体积可以大大减少，而采用片上系统(SOC)技术也减少室外单元的体积，因此将两者设置于一体时。大大减少了室外天线装置的体积和重量，使得一体化的天线设备体积小型化，且测试将使其应用更加高效。

附图说明

图1是本发明中室外天线装置的模块示意图。

图2为图1所示室外单元中的射频片上系统模块图。

图3为图1所示室外天线装置的天线单元的截面结构示意图。

图4为图1所示室外天线装置的天线单元的另一实施方式截面结构示意图。

图5为图3或图4所示的馈源产生的电磁波由超材料单元汇聚示意图。

图6为图3或图4所示的超材料单元相对中心轴对称的折射率分布示意图。

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：

请参阅图1，是本发明中室外天线装置的模块示意图。室外天线装置1包括室外单元5和与所述室外单元5一体设置的天线单元100。在本实施方式中，由于室外单元5和天线单元10体积大小相近，所以采用互相背靠背方式一体设置。在其他实施方式中，当室外单元5的体积远小于天线单元10的体积，则可将室外单元5设置于天线单元10内；或者当室外单元5的体积远大于天线单元10的体积，将天线单元10设置于室外单元5内。

请参阅图2，为图1所示室外单元中的射频片上系统模块图。所述室外单元5包括一电路板(图中未示)，所述电路板上设置有一射频片上系统2；所述射频片上系统2包括处理模块21和射频模块22，处理模块21通信端口与射频模块22的通讯端相连，射频模块22的接收与发射端与天线单元100相连，射频模块22接收来自天线单元100的数据输出到处理模块21，处理模块21接收到数据后进行处理；处理模块21数据输出时先将数据传送给射频模块22，由射频模块22输出到天线单元100发射出去。

请参阅图3，为图1所示室外天线装置的天线单元的截面结构示意图，该天线单元100包括馈源S、超材料单元10及天线壳体11。所述天线壳体11一侧设有开口20，所述超材料单元10设置于所述开口20处以将馈源S封闭于微波天线100内。所述馈源S以接收所述射频片上系统2产生的电信号并转变为电磁波信号；所述超材料单元10用于将所述电磁波信号折射汇聚。所述天线壳体11包括一壳体12和一吸波单元13，所述吸波单元13用于吸收电磁波且涂敷于壳体12的内表面。在本实施方式中，壳体12由金属材料制成。

馈源S在其周围空间产生电磁辐射区域，在馈源方向图中，通常都包含有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。

超材料单元10用于将所述馈源S产生的大部分电磁波折射汇聚。所述被超材料单元10折射汇聚的电磁波包括主瓣方向的电磁辐射波及部分副瓣方向的电磁辐射波。

所述吸波单元13用于将所述馈源产生的剩余部分电磁波吸收并以另一种形式释放。所述剩余部分电磁波指包括后瓣方向的电磁辐射波及剩余部分副瓣方向的电磁辐射波。其中所述后瓣方向是指与主瓣方向完全相反的一个方向。

一般来说，分子和原子都具有一定的吸收能力。当高频电磁波能量对他们辐射时，他们吸收能量，跃迁，回跃，然后以另一种形式释放出来，如热能、光能等形式释放。所述吸波单元11可以由各种吸波涂料制成，其包括但不限于复合陶瓷材料、混凝土等建筑材料、铁氧体、金属超细粉末、金属氧化物磁性超细粉末涂料、陶瓷吸波涂料、纳米吸波涂料、导电高分子吸波涂料及稀土元素吸波涂料等。

请参阅图4，为天线单元本发明的另一实施，所述天线单元100’的天线壳体11’截面部分呈抛物面状。所述天线壳体11’的两翼延伸形成一开口20’。超材料单元10’设置于所述开口20’处以将馈源S包裹于所述微波天线100’内。其中所述吸波单元13’涂敷于该壳体12’内表面上。

超材料是由具有一定图案形状的人造金属导电片按照特定方式排列于介质基材上。人造金属导电片不同的图案形状和排列方式使得超材料具有不同的介电常数和不同的磁导率从而使得超材料具有不同的电磁响应。其中，当该人造金属导电片处于谐振频段时，该人造金属导电片将表现出高度的色散特性，所谓高度的色散特性是指该人造金属导电片的阻抗、容感性、等效的介电常数和磁导率随着频率会发生剧烈的变化。

在本实施方式中，所述超材料单元10可设计成对入射电磁波的折射率分布如图6所示，中心轴处的折射率为n₁，以中心轴AA′与超材料面板的交点为圆心，随着半径的逐渐增加折射率逐渐变小，而且随着半径的增大，折射率的变化量逐渐增大，其中n₁＞n₂＞n₃＞...＞n_p，(n_m-n_m-1)＞(n_m-1-n_m-2)，m为大于3小于等于q的自然数。

由上述描述可知，超材料单元的设计至关重要，下面对超材料单元10做具体说明，由馈源S产生的电磁波经过图3或图4中的结构传播后可以平行射出，假设超材料单元10的结构如图5所示由4片片状基板堆叠而成，电磁波经过4片片状基板折射后传播的路径如图5所示，每一超材料片层包括片状的基材和附着在该基材上的人造微结构，基材采用介电绝缘材料制成，可以为陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料等，高分子材料例如可以是、环氧树脂或聚四氟乙烯。人造微结构为以一定的几何形状附着在基材上的金属线，金属线可以是剖面为圆柱状或者扁平状的铜线、银线等，当然金属线的剖面也可以为其他形状，金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻等工艺附着在基材上，整个超材料片层划分为多个单元(包括该单元中的基材和附着在该单元基材上的人造微结构)，每个单元都具有一个人造微结构，每一个单元都会对通过其中的电磁波产生响应，从而影响电磁波在其中的传输，每个单元的尺寸取决于需要响应的电磁波，通常为所需响应的电磁波波长的十分之一，否则空间中包含人造微结构的单元所组成的排列在空间中不能被视为连续。

在基材选定的情况下，通过调整人造微结构的图案、尺寸及其在基材上的空间分布，可以调整超材料上各处的等效介电常数及等效磁导率进而改变超材料各处的等效折射率。当人造微结构采用相同的几何形状时，某处人造微结构的尺寸越大，则该处的等效介电常数越大，折射率也越大。。

如图5所示，由馈源S发出的电磁波经过超材料面板汇聚后沿S1方向平行传出时，偏折角θ与折射率的关系为：Sinθ＝q·Δn(参见Metamaterials：Theory，Design，and Applications，Publisher：Springer，ISBN 1441905723，75页-76页)，其中q是沿轴向排列的人造微结构的厚度；Δn表示相邻单元的折射率变化量，且0＜q·Δn＜1，由上述公式可知，超材料单元10上相邻单元的折射率变化量大小相同时，对于传输到该位置的电磁波的偏折角相同，折射率变化量越大，偏折角越大。

材料的折射率与其介电常数及磁导率存在如下关系：其中k为比例系数，k取值为正负1，ε为材料的介电常数，u为材料的磁导率，通过对超材料空间中每一点的介电常数ε的精确设计，可以实现由发射源发出的电磁波经超材料折射后平行射出的汇聚特性。

若干人造微结构可通过人工仿真技术实现，即可由人工对具有特定电磁特性的人造微结构进行设计，将片状基板划分为多个单元，每个单元中的基材与附着在该单元上的人造微结构的等效介电常数ε的选择方法为：

通过计算机仿真和实验测试，先预设发射源与超材料面板的距离，预选一个单元(包括该单元中的基材和附着在基材上具有一定几何形状的人造微结构)作为中心处的单元，将若干单元(包含不同几何参数的人造微结构)响应发射源发出的电磁波的电磁特性进行测量，存储测量得到的电磁响应曲线，确定各种不同单元结构的等效介电常数以及等效磁导率并存在于一个数据库中；然后根据公式Sinθ＝q·Δn，对于不同的偏转角度，确定折射率的变化量，确定不同半径处的折射率，根据折射率与介电常数和磁导率的关系从数据库中选择符合条件的单元结构。

由于天线单元基于超材料单元能是天线辐射能量集中，因此在达到相同指标天线单元，其体积可以大大减少，而采用片上系统(SOC)技术也减少室外单元的体积，因此将两者设置于一体时。大大减少了室外天线装置的体积和重量。使得一体化的天线设备体积小型化，且测试将使其应用更加高效。

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 (10)

1.一种室外天线装置，其特征在于，所述室外天线装置包括一室外单元和与所述室外单元一体设置的天线单元：所述室外单元包括一电路板，所述电路板上设置有一射频片上系统；所述天线单元包括一馈源以接收所述射频片上系统产生的电信号并转变为电磁波信号；一超材料单元，用于将所述电磁波信号折射汇聚。

2.根据权利要求1所述的室外天线装置，其特征在于，所述天线单元还包括一吸波单元，用于将所述馈源产生的剩余部分电磁波吸收。

3.根据权利要求2所述的室外天线装置，其特征在于，所述天线单元还包括一天线壳体，所述天线壳体由一壳体和设置于所述壳体表面的吸波单元组成；天线壳体一侧设有开口，所述超材料单元设置于所述开口处以将馈源封闭于微波天线内。

4.根据权利要求2所述的室外天线装置，其特征在于，所述微波天线还包括一天线壳体，所述天线壳体截面部分呈抛物面状且两翼延伸形成一开口；超材料单元设置于所述开口处以将馈源包裹于所述微波天线内。

5.根据权利要求1所述的室外天线装置，其特征在于，所述超材料单元的折射率在垂直于该超材料面板的中心轴上最大，以中心轴为圆心，随着半径的增大，折射率逐渐变小且折射率的变化量逐渐增大，相同半径处的折射率相同，所述馈源位于所述超材料单元的中心轴向上。

6.根据权利要求5所述的室外天线装置，其特征在于，所述超材料单元由多个超材料片层叠加形成，每一超材料片层包括片状的基材以及附着在该基材上的多个人造微结构。

7.根据权利要求6所述的室外天线装置，所述基材选用为陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料中的任意一种。

8.根据权利要求7所述的室外天线装置，其特征在于，所述每一超材料片层中心点处的折射率最大，以中心点为圆心，随着半径的增大，折射率逐渐变小且折射率的变化量逐渐增大，相同半径处的折射率相同。

9.根据权利要求8所述的室外天线装置，其特征在于，所述每一超材料片层上的人造微结构的几何形状相同，以中心点为圆心，相同半径上的人造微结构尺寸相同，随着半径逐渐增大所述人造微结构的尺寸逐渐变小。

10.根据权利要求9所述的室外天线装置，其特征在于，所述的人造微结构是附着在所述基材上的具有几何图案的金属线。

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