CN103036040B - 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同心的圆环区域，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，且各个圆环区域内最小半径折射率圆的折射率介于半径更小的相邻圆环区域内的最小半径和最大半径折射率圆的折射率之间或者等于所述最小半径和最大半径折射率圆的折射率，从而提高了基站天线的方向性。

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同心的圆环区域，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，且各个圆环区域内最小半径折射率圆的折射率介于半径更小的相邻圆环区域内的最小半径和最大折射率圆的折射率之间或者等于所述最小半径和最大折射率圆的折射率。

优选地，每个折射率分布区的各个圆环区域内的折射率圆随着半径的增大均从相同的折射率开始按照相同的规律减小至另一相同的折射率。

优选地，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，每个超材料片层包括基板和附着在所述基板上的拓扑形状相同的人工微结构，所述人工微结构排布于正对每一振子的折射率分布区的多个圆环区域内的折射率圆上，排布于同一折射率圆上各点的人工微结构的几何尺寸相同，而同一圆环区域内随着折射率圆的半径的增大，排布于其上各点的人工微结构的几何尺寸减小，且各个圆环区域内最小半径折射率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和最大半径折射率圆上的人工微结构的几何尺寸之间或者等于所述最小半径和最大半径折射率圆上的人工微结构的几何尺寸。

优选地，排布于各个圆环区域内最小半径和最大半径折射率圆上的人工微结构的几何尺寸均相等且所述人工微结构的几何尺寸按照相同的规律变化。

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折射率圆上，排布的人工微结构的几何尺寸均相同。

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正对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人工微结构，所述基板上以正对每一振子的中心的位置为圆心形成多个圆环区域，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，排布于同一同心圆各点的人工微结构的几何尺寸均相同，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的几何尺寸减小，且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和最大半径同心圆上的人工微结构的几何尺寸之间或者等于所述最小半径和最大半径折同心圆上的人工微结构的几何尺寸。

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。

本发明的基站天线具有以下有益效果：通过在所述超材料模块的各个超材料片层上形成多个圆环区域，让各个圆环区域内空间各点的折射率形成多个折射率圆，使每个折射率圆及各个圆环区域内的折射率圆之间的折射率分布满足一定的规律，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中的天线模块的平面放大图；

图3是图1中的超材料模块的一超材料片层的平面放大图；

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平面放大图；

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是对应图5所示的折射率圆分布规律的人工微结构排布图；

图7是图6所示的人工微结构的放大图；

图8是图7中的人工微结构的一分支的放大图；

图9是本发明对应一个振子的超材料片模块部分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、226第一金属线、227第二金属线、228第三金属线、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，通过在阵列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，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而调制介电常数，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直接前、后表面相粘接在一起。事实上，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，并可在其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，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，每一圆环区域24内空间各点的折射率分布应满足如下规律：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介于半径更小的相邻圆环区域24内的最小半径和最大折射率圆的折射率之间或者等于所述最小半径和最大折射率圆的折射率。

在图4中，用虚线画出四个同心圆，其中每两相邻同心圆之间形成一个圆环区域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。作为一个示例，我们让各个圆环区域24内的折射率圆的折射率分布均相同，也即随着折射率圆的半径的增大，各个圆环区域内的折射率圆均从相同的折射率开始按照相同的规律减小至另一相同的折射率，假如用n₁，n₂...n_p表示任一圆环区域24内的各个半径增大的折射率圆的折射率，则有n₁＞n₂＞...＞n_p，且(n_p-n_p-1)＞...＞(n₂-n₁)，q为大于0的自然数。为了直观地表示所述超材料片层22的对应一个振子16的多个圆环区域的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。可见，在所述超材料片层22上对应每一振子16由这些折射率分布相同的圆环区域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。

此外，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具有相同的拓扑形状并排布于对应每一振子16的折射率分布区26内的折射率圆上，且排布于同一折射率圆上各点的人工微结构224的几何尺寸相同，而同一圆环区域24内随着折射率圆的半径的增大，排布于其上各点的人工微结构224的几何尺寸减小，各个圆环区域内最小半径折射率圆上的人工微结构224的几何尺寸介于半径更小的相邻圆环区域24内最小半径和最大半径折射率圆上的人工微结构224的几何尺寸之间或者等于所述最小半径和最大半径折射率圆上的人工微结构224的几何尺寸。排布于各个圆环区域24内最小半径和最大半径折射率圆上的人工微结构224的几何尺寸可以均相等，且所述人工微结构224的几何尺寸可以按照相同或不同的规律变化。且各个超材料片层22的对应同一振子16的多个圆环区域24内的半径相同的折射率圆上，排布于其上的人工微结构224的几何尺寸均相同。

实际上，应该是：我们在每个超材料片层22的基板222上正对每一振子16的位置划分出一个区域，并将每一区域分隔为以正对相应振子16的中心的位置为圆心的多个圆环区域24，让所述人工微结构224排布于每一圆环区域24内以正对相应振子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，且各个圆环区域24内最小半径同心圆上的人工微结构224的几何尺寸介于半径更小的相邻圆环区域24内最小半径和最大半径同心圆上的人工微结构224的几何尺寸之间或者等于所述最小半径和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的多个圆环区域24内的折射率圆。

如图6所示，为对应一个振子16的人工微结构224的排布放大图。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排布于圆上。可见，我们可以正对振子16的中心的位置为圆心形成多个圆环区域24，以将这些超材料单元223分隔在这些圆环区域24内，并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的中心的圆心位置越远，所述超材料单元223上依次设置几何尺寸减小的人工微结构224，距离所述正对振子16的中心的圆心位置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内从最靠近所述正对振子16的中心的圆心位置的超材料单元223到最远的超材料单元223上均是从设置相同几何尺寸的人造微结构224开始按照一定的规律减小至设置另一相同几何尺寸的人造微结构224结束，以使所述人工微结构224符合以上所述的以正对振子16的中心的位置为圆心形成的多个圆环区域24内的折射率圆的排布规律，如图6中虚线所示。图6中所示的对应一个振子16的人工微结构224阵列排布在多个圆环区域24内仅为一个示例，且每个圆环区域24内的人造微结构224均是从几何尺寸相同的人造微结构224等比例缩小至另一几何尺寸相同的人造微结构224。事实上，对应多个圆环区域24内的相同折射率分布规律的人工微结构224的排布方式还有很多种，且我们可只缩小构成所述人造微结构224的金属线的长度、保持金属线的宽度不变(也即金属线的宽度相等)，这样可简化制造工艺。

如图7和图8所示，为本发明的人工微结构224的一个实施例。所述人工微结构224呈雪花状，其包括相互正交的两分支225，每一分支225包括相互平行的第一金属线226和第二金属线227以及正交于所述第一金属线226和第二金属线227的第三金属线228。每一人工微结构224的两分支225的第三金属线228相互正交。

请参考图7，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。

本发明通过让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重复多次设置在各个超材料片层上，得以调制各个超材料单元的介电常数和磁导率，进而在超材料片层上形成多个具有分布完全相同或部分重叠的折射率圆的圆环区域，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，或者构成人工微结构的金属线的宽窄来实现。

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同心的圆环区域，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，且各个圆环区域内最小半径折射率圆的折射率介于半径更小的相邻圆环区域内的最小半径和最大半径折射率圆的折射率之间或者等于所述最小半径和最大半径折射率圆的折射率。

2.根据权利要求1所述的基站天线，其特征在于，每个折射率分布区的各个圆环区域内的折射率圆随着半径的增大均从相同的折射率开始按照相同的规律减小至另一相同的折射率。

3.根据权利要求1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1所述的基站天线，其特征在于，每个超材料片层包括基板和附着在所述基板上的拓扑形状相同的人工微结构，所述人工微结构排布于正对每一振子的折射率分布区的多个圆环区域内的折射率圆上，排布于同一折射率圆上各点的人工微结构的几何尺寸相同，而同一圆环区域内随着折射率圆的半径的增大，排布于其上各点的人工微结构的几何尺寸减小，且各个圆环区域内最小半径折射率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和最大半径折射率圆上的人工微结构的几何尺寸之间或者等于所述最小半径和最大半径折射率圆上的人工微结构的几何尺寸。

7.根据权利要求6所述的基站天线，其特征在于，排布于各个圆环区域内最小半径和最大半径折射率圆上的人工微结构的几何尺寸均相等且所述人工微结构的几何尺寸按照相同的规律变化。

8.根据权利要求6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折射率圆上，排布的人工微结构的几何尺寸均相同。

9.一种基站天线，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人工微结构，所述基板上以正对每一振子的中心的位置为圆心形成多个圆环区域，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，排布于同一同心圆各点的人工微结构的几何尺寸均相同，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的几何尺寸减小，且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和最大半径同心圆上的人工微结构的几何尺寸之间或者等于所述最小半径和最大半径同心圆上的人工微结构的几何尺寸。

10.根据权利要求9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。