CN103036041B - 基站天线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基站天线，包括具有若干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，每个超材料片层对应每一振子的区域形成一折射率分布区，每个折射率分布区以正对相应振子的中心的位置为圆心形成若干同心的折射率圆，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，从而使由振子发射出的电磁波经过所述超材料模块后，半功率带宽变小，电磁波即可传播的更远，提高了基站天线的方向性和增益。
Description
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，包括具有若干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，每个超材料片层对应每一振子的区域形成一折射率分布区，每个折射率分布区以正对相应振子的中心的位置为圆心形成若干同心的折射率圆，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。
优选地，每个超材料片层包括基材和附着在所述基材上的多个人工微结构，所述人工微结构排布于对应每一振子的折射率分布区内的折射率圆上，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。
优选地，所述人工微结构的拓扑形状相同。
优选地，所述人工微结构包括相互正交的两分支，每一分支包括相互平行的第一金属线和第二金属线以及正交于所述第一金属线和第二金属线的第三金属线，所述两分支的第三金属线相互正交。
优选地，所述人工微结构是由金属丝构成的雪花形。
一种基站天线，包括具有若干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两个超材料片层，每个超材料片层对应每一振子的区域形成一折射率分布区，每个折射率分布区以正对相应振子的中心的位置为圆心形成若干同心的折射率圆，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，且各个超材料片层的对应同一振子的半径相同的折射率圆上，各个超材料片层的折射率均相同。
优选地，每个超材料片层包括基材和附着在所述基材上的多个人工微结构，所述人工微结构排布于对应每一振子的折射率分布区内的折射率圆上，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。
优选地，各个超材料片层的对应同一振子的半径相同的折射率圆上，排布于其上的人工微结构的几何尺寸均相同。
优选地，所述人工微结构的拓扑形状相同。
优选地，所述人工微结构包括相互正交的两分支，每一分支包括相互平行的第一金属线和第二金属线以及正交于所述第一金属线和第二金属线的第三金属线，所述两分支的第三金属线相互正交。
本发明的基站天线具有以下有益效果：通过让所述超材料模块空间各点的折射率分布满足一定的规律来控制电磁波的传播，从而使由振子发射出的电磁波经过所述超材料模块后，半功率带宽变小，电磁波即可传播的更远，提高了基站天线的方向性和增益。
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中的超材料模块的超材料片层的平面放大图；
图4是图3所示的一个折射率分布区的放大图；
图5是图4中的人工微结构的分布规律图；
图6是图5中的人工微结构的示例图；
图7是图6中的人工微结构的分解图。
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基材、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，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层，具体实施时，所述超材料片层22的数目可依据需求来增减，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作为示例进行描述。
如图3所示，每个超材料片层22包括基材222和附着在所述基材222上的多个人工微结构224。所述基材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材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转变为平面波形式的电磁波。故，所述超材料片层22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若干同心的折射率圆，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，假设各个半径增大的折射率圆的折射率为n1，n2，n3...np，则有n1＞n2＞n3＞...＞np，且(np-1-np)＞...＞(n2-n3)＞(n1-n2)，q为大于0的自然数。从而，所述超材料片层22对应每一振子16的区域形成一折射率分布区24，如图3中由虚线分隔形成的若干区域。且各个超材料片层22的对应同一振子16的半径相同的折射率圆上，各个超材料片层22的折射率均相同。由前可知，我们可让每个超材料片层22上的人工微结构224的拓扑形状相同并排布于对应每一振子16的折射率分布区24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224的几何尺寸相同，而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。且各个超材料片层22的对应同一振子16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。实际中，应该是让所述人工微结构224排布于以正对每一振子16的中心的位置为圆心的若干同心圆上，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，且各个超材料片层22的对应同一振子16的半径相同的同心圆上，排布于其上的人工微结构224的几何尺寸均相同。从而在各个超材料片层22上形成对应每一振子16的相同的折射率圆及相同的折射率排布区24。
如图4所示，为选自图3中的对应一个振子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及其所附着的基材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，可以近似看作一个圆点，这样，圆便可以看作是由若干超材料单元223沿圆周堆叠而成的，因此，我们可以将所述人工微结构224阵列排布于所述基材222上近似看作是所述人工微结构224排布于同心圆上。也即，正对振子16的中心的超材料单元223上设置几何尺寸最大的人工微结构224，随着距离所述正对振子16的中心的超材料单元223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，最远处的人工微结构224的几何尺寸最小，且距离所述正对振子16的中心的超材料单元223相同远近处的超材料单元223上设置的人工微结构224的几何尺寸相同，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的同心圆的排布规律，如图5中虚线所示。图4和图5中所示的对应一个振子16的人工微结构224的阵列排布方式仅为一个示例，且所述人造微结构224是按比例缩小的，事实上，对应同一折射率分布规律的人工微结构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6和图7所示，为本发明的人工微结构的一个实施例。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。
本发明通过让相同拓扑形状的人工微结构按照一定的排布规律设置在各个超材料单元上，得以调制各个超材料单元的介电常数，进而形成了超材料片层的折射率分布规律，使得各个相邻超材料单元的折射率的变化可让电磁波向特定的方向偏折，即可使球面波形式的电磁波转变为平面波形式的电磁波，以便适于远距离传输，而且本发明的折射率分布规律可使由振子发射出的电磁波汇聚，半功率带宽变小，让电磁波传播的更远，提高了基站天线的方向性和增益。
以上所述仅是本发明的若干具体实施方式和/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，还可以做出若干改进和润饰，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 (8)
1.一种基站天线，其特征在于，包括具有若干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，每个超材料片层对应每一振子的区域形成一折射率分布区，每个超材料片层包括基材和附着在所述基材上的多个人工微结构，每个折射率分布区以正对相应振子的中心的位置为圆心形成若干同心的折射率圆，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，所述人工微结构排布于对应每一振子的折射率分布区内的折射率圆上，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。
2.根据权利要求1所述的基站天线，其特征在于，所述人工微结构的拓扑形状相同。
3.根据权利要求1所述的基站天线，其特征在于，所述人工微结构包括相互正交的两分支，每一分支包括相互平行的第一金属线和第二金属线以及正交于所述第一金属线和第二金属线的第三金属线，所述两分支的第三金属线相互正交。
4.根据权利要求1所述的基站天线，其特征在于，所述人工微结构是由金属丝构成的雪花形。
5.一种基站天线，其特征在于，包括具有若干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两个超材料片层，每个超材料片层对应每一振子的区域形成一折射率分布区，每个超材料片层包括基材和附着在所述基材上的多个人工微结构，每个折射率分布区以正对相应振子的中心的位置为圆心形成若干同心的折射率圆，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，且各个超材料片层的对应同一振子的半径相同的折射率圆上，所述人工微结构排布于对应每一振子的折射率分布区内的折射率圆上，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，各个超材料片层的折射率均相同。
6.根据权利要求5所述的基站天线，其特征在于，各个超材料片层的对应同一振子的半径相同的折射率圆上，排布于其上的人工微结构的几何尺寸均相同。
7.根据权利要求5所述的基站天线，其特征在于，所述人工微结构的拓扑形状相同。
8.根据权利要求5所述的基站天线，其特征在于，所述人工微结构包括相互正交的两分支，每一分支包括相互平行的第一金属线和第二金属线以及正交于所述第一金属线和第二金属线的第三金属线，所述两分支的第三金属线相互正交。
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