CN103298166A

CN103298166A - 基于超材料天线的移动通信基站

Info

Publication number: CN103298166A
Application number: CN2012100510823A
Authority: CN
Inventors: 刘若鹏; 徐冠雄; 尹武
Original assignee: Kuang Chi Innovative Technology Ltd
Current assignee: Kuang Chi Institute of Advanced Technology
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2032-02-29
Also published as: CN103298166B

Abstract

一种基于超材料天线的移动通信基站，包括内容接入模块、射频拉远模块、软件无线电配置模块及超材料天线，所述内容接入模块内容接收各种信息源提供的各种制式的通讯信号；射频拉远模块用于将上述各种制式的通讯信号在模拟射频信号和基带信号之间的转换，并处理基带信号中的冗余；软件无线电配置模块将射频拉远模块处理的各种制式的通讯信号进行相应配置给超材料天线；超材料天线将电信号转换为电磁波或接收电磁波转换为电信号。使得移动通信基站的模拟分立元件的一致性，保证信号的幅度和相位的一致；产品体积变小，重量减轻，从而实现整个移动通信基站小型化、轻型化及一体化。

Description

基于超材料天线的移动通信基站

技术领域

本发明涉及无线通讯技术领域，尤其涉及一种基于超材料天线的移动通信基站。

背景技术

目前，GSM、CDMA、TD-SCDMA、WACDMA等无线移动通讯系统基站、基站子系统、直放站等系统中，一般都采用模拟技术来进行对带外无用信号的处理，以实现对移动通信信号的选频功能。在当前的模拟通信系统中，应用较多的一种信号选频处理技术，它是由混频器、放大器及声表滤波器等一系列器件组成。输入的射频信号经过混频处理，输出模拟中频信号，再经过放大处理步骤，抵消混频处理引入的差损，经过声表滤波器实现对带外信号的滤波处理，滤波后的中频信号再经过放大器和混频器，实现输出和输入同频率的射频信号。

但是，上述所采用模拟技术来进行选择频率的方式中存在较多缺陷，具体表现为：模拟器件产生的本振信号稳定性差，容易出现频率偏移，导致系统的输入，输出频点发生偏移；模拟乘法器的线性特性不好，混频后的相位发生变化，差损需要放大器器补偿，从而引入更多的有源噪声；模拟滤波器滤波特性难以调节且不易随具体的应用的需求而改变；模拟分立元件的不一致性，使得信号的幅度和相位的一致性难以得到保证；产品体积较大，重量较重，难以实现小型化、轻型化及一体化设计；功能单一、灵活性差的模拟硬件电路，很难适合不同通讯体制、多频段的通讯系统。

发明内容

基于此，本发明为将解决现有基站体积较大，重量较重，难以实现小型化、轻型化及一体化设计的技术问题，因此本发明提供一种超材料天线的移动通信基站。

一种基于超材料天线的移动通信基站，包括内容接入模块、射频拉远模块、软件无线电配置模块及超材料天线，所述内容接入模块内容接收各种信息源提供的各种制式的通讯信号；射频拉远模块用于将上述各种制式的通讯信号在模拟射频信号和基带信号之间的转换，并处理基带信号中的冗余；软件无线电配置模块将射频拉远模块处理的各种制式的通讯信号进行相应配置给超材料天线；超材料天线将电信号转换为电磁波或接收电磁波转换为电信号。

进一步地，所述各种制式的通讯信号包括包含音乐、文本、图片及视频的LTE信号、WCDMA信号、WCDMA2000信号、GSM信号及TD-SCDMA信号信息。

进一步地，所述内容接入模块包括LTE信号接入模块、WCDMA信号接入模块、GSM信号接入模块及TD-SCDMA信号接入模块。

进一步地，所述射频拉远模块包括第一射频拉远单元、第二射频拉远单元、第三射频拉远单元及第四射频拉远单元，第一射频拉远单元连接所述LTE信号接入模块；第二射频拉远单元连接WCDMA信号接入模块；第三射频拉远单元连接GSM信号接入模块；第四射频拉远单元连接TD-SCDMA信号接入模块。

进一步地，所述软件无线电配置模块为一信号处理功能的PC系统。

进一步地，所述超材料天线包括：

阵列式天线，包括多个天线单元；所述每一天线单元包括镂刻有一槽拓扑图案的导电薄片、导电馈点及馈线；

一功分器，用于将基带信号划分多路加权值的信号，然后将各路加权值的信号通过各个导电馈点分别传送给所述呈阵列排布的各个天线单元；及

一反射单元，用于反射所述多个天线单元的向后辐射电磁波。

进一步地，所述阵列式天线还包括一绝缘的介质基板，所述每个天线单元还包括接地单元及接电线，所述多个天线单元呈阵列式附着于介质基板上一表面上。

进一步地，所述高分子材料优选聚四氟乙烯、F4B或FR4。

进一步地，所述槽拓扑图案为互补式开口谐振环图案、开口螺旋环图案、开口螺旋环图案及上述图案中的一种以及上述几种图案衍生、复合、组合或组阵得到的轴对称复合图案。

进一步地，所述槽拓扑图案为互补式螺旋线图案、互补式弯折线图案及上述图案中的一种以及上述几种图案衍生、复合、组合或组阵得到的轴非对称图案。

相比较现有技术，本发明基于软件无线电技术和超材料天线使得移动通信基站的模拟分立元件的一致性，保证信号的幅度和相位的一致；产品体积变小，重量减轻，从而实现整个移动通信基站小型化、轻型化及一体化。

附图说明

图1是本发明移动通信基站的示意图；

图2为图1所示的移动通信基站的模块图；

图3为图2所示的软件无线电配置模块图；

图4为图2所示的超材料天线的平面示意图；

图5是图4所示超材料天线中一天线单元的平面示意图；

图6为图5所示导电薄片上镂刻槽拓扑图案的示意图；其中，图6(a)是导电薄片上形成互补式开口谐振环图案，图6(b)是导电薄片上形成互补式螺旋线图案，图6(c)是是导电薄片形成开口螺旋环图案，图6(d)是导电薄片上形成双开口螺旋环图案，图6(e)是导电薄片上形成互补式弯折线图案；图6(f)是导电薄片上形成轴非对称的复合图案，图6(g)是导电薄片上形成轴对称的复合图案；

图7是图5所示导电薄片上可以通过形成衍生方式形成的图案，其中图7(a)为拓扑结构几何形状衍生图案；图7(b)为拓扑结构扩展衍生图案。

具体实施方式

请一并参考图1和图2，为本发明的基于超材料天线的移动通信基站模块图。所述移动通信基站包括内容接入模块20、射频拉远模块24、软件无线电配置模块22及超材料天线215。内容接入模块20接收各种信息源提供的各种制式的通讯信号，包括但不限于音乐、文本、图片及视频等LTE信号、WCDMA信号、WCDMA2000信号、GSM信号及TD-SCDMA信号信息。射频拉远模块24用于将上述各种制式的通讯信号在模拟射频信号和基带信号之间的转换，并处理基带信号中的冗余；软件无线电配置模块22将射频拉远模块24处理的各种制式的通讯信号进行相应配置给超材料天线215；超材料天线215将电信号转换为电磁波或接收电磁波转换为电信号。

所述内容接入模块20至少包括LTE信号接入模块、WCDMA信号接入模块、WCDMA2000信号接入模块、GSM信号接入模块及TD-SCDMA信号接入模块中的两个或者两个以上信号接入模块。在本实施方式中，所述内容接入模块20包括LTE信号接入模块201、WCDMA信号接入模块202、GSM信号接入模块203及TD-SCDMA信号接入模块204。

射频拉远模块24包括第一射频拉远单元210、第二射频拉远单元220、第三射频拉远单元230及第四射频拉远单元240。在本实施方式中，第一射频拉远单元210连接所述LTE信号接入模块201；第二射频拉远单元220连接WCDMA信号接入模块202；第三射频拉远单元230连接GSM信号接入模块203；第四射频拉远单元240连接TD-SCDMA信号接入模块204。

请参考图3，软件无线电配置模块图。软件无线电配置模块22为一信号处理功能的PC系统，其装有操作系统及各类信号处理功能的软件无线电应用模块。在本实施方式中，软件无线电配置模块22包括LTE信号处理模块221、WCDMA信号处理模块222、GSM信号处理模块223、TD-SCDMA信号处理模块224、信号输出接口225及操作系统226。软件无线电配置模块22通过上述软件无线电应用模块将LTE信号、WCDMA信号、GSM信号及TD-SCDMA信号处理通过射频电路传送给所述超材料天线215，所述超材料天线将上述信号以电磁波的形式向外辐射。

本发明所述的超材料天线215是基于人工电磁材料技术设计而成，人工电磁材料是指将金属片镂刻成特定形状的拓扑金属结构，并将所述特定形状的拓扑金属结构设置于一定介电常数和磁导率基材上而加工制造的等效特种电磁材料，其性能参数主要取决于其亚波长的特定形状的拓扑金属结构。在谐振频段，人工电磁材料通常体现出高度的色散特性，换言之，天线的阻抗、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。因而可采用人工电磁材料技术对上述天线的基本特性进行改造，使得金属结构与其依附的介质基板等效地组成了一个高度色散的特种电磁材料，从而实现辐射特性丰富的新型天线。以下详细介绍应用超材料天线：

请参阅图4，是本发明中一实施例的超材料天线的平面示意图。超材料天线215包括一阵列式天线8、设置在阵列式天线8一侧的反射单元9及功分器7。所述阵列式天线8包括多个天线单元10。当所述第一超材料天22发送电磁波时，所述反射单元9用于反射各个天线单元10的向后辐射电磁波，使得上述天线装置1形成的后瓣得到压缩，以提高天线装置的发射效率。

功分器7用于将基带信号划分多路加权值的信号，然后将各路加权值的信号分别分配给所述呈阵列排布的各个天线单元10，根据波束赋形(beamforming)技术使所阵列式天线8产生电磁波定向辐射范围。在本实施方式中，所述功分器7采用一六功分器。

图5为图4所示天线装置中一天线单元平面示意图。天线单元10包括一绝缘的介质基板100，所述介质基板100的一表面101附着有导电薄片13a，在将导电薄片13a镂刻有一槽拓扑图案12a。在本实施方式中，导电薄片13a采用金属铜片，在金属铜片镂刻有一轴对称的槽拓扑图案12a。在其他实施方式中，槽拓扑图案12a为轴非对称图案。

在第一表面101上还形成一导电馈点14和与导电馈点14电连接的馈线11、一接地单元15a及接地线16。在本实施方式中，所述导电薄片13a通过接地线16连接接地单元15a。所述馈线11通过磁电耦合与导电薄片13a相关联。在其他实施方式中，馈线11和接地线16一般可以视为天线的两个引脚，以标准50欧姆阻抗馈入，但馈线11的馈入方式与接地线16的接地方式可以是容性耦合也可以是感性耦合，具体来说，馈线11的馈入方式与接地线16的接入方式共有四种组合，分别是：馈线电感馈入，接地线电感接地；馈线电感馈入，接地线电容接地；馈线电容馈入，接地线电感接地；馈线电容馈入，接地线电容接地。在阵列式天线8上的天线单元10的拓扑微结构与尺寸可以相同，也可以不同，从而进行混合设计。

本发明中超材料天线215，可通过调整馈线11的馈入耦合方式、接地线16的接地方式、天线单元10的拓扑结构与尺寸大小、以及馈线11与接地线16与天线单元10的可短接点位置来进行调谐，从而使天线形成多模工作。

请参阅图6，图6(a)是导电薄片上形成互补式开口谐振环图案，图6(b)是导电薄片上形成互补式螺旋线图案，图6(c)是是导电薄片形成开口螺旋环图案，图6(d)是导电薄片上形成双开口螺旋环图案，图6(e)是导电薄片上形成互补式弯折线图案；图6(f)是导电薄片上形成轴非对称的复合图案，图6(g)是导电薄片上形成轴对称的复合图案。

槽拓扑图案12a为轴对称图案，包括图6(a)所示互补式开口谐振环图案、图6(c)所示开口螺旋环图案、图6(d)所示开口螺旋环图案及图6(g)是导电薄片上形成轴对称的复合图案；槽拓扑图案12a为轴非对称图案，包括但不限于图6(a)所示互补式螺旋线图案、图6(e)所示互补式弯折线图案及图6(f)所示轴非对称的复合图案。

上述槽拓扑图案12a还可以通过如图7所示衍生方式以形成更多的衍生图案，其中图7(a)为几何形状衍生方式示意图，几何形状衍生是指在本发明中导电薄片13a中的形状不仅仅局限于长方形，也可以为任意平面几何图形，如圆形、三角形、多边形等；图7(b)为扩展衍生方式示意图；扩展衍生是指在不改变原有导电薄片13a本质特性前提下，可以任意镂刻掉部分导电片从而扩展衍生出对称或者不对称的图案来。

由天线原理可知，电长度是描述电磁波波形变化频繁程度的物理量，电长度＝物理长度/波长。当天线工作于低频时，低频对应的电磁波波长较长，在需要保持电长度不变的前提下，增长物理长度就是必要的选择。然而增大物理长度必然不能满足天线小型化的要求。根据公式f＝1/(2π可知，增大分布电容能有效降低天线工作频率使得在不增加物理长度的前提下就可保持电长度不变。这样就可以在极小的空间内设计出工作在极低工作频率下的天线。

本发明的介质基板100的材质可选用陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料；其中高分子材料优选聚四氟乙烯、F4B或FR4。在本发明中，关于天线的加工制造，只要满足本发明的设计原理，可以采用各种制造方式。最普通的方法是使用各类印刷电路板(PCB)的制造方法，金属化的通孔，双面覆铜的PCB制造均可满足本发明的加工要求。除此加工方式，还可以根据实际的需要引入其它加工手段，比如RFID(RFID是RadioFrequency Identification的缩写，即射频识别技术，俗称电子标签)中所使用的导电银浆油墨加工方式、各类可形变器件的柔性PCB加工、铁片天线的加工方式以及铁片与PCB组合的加工方式。其中，铁片与PCB组合加工方式是指利用PCB的精确加工来完成芯片微结构部分的加工，用铁片来完成其它辅助部分。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，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

1.一种基于超材料天线的移动通信基站，其特征在于，包括内容接入模块、射频拉远模块、软件无线电配置模块及超材料天线，所述内容接入模块内容接收各种信息源提供的各种制式的通讯信号；射频拉远模块用于将上述各种制式的通讯信号在模拟射频信号和基带信号之间的转换，并处理基带信号中的冗余；软件无线电配置模块将射频拉远模块处理的各种制式的通讯信号进行相应配置给超材料天线；超材料天线将电信号转换为电磁波或接收电磁波转换为电信号。

2.根据权利要求1所述的移动通信基站，其特征在于，所述各种制式的通讯信号包括包含音乐、文本、图片及视频的LTE信号、WCDMA信号、WCDMA2000信号、GSM信号及TD-SCDMA信号信息。

3.根据权利要求2所述的移动通信基站，其特征在于，所述内容接入模块包括LTE信号接入模块、WCDMA信号接入模块、GSM信号接入模块及TD-SCDMA信号接入模块。

4.根据权利要求3所述的移动通信基站，其特征在于，所述射频拉远模块包括第一射频拉远单元、第二射频拉远单元、第三射频拉远单元及第四射频拉远单元，第一射频拉远单元连接所述LTE信号接入模块；第二射频拉远单元连接WCDMA信号接入模块；第三射频拉远单元连接GSM信号接入模块；第四射频拉远单元连接TD-SCDMA信号接入模块。

5.根据权利要求1所述的移动通信基站，其特征在于，所述软件无线电配置模块为一信号处理功能的PC系统。

6.根据权利要求1或5所述的移动通信基站，其特征在于，所述超材料天线包括：

7.根据权利要求6所述的移动通信基站，其特征在于，所述阵列式天线还包括一绝缘的介质基板，所述每个天线单元还包括接地单元及接电线，所述多个天线单元呈阵列式附着于介质基板上一表面上。

8.根据权利要求7所述的移动通信基站，其特征在于，所述高分子材料优选聚四氟乙烯、F4B或FR4。

9.根据权利要求6所述的移动通信基站，其特征在于，所述槽拓扑图案为互补式开口谐振环图案、开口螺旋环图案、开口螺旋环图案及上述图案中的一种以及上述几种图案衍生、复合、组合或组阵得到的轴对称复合图案。

10.根据权利要求6所述的移动通信基站，其特征在于，所述槽拓扑图案为互补式螺旋线图案、互补式弯折线图案及上述图案中的一种以及上述几种图案衍生、复合、组合或组阵得到的轴非对称图案。