CN107454988A - 双频辐射系统及其天线阵列 - Google Patents

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Abstract

一种辐射系统包括具有碗状结构的低频辐射器、设置于低频辐射器的碗状结构内部的高频辐射器以及设置于高频辐射器下方的超材料反射器。超材料反射器包括设置于高频辐射器下方的超表面以及设置于超表面下方的实心金属平面。

Description

双频辐射系统及其天线阵列
技术领域
本发明主要涉及辐射系统，更具体地涉及在两个波段工作的辐射系统及其天线阵列。
背景技术
移动通信领域常常同时存在几种不同的通信技术。例如，当前有第二代(2G)和第三代(3G)网络共存于移动通信网络中。为了向不同网络的用户提供服务，移动通信基站需要具有不同频率的通信能力，即在不同波段的通信能力。因此，一种辐射和/或接收的结构如天线，用于移动通信基站时可能需要包括不同频率的辐射单元以用于不同的网络，例如具有高频单元和低频单元的辐射结构，也称为双波段辐射结构。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种双频辐射系统，包括一低频辐射器以及其内部的高频辐射器，从而使得辐射器系的整体高底降低，低频辐射器与高频辐射器之间有良好的隔离度。
本发明的另一目的在于提供具有双频辐射系统的天线阵列，其具有较小尺寸以及良好的隔离特性。
为获得上述目的，本发明提供一种双频辐射系统包括具有碗状结构的低频辐射器、设置于碗状结构低频辐射器内的高频辐射器、以及位于高频辐射器下方以及位于低频辐射器的碗状结构内部的超材料反射器(metamaterial reflector)。超材料反射器包括设置于高频辐射器下方的超表面(metasurface)以及位于超表面下方的实心金属平面。
本发明还提供一种天线阵列包括至少一个双频辐射单元以及至少一个交替布置的单波段辐射单元。所述至少一个双频辐射单元各包括一个具有碗状结构的低频辐射器、设置于低频辐射器的碗状结构内部的第一高频辐射器、以及设置于第一高频辐射器下方以及低频辐射器的碗状结构内部的第一超材料反射器。第一超材料反射器包括设置于第一高频辐射器下方的第一超表面(first metasurface)以及设置于第一超表面下方的第一实心金属平面。所述至少一个单波段辐射单元各包括第二高频辐射器和设置于第二高频辐射器下方的第二超材料反射器。第二超材料反射器包括设置于第二高频辐射器下方的第二超表面和设置于第二超表面下方的第二实心金属平面。
本发明具有以下有益效果：超材料反射器能够反射大部分高频辐射器朝向远离低频辐射器方向的辐射，在一定频带内形成良好的辐射磁导体，即在高频辐射器的工作频率范围内，可提供低频辐射器与高频辐射器之间的良好隔离，改善高频辐射器的辐射特性，特别是提高高频辐射器的增益。进一步地，超材料反射器对低频辐射器的辐射性能影响很小，即，使用超材料反射器，可以提高高频辐射器的辐射性能且并未牺牲低频辐射器的辐射性能。更进一步地，因为超材料反射器，高频辐射器可设置于低频辐射器的碗状结构内部，因此辐射系统的整体高度降低。
本发明的特点和有益效果，一部分揭露于后文的描述中，而一部分可从从说明书的描述明显可知，或可通过说明书的实践而了解。这些特点和优点可通过后述权利要求中特别指出的元件及其结合而实现。
附图说明
需要理解的是，上述一般说明和以下详细描述仅用于示范性及解释，并不是对本发明范围进行限制。
说明书附图作为说明书的一部分，作为本发明的几个实施例的图解，连同说明书一起解释了本发明的原理。
图1A是本发明实施例的辐射系统的剖视图。
图1B是本发明实施例的辐射系统的平面图。
图1C是本发明实施例的辐射系统的立体图。
图2是图1A-1C所示辐射系统的低频辐射器的立体图。
图3是图1A-1C所示辐射系统的部分结构的立体图。
图4是本发明另一实施例的辐射系统的部分结构的立体图。
图5是本发明实施例的天线阵列的立体图。
具体实施方式
本发明实施例揭露了在两个波段工作的辐射结构。
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行描述。在可能的情况下，整个附图中使用的相同标号指示相同或似类的部件。
图1A-1C所示为本发明实施例的辐射系统100的示例。图1A-1C所示分别为辐射系统100的剖视图、平面图以及立体图。辐射系统100包括反射器102也称为下反射器102、位于反射器102上方的低频辐射器104、位于低频辐射器104底部的系统底座106、位于系统底座106上方的高频辐射器108、以及位于高频辐射器108下方的超材料反射器110也称为上反射器110。低频辐射器104辐射谱的中心频率比高频辐射器108低。例如，低频辐射器104的中心频率约830MHz，高频辐射器108的中心频率约2.2GHz。例如，如图1A所示，低频辐射器104为碗状结构。在一些实施例中，低频辐射器104、系统底座106、高频辐射器108以及超材料反射器110在竖直方向同轴布置。
根据本发明，反射器102包括位于低频辐射器104下方的主反射板102a。主反射板102a可以是例如实心金属板。在一些实施例中，如图1A所示，主反射板102a平行或大致平行于高频辐射器108以及超材料反射器110。
在一些实施例中，反射器102进一步包括一个或多个辅助反射板102b，例如一个、两个或三个辅助反射板102b。在一些实施例中，反射器102不包括任何辅助反射板。根据本发明，辅助反射板102b相对于主反射板102a之间成一定角度角度可以是例如约90°～180°的范围。辅助反射板102b可以为：例如方形、半圆形或锯齿状的形状；且可以为：例如实心金属板或穿孔金属板。在一些实施例中，辅助反射板102b可包括介质板(dielectricslab)以及附着于介质板上的金属阵列。所述金属阵列包括多个规则的或不规则的金属片按一定顺序排列在一个阵列中。
如图1A-1C所示的例子中，反射器102包括两个辅助反射板102b垂直于主反射板102a。两辅助反射板102b之一在图1A的剖视图中以虚线所示。在一些实施例中，两辅助反射板102b相互平行，且两辅助反射板102b之间的距离约0.4λL～0.8λL，其中λL是低频辐射器104的工作波长，即，低频辐射器104辐射谱的中心频率对应的波长。低频辐射器104的辐射谱的中心频率可以是，例如约830MHz。各辅助反射板102b的高度约为0.05λL～0.2λL。
图2所示为本发明实施例的低频辐射器104的立体图。如图2所示，低频辐射器104包括双极化辐射装置，该双极化辐射装置具有四个导电偶极辐射组件112形成于辐射器底座114上。如图1B、1C和图2所示，各偶极辐射组件112包括一对巴伦112a与辐射器底座114连接。每一根巴伦112a连接于一条支臂(array arm)112b。一条加载段112c固定于支臂112b的一末端。两偶极辐射组件112相对于低频辐射器104的竖直中心线相互旋转对称地布置，并构成一个偶极子。
根据本发明，各支臂112b包括第一臂部112b1以及第二臂部112b2。第一臂部112b1的一末端固定于相应的巴伦112a，第一臂部112b1的另一末端连接于所述第二臂部112b2。第一、第二臂部112b1、112b2之间的内角等于或小于135°。加载段112c位于所述第二臂部112b2末端的上下表面上。在一些实施例中，第一臂部112b1的实际长度、第二臂部112b2的实际长度以及加载段112c的有效长度的总和约等于0.25λL。如图1C和图4所示的示范例子中，一对加载段112c相互平行且间隔一定距离，该对加载段112c中的每一个加载段与支臂112b垂直或形成一角度，且位于各第二臂部112b2的自由端，且从每一条第二臂部112b2的自由端向上和向下延伸至一定长度。
再次参照图1A，系统底座106形成于低频辐射器104的辐射器底座114上方，且系统底座106的底部连接于辐射器底座114。在一些实施例中，系统底座106的底端直接连接于反射器102。系统底座106的顶端连接于给高频辐射器108馈电的巴伦116的表面。图3所示辐射系统100部分结构的立体图，包括系统底座106、高频辐射器108、超材料反射器110。如图3，系统底座106为圆筒形。巴伦116的一部分位于圆筒形系统底座106的内部。
根据本发明，系统底座106用于将高频辐射器108定位及保持于相对较高的高度。在一些实施例中，选择系统底座106的高度使得高频辐射器108的辐射面比低频辐射器104辐射面高度相同或略低。例如，辐射系统100可设计为小尺寸。
高频辐射器108可包括一个或多个辐射组件，且可能是任何类型的辐射器，诸如偶极天线、蝶形天线(bow-tie antenna)或贴片天线(patch antenna)。附图所示的实施例中，高频辐射器108包括具有两个偶极子118的偶极天线。两偶极子118的极化相互正交或近似正交，这样，高频辐射器108可具有两个相互正交或近似正交的极化辐射。如图1B、1C和图3所示，各偶极子118包括两个导电的辐射组件120相对地布置，即，两个导电的辐射组件120相对于高频辐射器108的竖直中心线相互旋转对称。在一些实施例中，如图1B、1C和图3，各导电辐射组件120包括一扇形结构，其边长约为0.15λh～0.25λh，其中λh是高频辐射器108的工作波长，即，高频辐射器108的辐射谱的中心频率对应的波长。高频辐射器108辐射谱的中心频率可以是，例如，约2.2GHz。
根据本发明，巴伦116给高频辐射器108馈电。如图1A和3，巴伦116与高频辐射器108同轴。如前所述，巴伦116的底部耦合于系统底座106且定位于系统底座106的开孔中，如图3。在一些实施例中，巴伦116的长度约为0.25λh。
参照图1A-1C及图3，超材料反射器110包括一超表面(metasurface)110a，在图1A的剖视图中以点线表示。此处所指“超材料(metamaterial)”是将基础材料设计成具有基础材料所不具备的性能。超材料一般包括排列成图案的多个小单元，小单元的尺寸比超材料影响现象的波长(the wavelengths of the phenomena the metamaterial influences)更小。超表面也指“电磁超表面”，是指一种具有所需的亚波长(sub-wavelength)厚度和电磁特性的人造板材。
根据本发明，超表面110a位于高频辐射器108下方，即，低于高频辐射器108的下表面。在一些实施例中，超表面110a与高频辐射器108下表面之间的距离约为0.01λh～0.15λh。在一些实施例中，超表面110a平行或大致平行于高频辐射器108的下表面。在一些实施例中，超表面110a与高频辐射器108下表面成一定角度，诸如约-15°～+15°角。
在一些实施例中，超表面110a的面积设计为尽量大，但略小于低频辐射器104的孔径。进一步地，超表面110a的面积略大于高频辐射器108的孔径。超表面110a并不连接于高频辐射器108或低频辐射器104。例如，超表面110a与高频辐射器108以及低频辐射器104之间电隔离。
超表面110a可以是平面或曲面，且可包括单片超材料或具有多个分片超材料的复合片材。在一些实施例中，超表面110a布置在一个薄的介质板上，诸如泡沫板(未图示)，介质板安装在低频辐射器104的碗状结构内部。超表面110a(单片情况下)或者超表面110a(复合片材的情况下)的每一个分片，包括排列在同一表面的多个金属板。金属板的形状及排列可以均匀或非均匀。即，金属板可有不同、相似或相同尺寸。在一些实施例中，各金属板的尺寸远小于λh，且较佳地，各金属单元的尺寸小于0.25λh，例如0.2λh或者每个维度小于0.2λh。例如，各金属板可以是方形金属板，尺寸为0.2λh×0.2λh。进一步地，金属板可以按规则排列，也可以随意排列。更进一步地，至少两个相邻的金属板间隔一段距离。在一些实施例中，每个金属板与相邻金属板的间距小于0.1λh。例如，两相邻金属板之间的间距可以约为0.01λh。两相邻金属板的间距可以是互不相同、相似或相同。例如，至少两对相邻的金属板有不同的间距。
如图1A，1C，和图3所示，超材料反射器110进一步包括设置于超表面110a下方的金属反射面110b。在一些实施例中，金属反射面110b平行或大致平行于超表面110a。超表面110a与金属反射面110b之间的距离小于0.2λh。如图1A、1C和图3所示实例，超表面110a和金属反射面110b彼此隔开且二者之间没有插入其它材料。在其它实施例中，介电材料，如FR4(Flame Retardant Fiberglass Reinforced Epoxy Laminates)材料基板，可设置于超表面110a和金属反射面110b之间。
在一些实施例中，金属反射面110b的大小可以与超表面110a相似或相同。在一些实施例中，金属反射面110b略比超表面110a小。在一些实施例中，金属反射面110b的边长小于0.3λL，以避免影响低频辐射器104的辐射性能。另一方面，因超表面110a具有更大的面积，超表面110a对高频辐射器108的影响更大。也就是说，超表面110a和金属反射面110b能共同反射高频辐射器108朝向远离低频辐射器104的大部分辐射。
例如图1A和图3所示，超表面110a和金属反射面110b各设有一开孔，以供巴伦116穿过。巴伦116不直接接触超表面110a但可直接接触金属反射面110b。
根据本发明，超材料反射器110包括超表面110a和金属反射面110b在一定的频率范围内形成良好的辐射磁导体，即，在高频辐射器108的工作频带内，提供低频辐射器104与高频辐射器108之间的隔离。该磁导体改变了高频辐射器108的边界条件，从而通过增加高频辐射器108的增益来提高高频辐射器108的辐射性能。进一步地，如上所述，超材料反射器110对低频辐射器104的辐射性能影响非常小。也就是说，使用超材料反射器110，提高了高频辐射器108的辐射性能，而且并没有牺牲低频辐射器104的辐射性能。更进一步地，因为使用超材料反射器110，高频辐射器108能够设置于低频辐射器104的碗状结构内部，从而可以降低整个辐射系统100的高度。
例如图1B、1C和图3所示的实例中，如上所述，超表面110a包括多个方形的金属板。也就是说，形成超表面110a的每个单元是方形金属板。方形可以是实心的方形，也可以是空心的方形即一个方形框。本发明形成超表面的单元也可以是其它形状，例如实心或空心的长方形，实心或空心的圆形、L形、或螺旋形。图4所示为本发明另一实施例的辐射系统400部分结构的立体图。图4中没有显示下反射器102。辐射系统400与辐射系统100相似，不同的是，辐射系统400的超表面110a’，其包括多个方框金属单元402，即，每个金属单元402呈“方环”形。
图5是本发明实施例的天线阵列500的立体图。天线阵列500包括至少一个双频辐射单元502以及至少一个单波段辐射单元504交替排列在反射器102’上，也被称为下反射器102’。反射器102’与反射器102相似，也包括主反射板102a’和两个辅助反射板102b’垂直或近似垂直于主反射板102a’。与反射器102相似，反射器102’也可以是不设置辅助反射板、仅一个辅助反射板、或者有两个以上辅助反射板。进一步地，主反射板102a’与各辅助反射板102b’之间的角度也可以约为90°～180°。
双频辐射单元502与不包括反射器102的辐射系统100的部分结构相似。也就是说，双频辐射单元502涉及两个辐射带：低频带和高频带。另一方面，单波段辐射单元504与辐射系统100的高频部分相似，即图3所示的部分，其包括系统底座106、高频辐射器108、超材料反射器110。在一些实施例中，单波段辐射单元504的辐射面与双频辐射单元502高频部分的辐射面在相同平面上。这种布置有利于辐射图形的合成。
可以理解，本发明实施例的辐射系统也可以包括：一个辐射器诸如高频辐射器108或者甚至低频辐射器104、以及布置在该辐射器的下表面下方的超材料反射器110。超材料反射器110包括布置在该辐射器的下表面下方的超表面110a以及位于超表面下方的实心金属平面110b。
基于本发明揭露的说明书及实施方案，其它实施例对于本领域的技术人员来说是显而易见的。本发明的说明书及例子仅用于示范，本发明的真实范围和精神应由后附的权利要求书所限定。

Claims (21)

1.一种辐射系统，包括：
具有碗状结构的低频辐射器；
设置于低频辐射器的碗状结构内部的高频辐射器；以及
设置于高频辐射器下方及低频辐射器碗状结构内部的超材料反射器，其包括：
设置于高频辐射器下方的超表面；以及
设置于所述超表面下方的实心金属平面。
2.如权利要求1所述的辐射系统，其特征在于，超表面与高频辐射器下表面之间的距离为0.01λh～0.15λh，其中λh是高频辐射器的工作波长。
3.如权利要求1所述的辐射系统，其特征在于，超表面与实心金属平面之间的距离小于0.2λh，其中λh是高频辐射器的工作波长。
4.如权利要求1所述的辐射系统，其特征在于，超材料反射器进一步地包括位于超表面和实心金属平面之间的介质材料。
5.如权利要求1所述的辐射系统，其特征在于，超表面小于低频辐射器的孔径尺寸而大于高频辐射器的孔径尺寸。
6.如权利要求1所述的辐射系统，其特征在于，超表面包括一平面。
7.如权利要求1所述的辐射系统，其特征在于，超表面包括一曲面。
8.如权利要求1所述的辐射系统，其特征在于，超表面包括排列于一个平面内的多个金属单元，各金属单元的尺寸小于0.25λh，其中λh是高频辐射器的工作波长。
9.如权利要求8所述的辐射系统，其特征在于，至少两个相邻的金属单元相互间隔开。
10.如权利要求8所述的辐射系统，其特征在于，金属单元排列成规则的阵列。
11.如权利要求8所述的辐射系统，其特征在于，金属单元随机排列。
12.如权利要求8所述的辐射系统，其特征在于，至少两个金属单元具有不同尺寸或形状。
13.如权利要求8所述的辐射系统，其特征在于，每一金属单元具有长方形、圆形、L形、螺旋形或方框形中的一种形状。
14.如权利要求8所述的辐射系统，其特征在于，超表面进一步地包括介质板，金属单元布置在介质板上。
15.如权利要求1所述的辐射系统，其特征在于，超表面包括多个亚层，每一亚层包括排列在一个平面内的多个金属单元，每一金属单元的尺寸小于0.25λh，其中λh是高频辐射器的工作波长。
16.如权利要求1所述的辐射系统，其特征在于，实心金属平面的边长小于0.3λL，其中λL是低频辐射器的工作波长。
17.如权利要求1所述的辐射系统，其特征在于，高频辐射器的辐射面与低频辐射器的辐射面高度相同或略低。
18.如权利要求1所述的辐射系统，其特征在于，进一步地包括：
设置于低频辐射器下方的下反射器；下反射器包括平行或大致平行于超材料反射器的主反射板。
19.如权利要求18所述的辐射系统，其特征在于，下反射器进一步地包括至少一个辅助反射板，主反射板与至少一个辅助反射板之间的角度为90°～180°。
20.一种天线阵列，包括：至少一个双频辐射单元其特征在于，以及至少一个交替布置的单波段辐射单元；每一个所述的至少一个双频辐射单元包括：
具有碗状结构的低频辐射器；
设置于低频辐射器的碗状结构内部的第一高频辐射器；以及
设置于第一高频辐射器下方的第一超材料反射器，且包括：设置于第一高频辐射器下方的第一超表面，以及设置于第一超表面下方的第一实心金属平面；
每一个所述的至少一个单波段辐射单元包括：
第二高频辐射器；以及
设置于第二高频辐射器下方的第二超材料反射器，超材料反射器包括：设置在第二高频辐射器下方的第二超表面，以及设置于第二超表面下方的第二实心金属平面。
21.一种辐射系统，包括：
一个辐射器；以及
设置于所述辐射器下表面下方的超材料反射器，所述超材料反射器包括：设置于所述辐射器下表面下方的超表面，以及设置于所述超表面下方的实心金属平面。
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