WO2013029325A1 - 基站天线 - Google Patents

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WO2013029325A1
WO2013029325A1 PCT/CN2011/084555 CN2011084555W WO2013029325A1 WO 2013029325 A1 WO2013029325 A1 WO 2013029325A1 CN 2011084555 W CN2011084555 W CN 2011084555W WO 2013029325 A1 WO2013029325 A1 WO 2013029325A1
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WO
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metamaterial
refractive index
circular
concentric
base station
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Application number
PCT/CN2011/084555
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English (en)
French (fr)
Inventor
刘若鹏
季春霖
岳玉涛
洪运南
Original Assignee
深圳光启高等理工研究院
深圳光启创新技术有限公司
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0086—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H01Q1/24—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set
    • H01Q1/241—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set used in mobile communications, e.g. GSM
    • H01Q1/246—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set used in mobile communications, e.g. GSM specially adapted for base stations

Definitions

  • the present invention provides a base station antenna, comprising: an antenna module having a plurality of vibrators and a metamaterial module corresponding to the vibrators, the metamaterial module comprising at least one metamaterial sheet, each super material layer
  • One of the upper points is a plurality of refractive index circles formed by the center of the circle, and a plurality of concentric refractive index circles form a circular refractive index distribution region;
  • the center of the refractive index circle is the pole point 0, parallel to any one of the super-material sheets
  • the pole 0 is the polar ray Oy of the end point to establish a polar coordinate system for the polar axis
  • the refractive index n(y) of the refractive index circle of any radius y on the metamaterial sheet is: l 2 + y 2 - 1 - k
  • each of the metamaterial sheets is arranged by a plurality of metamaterial units, and a plurality of concentric circles are formed with the metamaterial unit where the poles 0 are located, so that the super material units of the super material sheets are respectively located On the concentric circles, one of the circular refractive index distribution regions is formed by a plurality of concentric material supermaterial units; each of the metamaterial layers has a plurality of diameters and depths formed on each of the metamaterial units.
  • Circular apertures having the same degree of uniformity the number of the small holes formed on the respective metamaterial units of the same concentric circle in each annular refractive index distribution region are the same, and are formed on the super-material units of each concentric circle
  • the number of the small holes increases in a direction away from the poles, and the number of the small holes formed on each of the metamaterial units of the smallest diameter concentric circles in each of the circular refractive index distribution regions is equal, and is located at the maximum diameter.
  • the number of the small holes formed in the respective metamaterial units of the concentric circles is equal.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a distribution of refractive index circles corresponding to a plurality of circular refractive index distribution regions shown in FIG. 4;
  • FIG. 6 is an arrangement of artificial microstructures of a portion of the super-material sheets formed corresponding to the refractive index circular distribution of FIG. Schematic diagram
  • Figure 8 is another schematic view of the arrangement of the apertures of a portion of the meta-material sheet formed by the distribution of the refractive index of Figure 5;
  • a plurality of concentric annular refractive index distribution regions 24 may be formed on the super-material sheet layer 22, so that the refractive index of each point in the space in each of the circular refractive index distribution regions 24 is satisfied.
  • the refractive index of each refractive index circle decreases and the amount of decrease increases.
  • FIG. 6 is only a schematic view of the arrangement of the artificial microstructure 224 on each of the metamaterial units 223 of the portion of the metamaterial sheet 22, wherein the center of the concentric circle 26 is a super material sheet as shown in the figure.
  • the metamaterial sheet layer 32 includes a substrate 322 and a plurality of small holes 324 formed on the substrate 322.
  • the small holes 324 may be formed on the substrate 322 according to different materials of the substrate 322 by using a suitable process. For example, when the substrate 322 is made of a high molecular polymer, it may be processed by drilling, drilling, or injection molding.
  • the small holes 324 are formed on the substrate 322, and the small holes 324 may be formed on the substrate 322 by a process such as drilling, punching, or high-temperature sintering when the substrate 322 is made of a ceramic material.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Lenses (AREA)

Abstract

本发明涉及一种基站天线，包括具有多个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，以每个超材料片层上的任一点为圆心形成多个折射率圆，若干同心的折射率圆形成一个圆环形折射率分布区；以折射率圆的圆心为极点O、平行于所述超材料片层的任一条以所述极点O为端点的射线Oy为极轴建立极坐标系，则所述超材料片层上任一半径为y的折射率圆的折射率n(y)为：（式I）式中，l为振子到所述超材料片层的距离；λ为电磁波的波长；d为所述超材料片层的厚度，（式II），nmax和nmin分别表示所述超材料片层上的最大折射率和最小折射率；（式III），k表示折射率圆上任一点所在的圆环形折射率分布区的序号，floor是向下取整函数，从而提高基站天线的方向性。

Description

基站天线
本申请要求于 2011年 8月 31日提交中国专利局、申请号为 2011102544942, 发明名称为 "基站天线" 的中国专利申请的优先权， 其全部内容通过引用结合 在本申请中。 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 4尤， 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。 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。
本发明提供一种基站天线， 其特征在于， 包括具有多个振子的天线模块及 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， 以每个超材料片层上的其中一点为圓心形成多个折射率圓， 若干同心的折射率 圓形成一个圓环形折射率分布区； 以折射率圓的圓心为极点 0、 平行于所述超 材料片层的任一条以所述极点 0为端点的射线 Oy为极轴建立极坐标系， 则所 述超材料片层上任一半径为 y的折射率圓的折射率 n(y)为： l2 + y2 - 1 - k
n(y) = "max
a
式中， Z为振子到所述超材料片层的距离； λ为电磁波的波长； d为所述超 d = λ
材料片层的厚度， n max - n mm , "墮和 "匪分别表示所述超材料片层上的最大折 射率和最小折射率；
Figure imgf000004_0001
， k表示折射率圓上任一点所在的圓环 形折射率分布区的序号， 是向下取整函数。
其中， 每个超材料片层由多个超材料单元排列而成， 以所述极点 0所在的 超材料单元为圓心形成多个同心圓， 让所述超材料片层的各个超材料单元分别 位于这些同心圓上， 由位于若干同心圓的超材料单元形成一个所述圓环形折射 率分布区； 每个超材料片层的各个超材料单元上附着有拓朴形状相同的人工微 结构， 位于每个圓环形折射率分布区内的同一同心圓的各个超材料单元上排布 的所述人工微结构的几何尺寸均相同， 位于各个同心圓的超材料单元上排布的 所述人工微结构的几何尺寸沿远离所述极点的方向减小， 而各个圓环形折射率 分布区内位于最小直径同心圓的各个超材料单元上排布的所述人工微结构的几 何尺寸均相等、 位于最大直径同心圓的各个超材料单元上排布的所述人工微结 构的几何尺寸均相等。
其中， 所述超材料单元的几何尺寸小于入射电磁波的波长的五分之一。 其中， 所述超材料单元的几何尺寸等于入射电磁波的波长的十分之一。 其中， 所述人工微结构为金属线构成的具有一定拓朴形状的平面或立体结 构。
其中， 所述人工微结构为铜线制成。
其中， 所述人工微结构为银线制成。
其中， 所述人工微结构通过蚀刻、 电镀、 钻刻、 光刻、 电子刻和离子刻中 的任意一种工艺制成。
其中， 所述人工微结构呈雪花状。
其中， 所述人工微结构是呈雪花状的平面金属微结构。
其中， 每个圓环形折射率分布区， 位于各个同心圓的超材料单元上排布的 所述人工微结构的几何尺寸沿远离所述极点的方向等比例减小。
其中， 每个超材料片层由多个超材料单元排列而成， 以所述极点 0所在的 超材料单元为圓心形成多个同心圓， 让所述超材料片层的各个超材料单元分别 位于这些同心圓上， 由位于若干同心圓的超材料单元形成一个所述圓环形折射 位于每个圓环形折射率分布区内的同一同心圓的各个超材料单元上形成的所述 小孔的直径均相同， 位于各个同心圓的超材料单元上形成的所述小孔的直径沿 远离所述极点的方向增大， 而各个圓环形折射率分布区内位于最小直径同心圓 的各个超材料单元上形成的所述小孔的直径均相等、 位于最大直径同心圓的各 个超材料单元上形成的所述小孔的直径均相等。
其中， 每个超材料片层由多个超材料单元排列而成， 以所述极点 0所在的 超材料单元为圓心形成多个同心圓， 让所述超材料片层的各个超材料单元分别 位于这些同心圓上， 由位于若干同心圓的超材料单元形成一个所述圓环形折射 位于每个圓环形折射率分布区内的同一同心圓的各个超材料单元上形成的所述 小孔的直径均相同， 位于各个同心圓的超材料单元上形成的所述小孔的直径沿 远离所述极点的方向增大， 而各个圓环形折射率分布区内位于最小直径同心圓 的各个超材料单元上形成的所述小孔的直径均相等、 位于最大直径同心圓的各 个超材料单元上形成的所述小孔的直径均相等。
其中， 每个超材料片层由多个超材料单元排列而成， 以所述极点 0所在的 超材料单元为圓心形成多个同心圓， 让所述超材料片层的各个超材料单元分别 位于这些同心圓上， 由位于若干同心圓的超材料单元形成一个所述圓环形折射 位于每个圓环形折射率分布区内的同一同心圓的各个超材料单元上形成的所述 小孔的深度均相同， 位于各个同心圓的超材料单元上形成的所述小孔的深度沿 远离所述极点的方向增大， 而各个圓环形折射率分布区内位于最小直径同心圓 的各个超材料单元上形成的所述小孔的直径均相等、 位于最大直径同心圓的各 个超材料单元上形成的所述小孔的直径均相等。
其中， 每个超材料片层由多个超材料单元排列而成， 以所述极点 0所在的 超材料单元为圓心形成多个同心圓， 让所述超材料片层的各个超材料单元分别 位于这些同心圓上， 由位于若干同心圓的超材料单元形成一个所述圓环形折射 率分布区； 每个超材料片层的各个超材料单元上均形成有数量不等的直径和深 度均相同的圓形小孔， 位于每个圓环形折射率分布区内的同一同心圓的各个超 材料单元上形成的所述小孔的数量均相同， 位于各个同心圓的超材料单元上形 成的所述小孔的数量沿远离所述极点的方向增多， 而各个圓环形折射率分布区 内位于最小直径同心圓的各个超材料单元上形成的所述小孔的数量均相等、 位 于最大直径同心圓的各个超材料单元上形成的所述小孔的数量均相等。
其中， 每个超材料片层的各个圓环形折射率分布区内的最小直径折射率圓 的折射率均相等、 最大直径折射率圓的折射率均相等。
其中， 所述超材料模块包括多个沿片层表面叠加在一起的超材料片层， 各 个超材料片层上形成相同的圓环形折射率分布区。
其中， 各个超材料片层的相应圓环形折射率分布区内的直径相同的折射率 圓的折射率均相同。
其中， 所述超材料模块的至少一侧设有阻抗匹配薄膜， 每一阻抗匹配薄膜 包括多个阻抗匹配层， 每一阻抗匹配层是具有单一折射率的均匀介质， 各个阻 抗匹配层的折射率沿靠近所述超材料模块的方向， 由接近于或等于空气的折射 率逐渐变化至接近于或等于所述超材料模块上最靠近所述阻抗匹配薄膜的超材 料片层的折射率。 ±
其中， 每个阻抗匹配层的折射率 η +"皿) / 2)m , 式中， m表示每一阻 抗匹配薄膜的总层数， i表示阻抗匹配层的序号， 最靠近所述超材料模块的阻抗 匹配层的序号为 m
本发明的基站天线具有以下有益效果： 通过在所述超材料片层上形成多个 具有满足上述公式的折射率的折射率圓， 由折射率圓的折射率呈分段式分布而 在所述超材料片层上形成多个圓环形折射率分布区， 使由振子发射出的电磁波 穿过所述超材料模块时相折射率大的方向偏折， 从而改变了电磁波的传播路径， 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
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案， 下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍， 显而易见地， 下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付 出创造性劳动的前提下， 还可以根据这些附图获得其他的附图。 图 1是本发明基站天线的结构示意图；
图 2是图 1中的天线模块的正面放大图；
图 3是图 1 中的超材料模块的一个超材料片层的截面放大图， 其中建立了 一极坐标系；
图 4是图 3 中的超材料片层在所建立的极坐标系下被分隔为多个圓环形折 射率分布区的正面放大图；
图 5是对应图 4所示的多个圓环形折射率分布区的折射率圓分布示意图； 图 6是对应图 5的折射率圓分布所形成的部分超材料片层的人工微结构的 排布示意图；
图 7是对应图 5的折射率圓分布所形成的部分超材料片层的小孔的排布示 意图；
图 8是对应图 5的折射率圓分布所形成的部分超材料片层的小孔的另一排 布示意图；
图 9是本发明的超材料模块的两侧分别覆盖一阻抗匹配薄膜时的结构示意 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、 32超 材料片层、 222、 322基板、 223、 323 超材料单元、 224人工微结构、 24、 34 圓 环形折射率分布区、 26、 36 同心圓、 324 小孔、 40 阻抗匹配薄膜、 42 阻抗匹 配层 具体实施例
本发明提供一种基站天线， 通过在天线的电磁波发射或接收方向上设置一 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， 电磁波由一种均勾介质传播进入另外一种均勾介质时会发生折 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。 一般超材料包括多个超材料片层， 每一超材料 片层由人工微结构和用于附着人工微结构的基板构成（每个人工微结构及其所 附着的基板部分人为定义为一个超材料单元）， 通过调节人工微结构的拓朴形状 和几何尺寸可改变基板上各点 （也即各个超材料单元， 由于每个超材料单元的 尺寸应小于入射电磁波的波长的五分之一， 优选为十分之一， 一般非常微小， 故每个超材料单元可看作一点， 下同） 的介电常数和磁导率。 因此， 我们可以 利用人工微结构的拓朴形状和 /或几何尺寸来调制基板上各点的介电常数和磁导 率， 从而使基板上各点的折射率以某种规律变化， 得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。 实验证明， 在人工微结构的拓朴形状相 同的情况下， 在单位面积上人工微结构的几何尺寸越大， 基板上各点的介电常 数越大； 反之， 介电常数越小。 也即， 在人工微结构的拓朴形状确定的情况下， 可以通过让基板上各点的人工微结构的几何尺寸的大小满足一定的规律来调制 其介电常数， 当用多个这种人工微结构呈一定规律排布的超材料片层叠加在一 起形成超材料时， 超材料空间各点的折射率也呈这种规律分布， 即可达到改变 电磁波的传播路径的目的。 另外， 我们也可在基板上开设小孔来形成这种折射 率分布规律。
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 每相邻两排振子 16相互交错排列的 4 x 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或接收方向） 叠加而成 的超材料片层 22, 图中所示为 3个超材料片层 22两两相互之间直接前、后表面 相粘接在一起的情形。 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。 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。
根据以上电磁波在介质中传播的原理， 可在所述超材料片层 22上形成多个 同心的圓环形折射率分布区 24,让每一圓环形折射率分布区 24内空间各点的折 射率满足如下规律： 以所述圓环形折射率分布区 24的圓心为圓心形成多个同心 的折射率圓， 同一折射率圓上各点的折射率均相同， 而随着折射率圓的直径的 增大， 各个折射率圓的折射率减小且减小量增大。 对于各个圓环形折射率分布 区 24,直径较大的圓环形折射率分布区 24内的最小直径折射率圓的折射率大于 直径较小的相邻圓环形折射率分布区 24内的最大直径折射率圓的折射率。 以下 介绍一种所述超材料片层 22上的各个圓环形折射率分布区 24内的最小直径折 射率圓和最大直径折射率圓的折射率均分别相等（也即折射率变化范围相同） 的折射率分段分布规律。
我们可以所述超材料片层 22上的其中一点为极点 0、 平行于所述超材料片 层 22的任一条以所述极点 0为端点的射线 Oy为极轴建立极坐标系， 则对于所 述极轴 Oy上的任一点 （y, 0 ), 其折射率应满足如下关系式：
其中， Z为振子 16到所述超材料片层 22表面的距离； λ为电磁波的波长； d 为所述超材料片层 22的厚度， d = ^ - ^ , "皿和 " 分别表示所述超材料片层
^max ^min
22 上的最大折射率和最小折射率； k
Figure imgf000009_0001
, 。r是向下取整函数， 即直接去掉小数部分所剩的最大整数。
我们以所述极坐标系的极点 0为圓心、 以 y为半径作一个圓即在所述超材 料片层 22上形成各点的折射率均相同的折射率圓， 而以不同的 y为半径作圓时 形成多个同心的折射率圓。 由若干折射率圓形成一个所述圓环形折射率分布区 24, 且各个圓环形折射率分布区 24内的最小直径折射率圓的折射率均相等、 最 大直径折射率圓的折射率均相等， 从而在所述超材料片层 22上形成满足前述折 射率分布规律的多个折射率圓。 此时， k即为折射率圓上任一点所在的圓环形折 射率分布区 24的序号
作为示例， 我们以所述超材料片层 22上大致正对所述天线模块 12的中心 的位置作为所述极坐标系的极点 0, 则所述极坐标系在所述超材料片层 22上的 位置如图 3所示； 另外， 我们以所述极坐标系的极点 0为圓心形成多个相隔一 定距离的同心圓， 用以表示折射率圓， 则两两相邻同心圓之间便分隔形成一个 所述圓环形折射率分布区 24, 这样， 所述超材料片层 22上的圓环形折射率分布 区 24的分布即可用图 4表示（图中同心圓用虚线表示）， 图 4中仅为四个相隔 一定距离的同心圓所分隔形成的三个所述圓环形折射率分布区 24, 且由于最小 直径的同心圓的直径为零， 图中用一个点表示。 假如我们将直径变大的三个所 述圓环形折射率分布区 24分别称为第一、 第二和第三圓环形折射率分布区 24, 且第一圓环形折射率分布区 24 内随着折射率圓的直径的增大其折射率分别为 第二圓环形折射率分布区 24内随着折射率圓的直径的 增大其折射率分别为 nmax, n21 , n2m, nmin, 第三圓环形折射率分布区 24内 随着折射率圓的直径的增大其折射率分别为 nmax, n31 , ...,n3n, nmin, 则有如下关 系式：
nmax > nn > ... > nlp > nmin ( 2 )
n > η2ι > ... > n2m > nmin ( 3 )
nmax > n31 > ... > n3n > nmin ( 4 )
式（2 )、 （3 )、 （4 ) 均不能同时取等号， 且 、 m n均为大于 0的自然数。 优选, =m=n„
为了直观地表示图 4中所示的三个所示圓环形折射率分布区 24内的折射率 圓的折射率分布规律， 我们用多个同心圓来表示折射率圓， 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， 则所述超材料片层 22上 的各个折射率圓的折射率变化规律如图 5所示。
对于多个所述超材料片层 22, 我们让其沿垂直于片层表面的方向叠加在一 起， 且各个超材料片层 22上形成相同的圓环形折射率分布区 24, 而各个超材料 片层 22上的相应圓环形折射率分布区 24内的直径相同的折射率圓的折射率均 相同， 从而形成所述超材料模块 20 折射率分布满足式 ( 1 )。 请参考图 6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朴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。 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的尺寸应小于所要响应的电磁波的波长的五分 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。可见， 每个超材料片层 22可看作是由多个超材料单元 223阵列排布而成的。 由于所述 超材料单元 223 非常微小， 可以近似看作一个点， 因此， 圓便可看作是由无数 个所述超材料单元 223沿圓周排制而成的。 这样， 我们可以所述超材料片层 22 的任一超材料单元 223为圓心形成多个同心圓 26, 如图中虚线所示， 从而使所 述超材料片层 22的各个超材料单元 223分别位于这些同心圓 26上， 由位于若 干同心圓 26的超材料单元 223形成一个所述圓环形折射率分布区 24;让具有相 同拓朴形状的所述人工微结构 224附着在所述超材料片层 22的各个超材料单元 223上，并让大致位于每个圓环形折射率分布区 24内的同一同心圓 26的各个超 材料单元 223上排布的所述人工微结构 224的几何尺寸均相同， 位于各个同心 圓 26的超材料单元 223上排布的所述人工微结构 224的几何尺寸沿远离所述极 点 0的方向减小， 而各个圓环形折射率分布区 24内位于最小直径同心圓 26的 各个超材料单元 223上排布的所述人工微结构 224的几何尺寸均相等、 位于最 大直径同心圓 26的各个超材料单元 223上排布的所述人工微结构 224的几何尺 寸均相等。 由于大致位于不同直径同心圓 26的各个超材料单元 223上的所述人 工微结构 224与基板 222的相应部分一起表征了不同的介电常数和磁导率， 且 随着所述超材料单元 223所在的同心圓 26的直径增大， 所述超材料单元 223的 介电常数减小。 如此， 即在所述超材料片层 22上形成多个同心的折射率圓， 且 在每个圓环形折射率分布区 24内， 这些同心的折射率圓的折射率不断减小， 各 个圓环形折射率分布区 24内的最小直径折射率圓的折射率均相等、 最大直径折 射率圓的折射率均相等， 形成随着折射率圓的直径的增大， 其折射率呈分段式 或不连续分布的规律。 图 6所示仅为所述人工微结构 224在部分所述超材料片 层 22的各个超材料单元 223上的一个排布示意图， 其中， 同心圓 26的圓心为 位于图中所示超材料片层 22的中心的超材料单元 223 , 所述人工微结构 224是 呈雪花状的平面金属微结构且在每个圓环形折射率分布区 24 内随着同心圓 26 的直径的增大是等比例缩小的。 事实上， 所述人工微结构 224 的排布方式还有 多种， 且可让构成所述人工微结构 224 的线条的宽度相等， 这样可简化制造工 艺
另外， 我们也可在所述超材料片层 22的基板 222上通过开设小孔来形成满 足式 ( 1 ) 的折射率分布规律。 如图 6所示， 所述超材料片层 32 包括基板 322 和形成在所述基板 322上的多个小孔 324。所述小孔 324可根据所述基板 322的 材质不同对应采用合适的工艺形成于所述基板 322上。 例如当所述基板 322由 高分子聚合物制成时， 可通过钻床钻孔、 冲压成型或者注塑成型等工艺在所述 基板 322上形成所述小孔 324,而当所述基板 322由陶瓷材料制成时则可通过钻 床钻孔、 冲压成型或者高温烧结等工艺在所述基板 322上形成所述小孔 324。 我 们亦将每个小孔 324及其所在的基板 322部分人为定义为一个超材料单元 323 , 且每个超材料单元 323 的尺寸应小于入射电磁波的波长的五分之一。 这样， 所 述超材料片层 32亦可看作是由多个超材料单元 323阵列排布而成的。
由实验可知， 当所述小孔 324内填充的介质是空气时， 所述小孔 324 占整 个超材料单元 323的体积越大， 所述超材料单元 323的折射率越小。 这样， 同 上， 由于圓可看作是由无数个所述超材料单元 323 沿圓周排制而成的， 我们可 以所述超材料片层 32的任一超材料单元 323为圓心形成多个同心圓 36,如图中 虚线所示， 从而使所述超材料片层 32的各个超材料单元 323分别位于这些同心 圓 36上， 由位于若干同心圓 36的超材料单元 323形成一个所述圓环形折射率 分布区 34; 在每个超材料单元 323上形成一个所述小孔 324, 让大致位于每个 圓环形折射率分布区 34内的同一同心圓 36的各个超材料单元 323上形成的所 述小孔 324的深度和直径均相同 (即体积相同）， 位于各个同心圓 36的超材料 单元 323上形成的所述小孔 324的直径沿远离所述极点 0的方向增大， 而深度 不变。 以便在所述超材料片层 32上形成多个同心的折射率圓， 且在每个圓环形 折射率分布区 34内， 这些同心的折射率圓的折射率不断减小， 各个圓环形折射 率分布区 34内的最小直径折射率圓的折射率均相等、 最大直径折射率圓的折射 率均相等， 形成随着折射率圓的直径的增大， 其折射率呈分段式或不连续分布 的规律。 图 7所示仅为所述小孔 324在部分所述超材料片层 32的各个超材料单 元 323上的一个排布示意图， 其中， 同心圓 36的圓心为位于图中所示超材料片 层 32的中心的超材料单元 323。
同理， 我们也可让具有相同直径的所述小孔 324排布于这些同心圓 36上， 在每个圓环形折射率分布区 34内随着同心圓的直径的增大， 通过调整所述小孔 324的深度来形成满足式（1 ) 的折射率分布规律， 从而形成多个折射率变化范 围相同的圓环形折射率分布区 34。 而且， 所述小孔 324 占整个超材料单元 323 的体积不仅可通过在所述超材料单元 323 上形成一个几何尺寸不同的所述小孔 324来实现，还可通过在所述超材料单元 323上形成数量不等而几何尺寸相同或 不相同的所述小孔 324来实现， 如图 8所示。
形成所述超材料模块 20时， 让各个所述超材料片层 22沿片层表面叠加在 一起， 并让位于相同直径的同心圓的超材料单元 223 上排布几何尺寸相同的所 述人工微结构 244, 或者让各个所述超材料片层 32沿片层表面叠加在一起， 并 让位于相同直径的同心圓的超材料单元 323上形成占整个超材料单元 323的体 积相同的一个或多个所述小孔 324, 使各个所述超材料片层 22上的直径相同的 折射率圓的折射率均相同。
由上可知， 通过在所述超材料模块 20的各个超材料片层 22或 32上设置具 有一定拓朴形状及 /或几何尺寸的人工微结构 224或小孔 324并让其按照一定的 规律排布， 即可得以调制各个超材料单元 22或 32的介电常数和磁导率， 从而 在各个超材料片层 22或 32上形成满足式（1 ) 的折射率分布规律， 也即形成多 个折射率随折射率圓的直径的增大而减小且折射率变化范围相同的圓环形折射 率分布区 24或 34,使电磁波向特定的方向偏折， 即可减小基站天线的半功率带 宽变小， 提高其方向性和增益， 让电磁波传播的更远。
此外， 由于空气与所述超材料模块 20的折射率不同， 电磁波入射和出射所 述超材料模块 20时还会发生发射， 这时， 我们通常在所述超材料模块 20两侧 设置阻抗匹配薄膜来减少电磁波反射。 如图 9所示， 所述超材料模块 20两侧分 别形成一阻抗匹配薄膜 40,每一阻抗匹配薄膜 40包括多个压制在一起的阻抗匹 配层 42, 每一阻抗匹配层 42是均匀介质， 具有单一的折射率， 各个阻抗匹配层 42具有不同的折射率， 其折射率沿靠近所述超材料模块 20的方向， 由接近于或 等于空气的折射率逐渐变化至接近于或等于所述超材料模块 20的最靠近所述阻 抗匹配薄膜 40的超材料片层 22或 32的折射率。 各个阻抗匹配层 42的折射率 均满足以下公式：
11 /2 ( 5 ) 式中， m表示所述超材料模块 20—侧的阻抗匹配薄膜 40的总层数， i表示 阻抗匹配层 42的序号，最靠近所述超材料模块 20的阻抗匹配层 42的序号为 m。 从式 ( 5 )可知， 每一阻抗匹配层 42的总层数 m与所述超材料模块 20的超材料 片层 22或 32的最大折射率 "皿与最小折射率" 有直接关系； 当 i=l时，式（5 ) 表示与空气接触的阻抗匹配层 42 的折射率， 其应接近于或等于空气的折射率， 可见， 只要"皿与" mm确定， 就可以确定每一阻抗匹配层 42的总层数111。
各个所述阻抗匹配层 42的结构类似于所述超材料片层 22或 32, 分别包括 基板和附着在所述基板上的人工微结构或者是形成于所述基板上的小孔， 通过 调制人工微结构或小孔的几何尺寸和 /拓朴形状来使各个阻抗匹配层 42 的折射 率达到所需的要求，从而实现从空气到所述超材料片层 22或 32的匹配。 当然， 所述阻抗匹配薄膜 40可以是由自然界中存在的多个具有单一折射率的材料制成 的。
所述超材料模块 20的两侧分别设置所述阻抗匹配薄膜 40时， 式（1 ) 中的 I为振子 16到与其最靠近的阻抗匹配薄膜 40表面的距离。
式（ 1 )的折射率分布规律还可通过所述人工微结构 224或小孔 324的拓朴 形状或拓朴形状结合几何尺寸来实现， 且所述小孔 324 内也可填充折射率各不 相同的介质来改变各个超材料单元 323的折射率。
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

权 利 要 求
1. 一种基站天线， 其特征在于， 包括具有多个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， 以每个超 材料片层上的其中一点为圓心形成多个折射率圓， 若干同心的折射率圓形成一 个圓环形折射率分布区； 以折射率圓的圓心为极点 0、 平行于所述超材料片层 的任一条以所述极点 0为端点的射线 Oy为极轴建立极坐标系， 则所述超材料 片层上任一半径为 y的折射率圓的折射率 n(y)为：
式中， Z为振子到所述超材料片层的距离； λ为电磁波的波长； d为所述超 材料片层的厚度， d = ^ - ^， "皿和 "皿分别表示所述超材料片层上的最大折
^max ^min
射率和最小折射率； k=floofiH λZ L k表示折射率圓上任一点所在的圓环 形折射率分布区的序号， 是向下取整函数。
2. 根据权利要求 1所述的基站天线， 其特征在于， 每个超材料片层由多个 超材料单元排列而成，以所述极点 0所在的超材料单元为圓心形成多个同心圓， 让所述超材料片层的各个超材料单元分别位于这些同心圓上， 由位于若干同心 圓的超材料单元形成一个所述圓环形折射率分布区； 每个超材料片层的各个超 材料单元上附着有拓朴形状相同的人工微结构， 位于每个圓环形折射率分布区 内的同一同心圓的各个超材料单元上排布的所述人工微结构的几何尺寸均相同， 位于各个同心圓的超材料单元上排布的所述人工微结构的几何尺寸沿远离所述 极点的方向减小， 而各个圓环形折射率分布区内位于最小直径同心圓的各个超 材料单元上排布的所述人工微结构的几何尺寸均相等、 位于最大直径同心圓的 各个超材料单元上排布的所述人工微结构的几何尺寸均相等。
3. 根据权利要求 2所述的基站天线， 其特征在于， 所述超材料单元的几何 尺寸小于入射电磁波的波长的五分之一。
4. 根据权利要求 3所述的基站天线， 其特征在于， 所述超材料单元的几何 尺寸等于入射电磁波的波长的十分之一。
5. 根据权利要求 2所述的基站天线， 其特征在于， 所述人工微结构为金属 线构成的具有一定拓朴形状的平面或立体结构。
6. 根据权利要求 2所述的基站天线， 其特征在于， 所述人工微结构为铜线 制成。
7. 根据权利要求 2所述的基站天线， 其特征在于， 所述人工微结构为银线 制成。
8. 根据权利要求 2所述的基站天线， 其特征在于， 所述人工微结构通过蚀 刻、 电镀、 钻刻、 光刻、 电子刻和离子刻中的任意一种工艺制成。
9. 根据权利要求 2所述的基站天线， 其特征在于， 所述人工微结构呈雪花 状。
10. 根据权利要求 2所述的基站天线， 其特征在于， 所述人工微结构是呈雪 花状的平面金属微结构。
11. 根据权利要求 2所述的基站天线， 其特征在于， 每个圓环形折射率分布 区， 位于各个同心圓的超材料单元上排布的所述人工微结构的几何尺寸沿远离 所述极点的方向等比例减小。
12. 根据权利要求 1所述的基站天线， 其特征在于， 每个超材料片层由多个 超材料单元排列而成，以所述极点 0所在的超材料单元为圓心形成多个同心圓， 让所述超材料片层的各个超材料单元分别位于这些同心圓上， 由位于若干同心 圓的超材料单元形成一个所述圓环形折射率分布区； 每个超材料片层的各个超 材料单元上均形成有深度相同的圓形小孔， 位于每个圓环形折射率分布区内的 同一同心圓的各个超材料单元上形成的所述小孔的直径均相同， 位于各个同心 圓的超材料单元上形成的所述小孔的直径沿远离所述极点的方向增大， 而各个 圓环形折射率分布区内位于最小直径同心圓的各个超材料单元上形成的所述小 孔的直径均相等、 位于最大直径同心圓的各个超材料单元上形成的所述小孔的 直径均相等。
13. 根据权利要求 1所述的基站天线， 其特征在于， 每个超材料片层由多个 超材料单元排列而成，以所述极点 0所在的超材料单元为圓心形成多个同心圓， 让所述超材料片层的各个超材料单元分别位于这些同心圓上， 由位于若干同心 圓的超材料单元形成一个所述圓环形折射率分布区； 每个超材料片层的各个超 材料单元上均形成有深度相同的圓形小孔， 位于每个圓环形折射率分布区内的 同一同心圓的各个超材料单元上形成的所述小孔的直径均相同， 位于各个同心 圓的超材料单元上形成的所述小孔的直径沿远离所述极点的方向增大， 而各个 圓环形折射率分布区内位于最小直径同心圓的各个超材料单元上形成的所述小 孔的直径均相等、 位于最大直径同心圓的各个超材料单元上形成的所述小孔的 直径均相等。
14、 根据权利要求 1所述的基站天线， 其特征在于， 每个超材料片层由多个 超材料单元排列而成，以所述极点 0所在的超材料单元为圓心形成多个同心圓， 让所述超材料片层的各个超材料单元分别位于这些同心圓上， 由位于若干同心 圓的超材料单元形成一个所述圓环形折射率分布区； 每个超材料片层的各个超 材料单元上均形成有直径相同的圓形小孔， 位于每个圓环形折射率分布区内的 同一同心圓的各个超材料单元上形成的所述小孔的深度均相同， 位于各个同心 圓的超材料单元上形成的所述小孔的深度沿远离所述极点的方向增大， 而各个 圓环形折射率分布区内位于最小直径同心圓的各个超材料单元上形成的所述小 孔的直径均相等、 位于最大直径同心圓的各个超材料单元上形成的所述小孔的 直径均相等。
15、 根据权利要求 1所述的基站天线， 其特征在于， 每个超材料片层由多个 超材料单元排列而成，以所述极点 0所在的超材料单元为圓心形成多个同心圓， 让所述超材料片层的各个超材料单元分别位于这些同心圓上， 由位于若干同心 圓的超材料单元形成一个所述圓环形折射率分布区； 每个超材料片层的各个超 材料单元上均形成有数量不等的直径和深度均相同的圓形小孔， 位于每个圓环 形折射率分布区内的同一同心圓的各个超材料单元上形成的所述小孔的数量均 相同， 位于各个同心圓的超材料单元上形成的所述小孔的数量沿远离所述极点 的方向增多， 而各个圓环形折射率分布区内位于最小直径同心圓的各个超材料 单元上形成的所述小孔的数量均相等、 位于最大直径同心圓的各个超材料单元 上形成的所述小孔的数量均相等。
16、 根据权利要求 1 所述的基站天线， 其特征在于， 每个超材料片层的各 个圓环形折射率分布区内的最小直径折射率圓的折射率均相等、 最大直径折射 率圓的折射率均相等。
17、 根据权利要求 1 所述的基站天线， 其特征在于， 所述超材料模块包括 多个沿片层表面叠加在一起的超材料片层， 各个超材料片层上形成相同的圓环 形折射率分布区。
18、 根据权利要求 17所述的基站天线， 其特征在于， 各个超材料片层的相 应圓环形折射率分布区内的直径相同的折射率圓的折射率均相同。
19、 根据权利要求 1 所述的基站天线， 其特征在于， 所述超材料模块的至 少一侧设有阻抗匹配薄膜， 每一阻抗匹配薄膜包括多个阻抗匹配层， 每一阻抗 匹配层是具有单一折射率的均匀介质 , 各个阻抗匹配层的折射率沿靠近所述超 材料模块的方向， 由接近于或等于空气的折射率逐渐变化至接近于或等于所述 超材料模块上最靠近所述阻抗匹配薄膜的超材料片层的折射率。
20、 根据权利要求 19所述的基站天线， 其特征在于， 每个阻抗匹配层的折 射率！^^ ^ +^^)/?^ , 式中， m表示每一阻抗匹配薄膜的总层数， i表示阻 抗匹配层的序号， 最靠近所述超材料模块的阻抗匹配层的序号为 m
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2537190A (en) * 2015-04-10 2016-10-12 Samsung Electronics Co Ltd Interference reporting

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103185840B (zh) * 2011-12-27 2015-08-19 深圳光启高等理工研究院 一种人工电磁材料试验点的选取方法及装置
CN102760959B (zh) * 2012-06-29 2015-04-15 深圳光启创新技术有限公司 一种超材料隐身装置
CN102769207B (zh) * 2012-06-29 2014-12-24 深圳光启创新技术有限公司 一种超材料隐身装置
CN102769206B (zh) * 2012-06-29 2015-03-11 深圳光启创新技术有限公司 一种喇叭透镜天线
CN109802207B (zh) * 2019-02-26 2024-05-10 中国电子科技集团公司第十六研究所 一种低回波损耗的微波窗口

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1523708A (zh) * 2002-06-06 2004-08-25 冲电气工业株式会社 隙缝阵天线
US20050200540A1 (en) * 2004-03-10 2005-09-15 Isaacs Eric D. Media with controllable refractive properties
CN101404355A (zh) * 2008-10-31 2009-04-08 浙江大学 利用环状金属对单元结构天线罩的高指向天线
CN101527394A (zh) * 2009-03-30 2009-09-09 杭州师范大学 基于开槽的交叉金属条人工介质结构的高指向天线

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101699659B (zh) * 2009-11-04 2013-01-02 东南大学 一种透镜天线
CN101867094A (zh) * 2010-05-02 2010-10-20 兰州大学 一种聚焦平板天线

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1523708A (zh) * 2002-06-06 2004-08-25 冲电气工业株式会社 隙缝阵天线
US20050200540A1 (en) * 2004-03-10 2005-09-15 Isaacs Eric D. Media with controllable refractive properties
CN101404355A (zh) * 2008-10-31 2009-04-08 浙江大学 利用环状金属对单元结构天线罩的高指向天线
CN101527394A (zh) * 2009-03-30 2009-09-09 杭州师范大学 基于开槽的交叉金属条人工介质结构的高指向天线

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2537190A (en) * 2015-04-10 2016-10-12 Samsung Electronics Co Ltd Interference reporting
GB2537190B (en) * 2015-04-10 2017-10-11 Samsung Electronics Co Ltd Interference reporting
US11153773B2 (en) 2015-04-10 2021-10-19 Samsung Electronics Co., Ltd. Interference reporting

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