專利名稱：基站天線的制作方法
技術領域：
本發明涉及電磁通信領域，更具體地說，涉及一種基站天線。
背景技術：
基站天線是保證移動通信終端實現無線接入的重要設備。隨著移動通信網絡的發展，基站的分布越來越密集，對基站天線的方向性提出了更高的要求，以避免相互干擾，讓電磁波傳播的更遠。一般，我們用半功率角來表示基站天線的方向性。功率方向圖中，在包含主瓣最大輻射方向的某一平面內，把相對最大輻射方向功率通量密度下降到一半處(或小于最大值3dB)的兩點之間的夾角稱為半功率角。場強方向圖中，在包含主瓣最大輻射方向的某一平面內，把相對最大輻射方向場強下降到O. 707倍處的夾角也稱為半功率角。半功率角亦稱 半功率帶寬(以下用此用語)。半功率帶寬包括水平面半功率帶寬和垂直面半功率帶寬。而基站天線的電磁波的傳播距離是由垂直面半功率帶寬決定的。垂直面半功率帶寬越小，基站天線的增益越大，電磁波的傳播距離就越遠，反之，基站天線的增益就越小，電磁波的傳播距離也就越近。
發明內容
本發明要解決的技術問題在于，提供一種半功率帶寬小、方向性好的基站天線。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是一種基站天線，包括具有多個呈陣列排布的振子的天線模塊及對應這些振子設置的超材料模塊，所述超材料模塊包括至少一個超材料片層，每個超材料片層正對每一振子的區域形成一折射率分布區，每個折射率分布區內以正對相應振子的中心的位置為圓心形成多個折射率圓，以所述超材料片層的正對相應振子的中心的位置為原點，以垂直于所述超材料片層的直線為X軸、平行于所述超材料片層的直線為I軸建立直角坐標系，則每一折射率圓上各點的折射率如下式n(y)=mod((φ-y2 -mod(l,λ/η0)),λ/η0)χη0/(1式中，mod為求余函數，λ為入射電磁波的波長，d為每個超材料片層的厚度，Iitl為任何正數。優選地，每個超材料片層上對應每一振子的折射率分布區內形成多個圓環區域，每個超材料片層包括拓撲形狀相同的人工微結構，每個超材料片層的每一圓環區域內以正對相應振子的中心的位置為圓心形成多個同心圓，所述人工微結構排布于所述同心圓上，排布于同一同心圓各點的人工微結構的幾何尺寸均相同，隨著同心圓的半徑的增大，排布于其上各點的人工微結構的幾何尺寸減小，而各個圓環區域內最小半徑同心圓上的人工微結構的幾何尺寸介于半徑更小的相鄰圓環區域內最小半徑與最大半徑同心圓上的人工微結構的幾何尺寸之間。優選地，所述超材料模塊包括多個沿X軸疊加的超材料片層，各個超材料片層上對應同一振子形成相同的折射率分布區。
優選地，各個超材料片層上對應同一振子的折射率分布區內形成相同的圓環區域。優選地，各個超材料片層上對應同一振子的相應圓環區域內的半徑相同的折射率圓的折射率均相同。優選地，各個超材料片層上的對應同一振子的多個圓環區域內的半徑相同的同心圓上，排布的人工微結構的幾何尺寸均相同。優選地，每兩相鄰超材料片層之間直接前、后表面相粘接在一起。優選地,所述人工微結構由金屬線構成。優選地，所述人工微結構的拓撲形狀是平面結構。
優選地，所述天線模塊的振子以每相鄰兩排相互交錯排列的方式排布。本發明的基站天線具有以下有益效果通過在所述超材料片層上形成多個具有滿足上述公式的折射率的折射率圓，以便由振子發射出的電磁波穿過所述超材料模塊時控制電磁波的傳播路徑，減小了基站天線的半功率帶寬，提高了其方向性和增益，讓電磁波傳播的更遠。
下面將結合附圖及具體實施方式
對本發明作進一步說明。圖I是本發明的基站天線的結構示意圖；圖2是圖I中的天線模塊的正面放大圖；圖3是圖I中的超材料模塊的一個超材料片層的正面放大圖；圖4是圖3中對應一個振子的超材料片層被分割為多個圓環區域的正面放大圖；圖5是對應圖4所示的多個圓環區域的一個折射率圓分布示意圖；圖6是一個超材料片層上對應一個振子的折射率分布區的截面放大圖；圖7是對應一個振子的折射率分布規律的人工微結構的排布示意圖；圖8是本發明對應一個振子的超材料片模塊對電磁波的匯聚示意圖。圖中各標號對應的名稱為10基站天線、12天線模塊、14底板、16振子、20超材料模塊、22超材料片層、222基板、223超材料單元、224人工微結構、24圓環區域、26折射率分布區
具體實施例方式本發明提供一種基站天線，通過在天線的電磁波發射方向上設置一超材料模塊來使半功率帶寬變小，以提高其方向性和增益。我們知道，電磁波由一種均勻介質傳播進入另外一種均勻介質時會發生折射，這是由于兩種介質的折射率不同而導致的。而對于非均勻介質來說，電磁波在介質內部也會發生折射且向折射率比較大的位置偏折。而折射率等于#。超材料是一種以人工微結構為基本單元并以特定方式進行空間排布、具有特殊電磁響應的人工復合材料，人們常利用人工微結構的拓撲形狀和幾何尺寸來改變空間中各點的介電常數和磁導率，可見，我們可以利用人工微結構的拓撲形狀和/或幾何尺寸來調制空間各點的介電常數和磁導率，從而使空間各點的折射率以某種規律變化，以控制電磁波的傳播，并應用于具有特殊電磁響應需求的場合。且實驗證明，在人工微結構的拓撲形狀相同的情況下，在單位體積上人工微結構的幾何尺寸越大，超材料空間各點的介電常數越大；反之，介電常數越小。也即，在人工微結構的拓撲形狀確定的情況下，可以通過讓超材料空間各點的人工微結構的幾何尺寸的大小滿足一定的規律來調制介電常數，以對超材料空間各點的折射率進行排制而達到改變電磁波的傳播路徑的目的。如圖I和圖2所示，所述基站天線10包括天線模塊12和超材料模塊20，所述天線模塊12包括底板14及陣列排布于所述底板14的振子16。圖中所示為每相鄰兩排振子16相互交錯排列的4X9陣列，在其他的實施例中，可以為任何數量的振子16以任意方式排列，如矩陣排布。所述超材料模塊20包括多個沿垂直于片層表面的方向(也即基站天線的電磁波發射方向)疊加而成的超材料片層22，圖中所示為3個超材料片層22兩兩相互之間直接前、后表面相粘接在一起的情形。具體實施時，所述超材料片層22的數目可依據需求來增減，各個超材料片層22也可等間距地排列組裝在一起，并可在所述超材料模塊20兩側設置阻抗匹配層，以減少電磁波反射。由于每個超材料片層22的折射率分布規律均相同，故在下面僅選取一個超材料片層22作為示例進行說明。
如圖3所示，每個超材料片層22包括基板222和附著在所述基板222上的多個人工微結構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。所述人工微結構224通常為金屬線如銅線或者銀線構成的具有一定拓撲形狀的平面或立體結構，并通過一定的加工工藝附著在所述基板222上，例如蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻、離子刻等。由于所述人工微結構224過于微小，在圖3中將其近似畫作一個點。一般，從每一振子16發射出的電磁波可近似看作為球面波，而要遠距離傳播，需要將其轉變為平面波。也就是說，所述超材料模塊20要將球面波形式的電磁波匯聚并轉變為平面波形式的電磁波。故，如圖4所示，在所述超材料片層22上以正對每一振子16的中心的位置為圓心形成多個同心的圓環區域24，讓每一圓環區域24內空間各點的折射率分布滿足如下規律以正對每一振子16的中心的位置為圓心形成多個同心的折射率圓，同一折射率圓上各點的折射率相同，而隨著折射率圓的半徑的增大，各個折射率圓的折射率減小且減小量增大，且各個圓環區域24內最小半徑折射率圓的折射率大于半徑更小的相鄰圓環區域24內最大半徑的折射率圓的折射率。如此，在所述超材料片層22上對應每一振子16由這些圓環區域24形成一折射率分布區26，如圖3中由虛線分隔形成的區域。作為示例，圖4用虛線畫出四個同心圓，其中兩兩相鄰同心圓之間共形成三個所述圓環區域24。由于最靠近所述超材料片層22正對振子16的中心的位置處的同心圓的半徑為零，圖中用一個點表示。假如我們將距離相應振子16的中心越來越遠的三個圓環區域24分別稱為第一、第二和第三圓環區域24，且第一圓環區域24內隨著折射率圓的半徑的增大其折射率分別為ηη，η12，…，η1ρ，第二圓環區域24內隨著折射率圓的半徑的增大其折射率分別為η21，η22,…，η2ρ，第三圓環區域24內隨著折射率圓的半徑的增大其折射率分別為η31,η32,…，η3ρ,則有如下關系式Ii11Sn12^HSnlp (I)n21 彡 η22 彡…彡 n2p (2)n31 ^ n32 > …> n3p (3)n21 > nlp(4)
n31 > n2p(5)其中p為大于0的自然數，式(I)、(2)、(3)均不能同時取等號。為了直觀地表示所述超材料片層22的對應一個振子16的多個圓環區域24的折射率分布規律，我們以正對振子16的中心的位置為圓心畫出多個同心圓來表不折射率圓，用線的疏密表示折射率的大小，線越密折射率越大，線越疏折射率越小，則對應一個振子16的多個圓環區域24的折射率分布規律如圖5所示。當然，我們也可讓各個超材料片層22上對應同一振子16形成相同的圓環區域24及折射率分布區26，且各個超材料片層22上的相應圓環區域24內的半徑相同的折射率圓的折射率均相同。
由超材料改變電磁波傳播路徑的原理可知，我們可讓每個超材料片層22的基板222上的人工微結構224是具有相同拓撲形狀的平面結構并排布于以正對每一振子16的中心的位置為圓心的多個同心圓上，排布于同一同心圓上各點的人工微結構224的幾何尺寸相同，而隨著同心圓的半徑的增大，排布于其上各點的人工微結構224的幾何尺寸減小，并由若干同心圓形成一個圓環區域24,各個圓環區域24內最小半徑同心圓上的人工微結構224的幾何尺寸大于半徑更小的相鄰圓環區域24內最大半徑同心圓上的人工微結構224的幾何尺寸。從而在每個超材料片層22上形成對應每一振子16的多個折射率圓，且這些折射率圓的折射率呈現分段或不連續分布，以便形成多個折射率分布不同的圓環區域24，但半徑更大的圓環區域24內的最小半徑同心圓的折射率大于半徑更小的相鄰圓環區域24內的最大半徑同心圓的折射率。下面我們給出一種讓各個超材料片層22上的各個折射率分布區26內的折射率圓的折射率滿足前述分布規律的公式。如圖6所不,為一個超材料片層22上對應一個振子16的折射率分布區26的截面放大圖。我們以所述超材料片層22的中心為原點，以垂直于所述超材料片層22的直線為X軸、平行于所述超材料片層22的直線為y軸建立直角坐標系，則對于所述超材料片層22上的I點，其折射率有如下關系式n(y)=mod((^jl-y2 -mod(l,λ/ηο)),λ/ηο)χηο/(1(6)式中，mod為求余函數，對于整數來說，兩個同號整數求余與兩個正數求余完全相同；兩個異號整數求余時，先將兩個整數看作是正數，再作除法運算①能整除時，其值為0，②不能整除時，其值=除數X (整商+1)-被除數，其值的符號為除數的符號。對于兩個小數來說，其值為被除數-(整商X除數)之后在第一位小數位進行四舍五入，其值的符號同整數的符號規律。λ為入射電磁波的波長。d為所述超材料片層22的厚度。此外，盡管nQ源自所述普通凸透鏡30，但在式(6)、(7)中已無實際意義，可以為任何正數。而各個超材料片層22沿X軸疊加在一起，并且各個超材料片層22上對應同一振子16形成相同的折射率分布區26，各個超材料片層22上對應同一振子16的半徑相同的折射率圓的折射率均相同。具體對于每個超材料片層22上的人工微結構224的排布來說，由于一般，我們將每個人工微結構224及其所附著的基板222部分人為定義為一個超材料單元223，且每個超材料單兀223的尺寸應小于所需響應的電磁波波長的五分之一,優選為十分之一，以使所述超材料片層22對電磁波產生連續響應。這樣，所述超材料片層22便可看作是由多個超材料單元223陣列排布而成的。我們知道，所述超材料單元223的尺寸一般都很微小，可以近似看作一個點，這樣，圓便可以看作是由多個超材料單元223沿圓周堆疊而成的，因此，我們可以將所述人工微結構224陣列排布于所述基板222上近似看作是所述人工微結構224排布于折射率圓上。可見，我們可以在所述基板222上正對振子16的位置劃分出一個區域，并在每一區域內以正對相應振子16的中心的位置為圓心形成多個圓環區域24，而將這些超材料單元223分隔在這些圓環區域24內。讓位于每個圓環區域24內的超材料單元223隨著距離所述正對振子16的中心的超材料單元223越遠，超材料單元223上依次設置幾何尺寸減小的具有相同平面拓撲形狀的人工微結構224，距離所述正對振子16的中心的超材料單元223相同遠近處的超材料單元223上設置幾何尺寸相同的人工微結構224，且各個圓環區域24內最靠近所述振子16的中心的超材料單元223上設置的人造微結構224的幾何尺寸大于半徑更小的相鄰圓環區域24內距離所述振子16的中心最遠的超材料單元223上設置的人造微結構224的幾何尺寸，從而使各個圓環區域24之間的折射率圓的折射率呈分段或不連續分布，如圖7所示即為對應一個振子16的人工微結構224的一個排布示意圖，且所述人造微結構224是等比例縮小的。事實上，所述人工微結構224的排布方式還 有很多種，且我們可讓構成所述人造微結構224的金屬線的寬度相等，這樣可簡化制造工藝。如圖8所示，為球面波形式的電磁波穿過本發明對應一個振子16的超材料模塊20時各個超材料片層22對其進行匯聚并轉變為平面波形式的電磁波射出的示意圖。可見，通過讓所述超材料模塊20上具有一定拓撲形狀及/或幾何尺寸的人工微結構按照一定的排布規律設置在各個超材料片層22上，得以調制各個超材料單元223的介電常數和磁導率，進而在超材料片層22上形成多個具有折射率分布不連續的折射率圓的圓環區域24，使電磁波向特定的方向偏折，從而讓球面波形式的電磁波匯聚并轉變為平面波形式的電磁波，減小了基站天線的半功率帶寬變小，提高了其方向性和增益，讓電磁波傳播的更遠。以上所述僅是本發明的多個具體實施方式
和/或實施例，不應當構成對本發明的限制。對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明基本思想的前提下，還可以做出多個改進和潤飾，而這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。比如，上述折射率分布規律及其變化量關系還可通過人工微結構的拓撲形狀或拓撲形狀結合幾何尺寸來實現。
權利要求
1.一種基站天線，其特征在于，包括具有多個呈陣列排布的振子的天線模塊及對應這些振子設置的超材料模塊，所述超材料模塊包括至少一個超材料片層，每個超材料片層正對每一振子的區域形成一折射率分布區，每個折射率分布區內以正對相應振子的中心的位置為圓心形成多個折射率圓，以所述超材料片層的正對相應振子的中心的位置為原點，以垂直于所述超材料片層的直線為X軸、平行于所述超材料片層的直線為I軸建立直角坐標系，則每一折射率圓上各點的折射率如下式n(y)=mod((φ-y2 -mod(l,λ/ηο)),λ/ηο)χη0/(1 式中，mod為求余函數，λ為入射電磁波的波長，d為每個超材料片層的厚度，Iitl為任何正數。
2.根據權利要求I所述的基站天線，其特征在于，每個超材料片層上對應每一振子的折射率分布區內形成多個圓環區域，每個超材料片層包括拓撲形狀相同的人工微結構，每個超材料片層的每一圓環區域內以正對相應振子的中心的位置為圓心形成多個同心圓，所述人工微結構排布于所述同心圓上，排布于同一同心圓各點的人工微結構的幾何尺寸均相同，隨著同心圓的半徑的增大，排布于其上各點的人工微結構的幾何尺寸減小，而各個圓環區域內最小半徑同心圓上的人工微結構的幾何尺寸大于半徑更小的相鄰圓環區域內最大半徑同心圓上的人工微結構的幾何尺寸。
3.根據權利要求2所述的基站天線，其特征在于，所述超材料模塊包括多個沿X軸疊加的超材料片層，各個超材料片層上對應同一振子形成相同的折射率分布區。
4.根據權利要求3所述的基站天線，其特征在于，各個超材料片層上對應同一振子的折射率分布區內形成相同的圓環區域。
5.根據權利要求4所述的基站天線，其特征在于，各個超材料片層上對應同一振子的相應圓環區域內的半徑相同的折射率圓的折射率均相同。
6.根據權利要求5所述的基站天線，其特征在于，各個超材料片層上的對應同一振子的多個圓環區域內的半徑相同的同心圓上，排布的人工微結構的幾何尺寸均相同。
7.根據權利要求3所述的基站天線，其特征在于，每兩相鄰超材料片層之間直接前、后表面相粘接在一起。
8.根據權利要求2所述的基站天線，其特征在于，所述人工微結構由金屬線構成。
9.根據權利要求2所述的基站天線，其特征在于，所述人工微結構的拓撲形狀是平面結構。
10.根據權利要求I所述的基站天線，其特征在于，所述天線模塊的振子以每相鄰兩排相互交錯排列的方式排布。
全文摘要
本發明涉及一種基站天線，包括具有多個呈陣列排布的振子的天線模塊及對應這些振子設置的超材料模塊，所述超材料模塊包括多個超材料片層，每個超材料片層正對每一振子的區域形成一折射率分布區，每個折射率分布區內以正對相應振子的中心的位置為圓心形成多個折射率圓，以所述超材料片層的正對相應振子的中心的位置為原點，以垂直于所述超材料片層的直線為x軸、平行于所述超材料片層的直線為y軸建立坐標系，則每一折射率圓上各點的折射率如下式式中，mod為求余函數，λ為入射電磁波的波長，d為每個超材料片層的厚度，n0為任何正數，即可使由振子發射出的電磁波穿過所述超材料模塊時控制電磁波的傳播路徑，提高了基站天線的方向性和增益。
文檔編號H01Q15/00GK102891371SQ20111021559
公開日2013年1月23日 申請日期2011年7月29日 優先權日2011年7月29日
發明者劉若鵬, 季春霖, 岳玉濤, 洪運南 申請人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創新技術有限公司