专利名称：基站天线的制作方法
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O. 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，包括具有多个呈阵列排布的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，每个超材料片层由多个超材料单元排列而成，每个超材料单元上形成有小孔；每个超材料片层正对每一振子的区域形成一折射率分布区，让所述小孔排布于位于每个折射率分布区内以正对相应振子的中心的位置为圆心的多个同心圆的超材料单元上，以便形成以正对相应振子的中心的位置为圆心的多个同心的折射率圆；以每个折射率分布区内正对相应振子的中心的位置为原点，以垂直于所述超材料片层的直线为X轴、平行于所述超材料片层的直线为y轴建立直角坐标系，则每一折射率圆的折射率应满足如下关系式n(y) = η - ^ ^ -—
\J ' max
a式中，I为振子到超材料片层的距离；d为超材料片层的厚度，d =，nmax
H max H min
和Iimin分别表示每个折射率分布区内所能取得的折射率的最大值和最小值；R表示所述折射率分布区内I所能取得的最大值。优选地，每个超材料单元上形成一个所述小孔，各个超材料单元上的小孔是长度相等的圆孔并填充有空气；排布于每个折射率分布区内的同一同心圆的各个超材料单元上的小孔的直径相同，随着同心圆的直径的增大，排布于各个同心圆的超材料单元上的小孔的直径增大。
优选地，每个超材料单元上形成一个所述小孔，各个超材料单元上的小孔是长度相等的圆孔并填充有空气；排布于每个折射率分布区内的同一同心圆的各个超材料单元上的小孔的长度相同，随着同心圆的直径的增大，排布于各个同心圆的超材料单元上的小孔的长度增大。优选地,每个超材料单元上形成一个以上所述小孔,各个超材料单元上的小孔是长度相等的圆孔并填充有空气；排布于同一同心圆的各个超材料单元上的小孔的数量相同，随着同心圆的直径的增大，排布于各个同心圆的超材料单元上的小孔的数量增多。优选地，所述超材料模块包括多个沿X轴叠加的超材料片层，各个超材料片层上对应同一振子形成相同的折射率分布区。 优选地，各个超材料片层上对应同一振子的直径相同的折射率圆的折射率均相同。优选地，每两相邻超材料片层之间直接前、后表面相粘接在一起。优选地，所述超材料模块的两侧分别设置有阻抗匹配薄膜，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随着越靠近所述超材料模块由接近于或等于空气的折射率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。优选地，每个阻抗匹配层的折射率n(i) = (( max + mJ/2f，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m0优选地，所述天线模块的振子以每相邻两排相互交错排列的方式排布。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小孔，并利用所述小孔的排布于对应每一振子的折射率分布区内形成多个具有满足上述公式的折射率的折射率圆，使由振子发射出的电磁波穿过所述超材料模块时可控制电磁波的传播路径，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。
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I是本发明基站天线的结构示意图；图2是图I中的天线模块的正面放大图；图3是图I中的超材料模块的一个超材料片层的正面放大图；图4是图3中对应一个振子的折射率分布区内的折射率圆分布示意图；图5是一个超材料片层上对应一个振子的折射率分布区的截面放大图；图6是对应一个振子的折射率分布区内的小孔的第一排布示意图；图7是对应一个振子的折射率分布区内的小孔的第二排布示意图；图8是本发明对应一个振子的超材料片模块对电磁波的汇聚示意图；图9是本发明对应一个振子的超材料模块的两侧分别覆盖上一阻抗匹配薄膜时对电磁波的汇聚示意图。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超材料片层、222基板、223超材料单元、224小孔、24折射率圆、26折射率分布区、30阻抗匹配薄膜、32阻抗匹配层
具体实施例方式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。如图I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4X9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。如图3所示，每个超材料片层22包括基板222和形成在所述基板222上的多个小孔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。所述小孔224可根据所述基板222的材质不同对应采用合适的工艺形成于所述基板222上。例如当所述基板222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222上形成所述小孔224，而当所述基板222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222上形成所述小孔224。一般，我们将每个小孔224及其所在的基板222部分人为定义为一个超材料单元223,且每个超材料单兀223的尺寸应小于入射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。由此可见，所述小孔224非常微小，故在图3中将其近似画作一个点。我们知道，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汇聚并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多个同心的折射率圆，同一折射率圆上各点的折射率相同，而随着折射率圆的直径的增大，各个折射率圆的折射率减小且减小量增大。从而，在所述超材料片层22上对应每一振子16由相应的多个同心的折射率圆24形成一折射率分布区26，如图3中由虚线分隔形成的区域。假设对应一个振子16的折射率分布区26内各个直径增大的折射率圆24的折射率为nmax，n1；…np，nmin，则有nmax > H1>一> np > nmin,且(np-nmin) > Oimax-Ii1), q为大于O的自然数。用同心圆表示折射率圆24，并用相邻同心圆之间的间距的大小来表示相邻折射率圆24的折射率的变化量，则对应一个振子16的折射率分布区26内的各个折射率圆24的折射率变化规律如图4所不。而后将所述多个超材料片层22叠加在一起，让各个超材料片层22上对应同一振子16形成相同的折射率分布区26，且各个超材料片层22上对应同一振子16的直径相同的折射率圆24的折射率均相同。下面我们给出一种让所述各个超材料片层22上的各个折射率分布区26内的折射率圆24的折射率满足前述分布规律的公式。如图5所不,为一个超材料片层22上对应一个振子16的折射率分布区26的截面放大图。我们以所述超材料片层22上正对每一振子16的中心的位置为原点，以垂直于所述超材料片层22的直线为X轴、平行于所述超材料片层22的直线为y轴建立直角坐标系， 则对于所述超材料片层22上对应每一振子16的折射率分布区26内的y点，其折射率应满足如下关系式n(y) = Wmax-￡±￡^(I)
a式中，I为振子16到所述超材料片层22表面的距离；d为所述超材料片层22的厚度，且d = U_l，nfflax和nmin分别表示所述折射率分布区26内所能取得的折射率的最
^max ^min
大值和最小值#表示所述折射率分布区26内y所能取得的最大值。我们以直角坐标系的原点为圆心、以y为半径作一个圆即在所述折射率分布区26形成各点的折射率均相同的折射率圆24。形成所述超材料模块20时，让所述各个超材料片层22沿X轴叠加在一起，从而，所述各个超材料片层22上对应同一振子16形成相同的折射率分布区26，且所述各个超材料片层22上对应同一振子16的直径相同的折射率圆24的折射率均相同。下面我们举例说明如何在每个超材料片层22的基板222上形成所述小孔224，以实现前述折射率分布公式的规律。实验证明，当各个超材料单元223上的小孔224内填充的介质相同且其折射率小于所述基材222的折射率时，所述小孔224占整个超材料单元223的体积越大，所述超材料单元223的折射率越小。所述小孔224占整个超材料单元223的体积可通过在所述超材料单元223上形成一个几何尺寸不同的小孔224来实现，也可以通过在所述超材料单元223上形成多个尺寸相同的小孔224实现。下面一一进行说明。由前可知，每个超材料片层22可看作是由多个超材料单元223排布而成，而每个超材料单元223的尺寸一般都很微小，可以近似看作一个点，这样，圆便可以看作是由多个超材料单元223沿圆周堆叠而成的。因此，如图6所示，我们在所述超材料片层22上以正对每一振子16的中心的位置为圆心形成多个同心圆，从而让各个超材料单元223大致位于这些同心圆上。让排布于同一同心圆的各个超材料单元223上的小孔224的长度和直径均相同，而随着同心圆的直径的增大，排布于各个同心圆的超材料单元223上的小孔224的长度不变而直径增大。由于不同直径同心圆上的小孔224与所述基板222的相应部分一起表征了不同的介电常数和磁导率，从而在所述超材料片层22上形成对应每一振子16的具有折射率减小且减小量增大的分布规律的多个折射率圆24，由若干同心的折射率圆在所述超材料片层22上形成所述折射率分布区26。在其他的实施例中，也可以让具有相同直径的所述小孔224排布于以正对每一振子16的中心的位置为圆心的多个同心圆上，随着同心圆的直径的增大，只通过调整所述小孔224的长度来调制其介电常数和磁导率，让不同直径的同心圆上具有不同的折射率，从而形成具有折射率减小且减小量增大的分布规律的多个折射率圆24。另外，我们也可在一个超材料单元223内形成一个以上几何尺寸(即直径和长度均相等)相同的圆孔，通过每个超材料单元223上开设的圆孔的多少来调整其折射率。如图7所示，所述超材料片层22上对应每一振子16的折射率分布区26内的各个超材料单元223上的小孔224的数量分布规律是让所述小孔224排布于位于所述折射率分布区26内以正对相应振子16的中心为圆心的多个同心圆的超材料单兀223上,排布于同一同心圆的各个超材料单元223上的小孔224的数量相同，随着同心圆的直径的增大，排布于各个同心 圆的超材料单元223上的小孔224的数量增多。这样，也可在正对相应振子16的折射率分布区26内形成具有折射率减小且减小量增大的分布规律的多个折射率圆24。由于各个超材料单元223上形成一个以上几何尺寸相同的圆孔，这样能简化在所述基材222上形成所述小孔224的工艺。以上的几个实施例中，所述小孔224内填充的均是空气，其折射率肯定小于所述基板222的折射率。事实上，也可在所述小孔224内填充折射率大于所述基板222的折射率的介质。如图8所示，为球面波形式的电磁波穿过本发明对应一个振子16的超材料模块20时各个超材料片层22对其进行汇聚并转变为平面波形式的电磁波射出的示意图。可见，通过在所述超材料模块20的各个超材料片层22上形成具有某种排布规律的小孔224并在小孔224内填充相同的介质来调制各个超材料单元223的介电常数和磁导率，进而在所述超材料片层22上形成具有折射率减小且减小量增大的分布规律的折射率圆24，使电磁波向特定的方向偏折，从而让球面波形式的电磁波汇聚并转变为平面波形式的电磁波，减小了基站天线的半功率带宽变小，提高了其方向性和增益，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还会发生反射，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对应一个振子16的部分两侧分别形成一阻抗匹配薄膜30，每一阻抗匹配薄膜30包括多个压制在一起的阻抗匹配层32，每一阻抗匹配层32是均匀介质，具有单一的折射率，各个阻抗匹配层32具有不同的折射率，且随着越靠近所述超材料模块20其折射率由接近于或等于空气的折射率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30的超材料片层22的折射率。各个阻抗匹配层32的折射率均满足以下公式 n(i) = ((^max + nmm )/2)m⑵式中，m表示所述超材料模块20 —侧的阻抗匹配薄膜30的总层数，i表示阻抗匹配层32的序号，最靠近所述超材料模块20的阻抗匹配层32的序号为m。从式(2)可知，所述阻抗匹配层32的总层数m与所述超材料模块20的超材料片层22的最大折射率nmax与最小折射率nmin有直接关系；当i = I时，式(2)表示与空气接触的阻抗匹配层32的折射率，其应接近于或等于空气的折射率，可见，只要nmax与nmin确定，就可以确定所述阻抗匹配层32的总层数m。所述各个阻抗匹配层32的结构类似于所述超材料片层22，分别包括基板和附着在所述基板上的小孔，通过调制小孔的几何尺寸和/拓扑形状来使各个阻抗匹配层32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的匹配。当然，所述阻抗匹配薄膜30可以是由自然界中存在的多个具有单一折射率的天然材料制成的。所述超材料模块20的两侧分别设置所述阻抗匹配薄膜30时，式(I)中的I为振子16到与其最靠近的阻抗匹配薄膜30表面的距离。
以上所述仅是本发明的多个具体实施方式
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，还可以做出多个改进和润饰，而这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。比如，上述实施例中所述的方式可以几个结合起来使用，亦能得到所述超材料片层22所需的折射率分布规律。所述小孔224也可以是任何形状的孔。
权利要求
1.一种基站天线，其特征在于，包括具有多个呈阵列排布的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，每个超材料片层由多个超材料单元排列而成，每个超材料单元上形成有小孔；每个超材料片层正对每一振子的区域形成一折射率分布区，让所述小孔排布于位于每个折射率分布区内以正对相应振子的中心的位置为圆心的多个同心圆的超材料单元上，以便形成以正对相应振子的中心的位置为圆心的多个同心的折射率圆；以每个折射率分布区内正对相应振子的中心的位置为原点，以垂直于所述超材料片层的直线为X轴、平行于所述超材料片层的直线为y轴建立直角坐标系，则每一折射率圆的折射率应满足如下关系式
2.根据权利要求I所述的基站天线，其特征在于，每个超材料单元上形成一个所述小孔，各个超材料单元上的小孔是长度相等的圆孔并填充有空气；排布于每个折射率分布区内的同一同心圆的各个超材料单元上的小孔的直径相同，随着同心圆的直径的增大，排布于各个同心圆的超材料单元上的小孔的直径增大。
3.根据权利要求I所述的基站天线，其特征在于，每个超材料单元上形成一个所述小孔，各个超材料单元上的小孔是直径相等的圆孔并填充有空气；排布于每个折射率分布区内的同一同心圆的各个超材料单元上的小孔的长度相同，随着同心圆的直径的增大，排布于各个同心圆的超材料单元上的小孔的长度增大。
4.根据权利要求I所述的基站天线，其特征在于，每个超材料单元上形成一个以上所述小孔，各个超材料单元上的小孔是长度相等的圆孔并填充有空气；排布于同一同心圆的各个超材料单元上的小孔的数量相同，随着同心圆的直径的增大，排布于各个同心圆的超材料单元上的小孔的数量增多。
5.根据权利要求I至4中任一项所述的基站天线，其特征在于，所述超材料模块包括多个沿X轴叠加的超材料片层，各个超材料片层上对应同一振子形成相同的折射率分布区。
6.根据权利要求5所述的基站天线，其特征在于，各个超材料片层上对应同一振子的直径相同的折射率圆的折射率均相同。
7.根据权利要求5所述的基站天线，其特征在于，每两相邻超材料片层之间直接前、后表面相粘接在一起。
8.根据权利要求I所述的基站天线，其特征在于，所述超材料模块的两侧分别设置有阻抗匹配薄膜，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随着越靠近所述超材料模块由接近于或等于空气的折射率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。
9.根据权利要求8所述的基站天线，其特征在于，每个阻抗匹配层的折射率n(i) = (( max +Wmm)/2)'式中，m表不每一阻抗匹配薄膜的总层数，i表不阻抗匹配层的序号，最靠近所述超材料模块的阻抗匹配层的序号为m。
10.根据权利要求I所述的基站天线，其特征在于，所述天线模块的振子以每相邻两排相互交错排列的方式排布。
全文摘要
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，每个超材料片层由多个超材料单元排列而成，每个超材料单元上形成有小孔；每个超材料片层正对每一振子的区域形成一折射率分布区，让所述小孔排布于位于每个折射率分布区内以正对相应振子的中心的位置为圆心的多个同心圆的超材料单元上，以便形成以正对相应振子的中心的位置为圆心的多个同心的折射率圆；以每个折射率分布区内正对相应振子的中心的位置为原点，以垂直于和平行于所述超材料片层的直线为x轴、y轴建立直角坐标系，则每一折射率圆的折射率满足一关系式，从而提高基站天线的方向性。
文档编号H01Q15/00GK102904049SQ20111021558
公开日2013年1月30日 申请日期2011年7月29日 优先权日2011年7月29日
发明者刘若鹏, 季春霖, 岳玉涛 申请人:深圳光启高等理工研究院, 深圳光启创新技术有限公司