天线的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种天线，包括反射板（10）和设置于反射板（10）一侧的辐射单元（20），天线还包括至少一块超材料板（30），超材料板（30）包括基板（31）和设置在基板（31）上的至少一个周期频率选择表面，超材料板（30）与辐射单元（20）位于反射板（10）的同一侧，且超材料板（30）与反射板（20）之间的距离大于辐射单元（20）与反射板（10）之间的距离。根据本实用新型的天线，因加载超材料板，超材料板上具有周期频率选择表面，能对电磁波起到有效的调制作用，因此，采用较窄的反射板，即可实现天线的小型化。
【专利说明】天线
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及无线【技术领域】，更具体地，涉及一种天线。
【背景技术】
[0002]基站天线是现代移动通信系统的重要组成部件，被用于接收与传播电磁波。现代移动通信业务的迅猛发展，对基站天线的各项指标提出了越来越高的要求，尤其表现在增益值、带宽特性、交叉极化特性、主瓣宽度随频率的波动性、前后比特性等方面。
[0003]在现有技术中，为使天线获得定向所需的波瓣宽度，例如65度、90度等，以满足基本的网络覆盖要求，一般采用调整辐射单元或者通过增加反射板宽度等手段。已知基站天线的反射板截面形状对于前后比特性和水平面方向图起着重要作用。当定向天线的前后比达到一定指标时，能明显抑制来自天线后向的同频干扰，从而提高通信系统容量。为了提高前后比指标，缩窄水平面波束宽度，一种办法是不断加大金属反射板的宽度，减少辐射单元所辐射出来的电磁波的后向绕射，增强天线的前向辐射。在反射板尺寸受限时，为提高前后比，现有技术一般会对反射板形状精心设计，如专利CN2760786Y，CN101826658A,CN102790284A ;为缩窄水平面波束宽度，现有技术在辐射单元上方增加寄生引向单元，如专利 CN102804495A，CN202474199U。
[0004]为降低移动通信站点的选址和建站难度，天线的小型化是一种必然趋势。然而当各项指标要求较高时，现有技术中的常规天线设计手段仍然难以实现天线的小型化。
实用新型内容
[0005]本实用新型目的在于提供一种小型化的天线。
[0006]本实用新型提供了一种天线，包括反射板和设置于反射板一侧的辐射单元，天线还包括至少一块超材料板，超材料板包括基板和设置在基板上的至少一个周期频率选择表面，超材料板与辐射单元位于反射板的同一侧，且超材料板与反射板之间的距离大于辐射单元与反射板之间的距离。
[0007]进一步地，每个周期频率选择表面包括多个导电几何结构。
[0008]进一步地，至少一个周期频率选择表面的至少一部分导电几何结构与该周期频率选择表面其余的导电几何结构的结构、大小和/或排布方式不同；或者，至少一个周期频率选择表面的导电几何结构与其余周期频率选择表面的导电几何结构的结构、大小和/或排布方式不同。
[0009]进一步地，导电几何结构投影在平行于基板的同一平面内是旋转对称或者轴对称的。
[0010]进一步地，导电几何结构包括相背设置的两个槽形结构和连接两个槽形结构的连接线；每个槽形结构包括一根基线和两根支线，每根支线的一个端部垂直连接于基线的一个端部；两个槽形结构的基线平行设置，每个槽形结构的支线均朝向远离另一槽形结构的方向延伸，连接线的两端分别垂直地连接于两个槽形结构的两根基线的中点。[0011]进一步地，超材料板包括第一周期频率选择表面和第二周期频率选择表面，第一周期频率选择表面和第二周期频率选择表面分别设置于基板的靠近辐射单元和远离辐射单元的两个表面上。
[0012]进一步地，位于第一周期频率选择表面的导电几何结构与位于第二周期频率选择表面的导电几何结构一一对应设置。
[0013]进一步地，位于第二周期频率选择表面的每个导电几何结构相对于与其对应的位于第一周期频率选择表面的导电几何结构在第二周期频率选择表面所在的平面上旋转90°且中心对齐。
[0014]进一步地，位于基板上的同一周期频率选择表面的多个导电几何结构如此排布:将多个导电几何结构所在的基板的表面以多条假想直线划分为多个矩形，其中，每个矩形内部对应设置一个导电几何结构,且每个导电几何结构的中心与对应的矩形的中心重合。
[0015]进一步地，导电几何结构的外部轮廓位于一正方形上，正方形的每条边与部分假想直线平行。
[0016]进一步地，导电几何结构印制于基板上；或者，导电几何结构喷涂于基板上；或者，导电几何结构电镀于基板上。
[0017]进一步地，基板包括至少一层板体，至少一层板体包括介质板、泡沫板和/或蜂窝板。
[0018]进一步地，超材料板上的频率选择表面、辐射单元和反射板构成谐振腔，谐振腔的谐振频率低于天线的工作频段中指定频段的最低频率，且高于最低频率的90%。
[0019]进一步地，反射板包括矩形的底板和位于底板的宽度方向上相对的两端的两块外层侧板，外层侧板从底板朝向超材料板的方向延伸。
[0020]进一步地，反射板还包括位于底板的宽度方向上相对的两端且分别位于两块外层侧板内侧的内层侧板，内层侧板从底板朝向超材料板的方向延伸。
[0021]进一步地，内层侧板相对于垂直于底板的方向朝向外侧倾斜15度至30度。
[0022]进一步地，内层侧板的宽度为IOOmm至150mm。
[0023]进一步地，天线包括多个辐射单元，多个辐射单元呈直线排列，反射板还包括分隔各辐射单元的隔板，隔板位于两块内层侧板之间，隔板从底板朝向超材料板的方向延伸。
[0024]进一步地，在天线的主辐射方向上设有至少两层超材料板。
[0025]进一步地，辐射单元为偶极子或贴片单元。
[0026]根据本实用新型的天线，因加载超材料板，超材料板上具有周期频率选择表面，能对电磁波起到有效的调制作用，因此，采用较窄的反射板，即可实现天线的小型化。周期频率选择表面包括导电几何结构，导电几何结构可以产生感应电流,并激发出感应电磁场,感应电磁场与原辐射场叠加产生新的场分布，通过设置导电几何结构的尺寸与间距，能使感应电磁场与原辐射场产生同相叠加，从而提高天线的方向性，缩窄天线的主瓣波束宽度，实现较高的天线性能指标。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。[0028]图1为根据本实用新型优选实施例的天线的立体结构示意图；
[0029]图2为图1所对应的天线的截面图；
[0030]图3为图1所对应的天线中超材料板的导电几何结构的结构示意图；
[0031]图4为图1所对应的天线在1880MHz的水平方向图仿真结果；
[0032]图5为图1所对应的天线在2025MHz的水平方向图仿真结果。
[0033]附图标记:10、反射板；11、底板；12、侧板；13、隔板；14、内层侧板；20、辐射单元；30、超材料板；31、基板；32、导电几何结构；321、槽形结构；322、连接线；321A、基线；321B、支线。
【具体实施方式】
[0034]下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0035]图1为根据本实用新型优选实施例的天线的立体结构示意图。图2为图1所对应的天线的截面图。如图1和图2所示，本实用新型实施例的天线包括反射板10和设置于反射板10 —侧的辐射单元20，还包括超材料板30，超材料板30包括基板31和设置在基板31上的周期频率选择表面，超材料板30与辐射单元20位于反射板10的同一侧，且超材料板30与反射板10之间的距离大于辐射单元20与反射板10之间的距离。如图1和图2所示，辐射单元20位于反射板10的前向，超材料板30位于辐射单元20前方一定距离。本实用新型的天线优选地作为基站天线使用。
[0036]根据本实用新型的天线，因加载超材料板，超材料板上具有周期频率选择表面，能对电磁波起到有效的调制作用，因此，采用较窄的反射板，即可实现天线的小型化。
[0037]超材料板30可以仅包括单面的周期频率选择表面，也可以包括双面的周期频率选择表面。
[0038]超材料板30的周期频率选择表面包括多个导电几何结构32。导电几何结构32与辐射单元20之间的耦合作用会产生特定的谐振频率，通过导电几何结构32的尺寸可以调整该谐振频率，在此谐振频率附近方向性系数会有明显提升。而通过调整导电几何结构32之间的间距、导电几何结构32与辐射单元20之间的距离，也可以对谐振频率进行微调，同时还能调整反射曲线的深度。因此，选择合适的导电几何结构尺寸与排布方式，可以使天线的增益有明显提升，从而压窄波束。
[0039]本实施例中，超材料板30的周期频率选择表面的多个导电几何结构32规则排布。经过精心设计,超材料板30的导电几何结构32可以产生感应电流，并激发出感应电磁场，感应电磁场与原辐射场叠加产生新的场分布，通过设置导电几何结构的尺寸与间距，能使感应电磁场与原辐射场产生同相叠加，从而能对电磁波起到有效的调制作用，提高天线的方向性，缩窄天线的主瓣波束宽度，实现较高的天线性能指标。
[0040]超材料板30位于辐射单元20前方的距离优选地为0.01倍波长至0.3倍辐射电磁波的中心频率波长。本实施例优选地为40mm。
[0041]导电几何结构32的几何形状可以为工字形、十字形、人字形等形状。优选地，导电几何结构32投影在平行于基板31的同一平面内是旋转对称或者轴对称的。
[0042]图3为图1所对应的天线中超材料板30的导电几何结构32的结构示意图。如图3所示，在本实施例中，导电几何结构32包括两个相背设置的槽形结构321和连接两个槽形结构321的连接线322。每个槽形结构321包括一根基线321A和两根支线321B。每根支线321B的一个端部垂直连接于基线321A的一个端部。两个槽形结构321的基线平行设置，每个槽形结构321的支线均朝向远离另一槽形结构321的方向延伸，连接线322的两端分别垂直地连接于两个槽形结构321的两根基线321A的中点。该导电几何结构32为轴对称结构。
[0043]合理设置多个导电几何结构的排布方式，可以使感应电磁场与原辐射场产生需要的耦合效果。
[0044]在本实施例中，各导电几何结构的结构和大小均相同。但是在一些未示出的实施例中，优选地可以设置为:至少一个周期频率选择表面的至少一部分导电几何结构与该周期频率选择表面其余的导电几何结构的结构、大小和/或排布方式不同；或者，至少一个周期频率选择表面的导电几何结构与其余周期频率选择表面的导电几何结构的结构、大小和/或排布方式不同。可以通过在一个或多个周期频率选择表面设置多种导电几何结构的结构、大小和/或排布方式实现多频的效果。
[0045]在本实施例中，超材料板30包括相对设置的第一周期频率选择表面和第二周期频率选择表面。第一周期频率选择表面和第二周期频率选择表面分别设置于基板31的靠近辐射单元和远离辐射单元的两个表面上。优选地，位于第一周期频率选择表面的导电几何结构32与位于第二周期频率选择表面的导电几何结构32 —一对应设置。进一步优选地，位于第二周期频率选择表面的每个导电几何结构32相对于与其对应的位于第一周期频率选择表面的导电几何结构32在第二周期频率选择表面所在的平面上旋转90°且中心对齐。在介质板的双面设置导电几何结构的设置方式相对于在介质基板的单面设置导电几何结构而言，有利于针对两种正交极化电磁波的传播。
[0046]进一步地，在本实施例中，位于基板31上的同一周期频率选择表面的多个导电几何结构32如此排布:将多个导电几何结构32所在的基板31的表面以多条假想直线划分为多个矩形，其中，每个矩形内部对应设置一个导电几何结构32，且每个导电几何结构32的中心与对应的矩形的中心重合。优选地,导电几何结构32的外部轮廓位于一正方形上，正方形的每条边与部分假想直线平行。
[0047]本实施例中，导电几何结构32印制于基板31上。在另外的实施例中，导电几何结构32可以喷涂于基板31上，或者导电几何结构32也可以电镀于基板31上。
[0048]超材料板30的基板31包括至少一层板体,至少一层板体包括介质板、泡沫板和/或蜂窝板。在本实施例中的超材料板30，仅采用一层介质板作为基板31。
[0049]超材料板30上的频率选择表面、辐射单元20和反射板构成一个谐振腔，谐振腔的谐振频率略低于天线的工作频段中指定频段的最低频率。本实用新型中的指定频段是指设计天线时所关心的频段。因为天线的工作频段通常较宽，例如，天线可以在工作频段1710MHz至2690MHZ之间起作用，而导电几何结构起作用的频段相对较窄，因此，在设计天线时，需针对某一频段(或某些频段)设计相应的导电几何结构，例如，针对天线的工作频段1710MHz至2690MHZ中的1710MHz至1880MHz的指定频段进行提高性能的设计，该1710MHz至1880HHZ的频段就是所关心的指定频段，其中1710MHz即为指定频段中的最低频率。优选地，谐振腔的谐振频率低于指定频段的最低频率，且高于该指定频段的最低频率的90%。这样设置天线可以提升天线增益，压窄波束。
[0050]本实施例中，反射板10包括矩形的底板11和位于底板11的宽度方向上相对的两端的两块外层侧板12，外层侧板12从底板11朝向超材料板30的方向延伸。本实施例中，侧板12相对于底板11是垂直的，但是在其它实施例中，侧板12相对于底板11也可以是不垂直的。设置外层侧板12利于提高天线的前后比和压窄波束。
[0051]反射板10还包括位于底板11的宽度方向上相对的两端且分别位于两块外层侧板12内侧的内层侧板14，内层侧板14从底板11朝向超材料板30的方向延伸。这样设置的优势在于可以影响场的分布，可以对场在某一方向起到加强的作用。
[0052]优选地，内层侧板14相对于垂直于底板的方向朝向外侧倾斜15度至30度。另外优选地，内层侧板14的宽度为IOOmm至150mm,更优选地，内层侧板14的宽度为120mm左右。天线包括多个辐射单元20，多个辐射单元20呈直线排列，反射板10还包括分隔各辐射单元20的隔板13，隔板13位于两块内层侧板14之间，隔板13从底板11朝向超材料板30的方向延伸。本实施例中各隔板13相对于底板11是垂直的，但并不排除在其它实施例中隔板13相对于底板11设置为不垂直的。设置隔板13可以调节天线单元之间的耦合，可以提高隔离度和提升天线增益。
[0053]在本实施例中，仅设置一层超材料板30，然而，在未示出的实施例中，在天线的主辐射方向上可以设有至少两层超材料板。
[0054]另外，图1中的导电几何结构32的排布是示意性的，例如，导电几何结构单元的大小、数量和阵列的排布方式均是示意性的，不应构成对本实用新型的限制。
[0055]在图1和图2对应的实施例中，天线可以采用已有的辐射单元，例如，辐射单元20可以为偶极子或贴片单元。在此不作具体描述。
[0056]天线还可以包括支撑装置(未图示)，支撑装置例如可以包括多根支撑杆，每根支撑杆的两端分别与超材料板和反射板固定连接，从而将超材料板设置于反射板上。
[0057]另外，天线还可以包括天线罩(未图示)。反射板和超材料板及超材料板上的辐射单元均设置于天线罩内。在不设置支撑装置的情况下，超材料板可以固定于天线罩上。
[0058]本实用新型的天线，因加载超材料板，因此，采用较窄的反射板，即可实现较高的天线性能指标，实现天线的小型化。超材料板利用导电几何结构的谐振特性，与辐射单元之间耦合感生电流，产生次级辐射，并且导致天线辐射的电磁波部分地在超材料板与反射板、超材料板与超材料板之间形成多次反射，与反射板构成Fabry-Perot谐振腔,能明显提升天线的方向性，从而缩窄天线的主瓣波束宽度。通过调整超材料板的高度以及超材料板上导电几何结构的尺寸以及间距，可以明显改善天线的带宽、驻波比、隔离度或者交叉极化比以及如后比等指标。
[0059]改变反射板的结构和尺寸也可以改变天线的性能。可以通过实验或者仿真确定最佳的反射板尺寸以及内外两层侧板之间的间距。
[0060]以上实施例的反射板10采用带有外层侧板和内层侧板的双层侧板布置形式，且内层侧板与底板垂直方向倾斜15?30度，反射板10的宽度120mm。经模拟试验证明，在采用该反射板10而未设置超材料板的情况下，可以使天线在1880MHz?2025MHz的频率范围内前后比达到28dB，在设置了超材料板30以后，可以使天线的前后比进一步提高至31dB以上。[0061]图4为图1所对应的天线在1880MHz的水平方向图仿真结果。图4中，Phi为45度，频率为1880MHz，主波瓣宽度为14.ldB，主波瓣方向为1.0度，角宽为67.1度，旁瓣电平为-32.6dB。从图4中可知，在频率为1880MHz时，本实施例的天线的前后比大于31dB。
[0062]图5为图1所对应的天线在2025MHz的水平方向图仿真结果。图5中，Phi为45度，频率为2025MHz，主波瓣宽度为14.7dB,主波瓣方向为0.0度，角宽为62.2度，旁瓣电平为-31.2dB。从图5中可知，在频率为2025MHz时，本实施例的天线的前后比大于31dB。
[0063]从以上的描述中可以看出，本实用新型上述的实施例实现了如下技术效果:
[0064]因加载超材料板，超材料板上具有周期频率选择表面，能对电磁波起到有效的调制作用，因此，采用较窄的反射板，即可实现天线的小型化。
[0065]超材料板包括的导电几何结构产生感应电流，并激发出感应电磁场,感应电磁场与原辐射场叠加产生新的场分布，通过设置导电几何结构的尺寸与间距，能使感应电磁场与原辐射场产生同相叠加，从而提高天线的方向性，缩窄天线的主瓣波束宽度，实现较高的天线性能指标。
[0066]以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种天线，包括反射板(10)和设置于所述反射板(10) —侧的辐射单元(20)，其特征在于，所述天线还包括至少一块超材料板(30 )，所述超材料板(30 )包括基板(31)和设置在所述基板(31)上的至少一个周期频率选择表面，所述超材料板(30)与所述辐射单元(20)位于所述反射板(10)的同一侧，且所述超材料板(30)与所述反射板(10)之间的距离大于所述辐射单元(20)与所述反射板(10)之间的距离。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，每个所述周期频率选择表面包括多个导电几何结构(32)。
3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于， 至少一个所述周期频率选择表面的至少一部分导电几何结构与该周期频率选择表面其余的导电几何结构的结构、大小和/或排布方式不同；或者， 至少一个所述周期频率选择表面的导电几何结构与其余所述周期频率选择表面的导电几何结构的结构、大小和/或排布方式不同。
4.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述导电几何结构(32)投影在平行于所述基板(31)的同一平面内是旋转对称或者轴对称的。
5.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述导电几何结构(32)包括相背设置的两个槽形结构(321)和连接所述两个槽形结构(321)的连接线(322);每个所述槽形结构(321)包括一根基线(321A)和两根支线(321B)，每根所述支线(321B)的一个端部垂直连接于所述基线(321A)的一个端部；所述两个槽形结构(321)的基线平行设置，每个槽形结构(321)的所述支线均朝向远离另一槽形结构(321)的方向延伸，所述连接线(322)的两端分别垂直地连接于所述两个槽形结构(321)的两根基线(321A)的中点。
6.根据权利要求3所述的天线，其特征`在于，所述超材料板(30)包括第一周期频率选择表面和第二周期频率选择表面，所述第一周期频率选择表面和所述第二周期频率选择表面分别设置于所述基板(31)的靠近所述辐射单元和远离所述辐射单元的两个表面上。
7.根据权利要求6所述的天线，其特征在于，位于所述第一周期频率选择表面的导电几何结构(32)与位于所述第二周期频率选择表面的导电几何结构(32) —一对应设置。
8.根据权利要求7所述的天线，其特征在于，位于所述第二周期频率选择表面的每个所述导电几何结构(32)相对于与其对应的位于所述第一周期频率选择表面的所述导电几何结构(32)在所述第二周期频率选择表面所在的平面上旋转90°且中心对齐。
9.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，位于所述基板(31)上的同一周期频率选择表面的所述多个导电几何结构(32)如此排布:将所述多个导电几何结构(32)所在的基板(31)的表面以多条假想直线划分为多个矩形，其中，每个所述矩形内部对应设置一个所述导电几何结构(32)，且每个所述导电几何结构(32)的中心与对应的所述矩形的中心重口 ο
10.根据权利要求9所述的天线，其特征在于，所述导电几何结构(32)的外部轮廓位于一正方形上，所述正方形的每条边与部分所述假想直线平行。
11.根据权利要求3所述的天线，其特征在于， 所述导电几何结构(32)印制于所述基板(31)上；或者， 所述导电几何结构(32)喷涂于所述基板(31)上；或者， 所述导电几何结构(32)电镀于所述基板(31)上。
12.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述基板(31)包括至少一层板体，所述至少一层板体包括介质板、泡沫板和/或蜂窝板。
13.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述超材料板(30)上的所述频率选择表面、所述辐射单元(20)和所述反射板(10)构成谐振腔，所述谐振腔的谐振频率低于所述天线的工作频段中指定频段的最低频率，且高于所述最低频率的90%。
14.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述反射板(10)包括矩形的底板(11)和位于所述底板(11)的宽度方向上相对的两端的两块外层侧板(12)，所述外层侧板(12)从所述底板(11)朝向所述超材料板(30)的方向延伸。
15.根据权利要求14所述的天线，其特征在于，所述反射板(10)还包括位于所述底板(11)的宽度方向上相对的两端且分别位于所述两块外层侧板(12)内侧的内层侧板(14)，所述内层侧板(14)从所述底板(11)朝向所述超材料板(30)的方向延伸。
16.根据权利要求15所述的天线，其特征在于，所述内层侧板(14)相对于垂直于所述底板的方向朝向外侧倾斜15度至30度。
17.根据权利要求15所述的天线，其特征在于，所述内层侧板(14)的宽度为IOOmm至150mmo
18.根据权利要求15所述的天线，其特征在于，所述天线包括多个所述辐射单元(20)，多个所述辐射单元(20)呈直线排列，所述反射板(10)还包括分隔各所述辐射单元(20)的隔板(13)，所述隔板(13)位于所述两块内层侧板(14)之间，所述隔板(13)从所述底板(11)朝向所述超材料板(30)的 方向延伸。
19.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，在所述天线的主辐射方向上设有至少两层所述超材料板(30)。
20.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述辐射单元(20)为偶极子或贴片单j Li ο
【文档编号】H01Q19/10GK203589218SQ201320761985
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年11月26日 优先权日:2013年11月26日
【发明者】不公告发明人 申请人:深圳光启创新技术有限公司