專利名稱：基站天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電磁通信領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種基站天線。
背景技術(shù)：
基站天線是保證移動(dòng)通信終端實(shí)現(xiàn)無線接入的重要設(shè)備。隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，基站的分布越來越密集，對(duì)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(yuǎn)。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(nèi)，把相對(duì)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(diǎn)之間的夾角稱為半功率角。場強(qiáng)方向圖中，在包含主瓣最大輻射方向的某一平 面內(nèi)，把相對(duì)最大輻射方向場強(qiáng)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。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(yuǎn)，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(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)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(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種基站天線，包括具有多個(gè)呈陣列排布的振子的天線模塊及對(duì)應(yīng)這些振子設(shè)置的超材料模塊，所述超材料模塊包括至少一個(gè)超材料片層，每個(gè)超材料片層由多個(gè)超材料單元排列而成，每個(gè)超材料單元上形成有小孔；每個(gè)超材料片層正對(duì)每一振子的區(qū)域形成一折射率分布區(qū)，讓所述小孔排布于位于每個(gè)折射率分布區(qū)內(nèi)以正對(duì)相應(yīng)振子的中心的位置為圓心的多個(gè)同心圓的超材料單元上，以便形成以正對(duì)相應(yīng)振子的中心的位置為圓心的多個(gè)同心的折射率圓，若干同心的折射率圓形成一個(gè)圓環(huán)區(qū)域；以每個(gè)折射率分布區(qū)內(nèi)正對(duì)相應(yīng)振子的中心的位置為原點(diǎn)，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軸建立直角坐標(biāo)系，則每一折射率圓的折射率如下式n(y) = n Jl2+y2
\J ' maxI
a式中，I為振子到超材料片層的距離；λ為入射電磁波的波長；d為超材料片層的優(yōu)選地，每個(gè)折射率分布區(qū)內(nèi)的各個(gè)圓環(huán)區(qū)域的最小直徑和最大直徑折射率圓的折射率均分別相等。
優(yōu)選地，每個(gè)超材料單元上形成一個(gè)所述小孔，各個(gè)超材料單元上的小孔是長度相等的圓孔并填充有空氣；排布于每個(gè)折射率分布區(qū)內(nèi)的各個(gè)圓環(huán)區(qū)域內(nèi)的同一同心圓的各個(gè)超材料單元上的小孔的直徑相同，隨著同心圓的直徑的增大，排布于各個(gè)同心圓的超材料單元上的小孔的直徑增大，而各個(gè)圓環(huán)區(qū)域內(nèi)最小直徑和最大直徑同心圓的各個(gè)超材料單元上的小孔的直徑均分別相等。優(yōu)選地，每個(gè)超材料單元上形成一個(gè)所述小孔，各個(gè)超材料單元上的小孔是直徑相等的圓孔并填充有空氣；排布于每個(gè)折射率分布區(qū)內(nèi)的各個(gè)圓環(huán)區(qū)域內(nèi)的同一同心圓的各個(gè)超材料單元上的小孔的長度相同，隨著同心圓的直徑的增大，排布于各個(gè)同心圓的超材料單元上的小孔的長度增大，而各個(gè)圓環(huán)區(qū)域內(nèi)最小直徑和最大直徑同心圓的各個(gè)超材料單元上的小孔的長度均分別相等。優(yōu)選地,每個(gè)超材料單元上形成一個(gè)以上所述小孔,各個(gè)超材料單元上的小孔是幾何尺寸相同的圓孔并填充有空氣；排布于每個(gè)折射率分布區(qū)內(nèi)的各個(gè)圓環(huán)區(qū)域內(nèi)的同一同心圓的各個(gè)超材料單元上的小孔的數(shù)量相同，隨著同心圓的直徑的增大，排布于各個(gè)同心圓的超材料單元上的小孔的數(shù)量增多，而各個(gè)圓環(huán)區(qū)域內(nèi)最小直徑和最大直徑同心圓的 各個(gè)超材料單元上的小孔的數(shù)量均分別相等。優(yōu)選地，所述超材料模塊包括多個(gè)沿X軸疊加的超材料片層，各個(gè)超材料片層上對(duì)應(yīng)同一振子形成相同的折射率分布區(qū)。優(yōu)選地，各個(gè)超材料片層上對(duì)應(yīng)同一振子的折射率分布區(qū)內(nèi)形成相同的圓環(huán)區(qū)域。優(yōu)選地，各個(gè)超材料片層上對(duì)應(yīng)同一振子的相應(yīng)圓環(huán)區(qū)域內(nèi)的直徑相同的折射率圓的折射率均相同。優(yōu)選地，所述超材料模塊的兩側(cè)分別設(shè)置有阻抗匹配薄膜，每一阻抗匹配薄膜包括多個(gè)阻抗匹配層，每一阻抗匹配層是具有單一折射率的均勻介質(zhì)，各個(gè)阻抗匹配層的折射率隨著越靠近所述超材料模塊由接近于或等于空氣的折射率變化至接近于或等于所述超材料模塊上最靠近所述阻抗匹配薄膜的超材料片層的折射率。優(yōu)選地，每個(gè)阻抗匹配層的折射率n(i) = (( max +Μ·)/]#，式中，m表示阻抗匹配薄
膜的總層數(shù)，i表示阻抗匹配層的序號(hào)，最靠近所述超材料模塊的阻抗匹配層的序號(hào)為m。本發(fā)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(gè)小孔，并利用所述小孔的排布于對(duì)應(yīng)每一振子的折射率分布區(qū)內(nèi)形成多個(gè)具有滿足上述公式的折射率的折射率圓，且折射率呈分段式分布，使由振子發(fā)射出的電磁波穿過所述超材料模塊時(shí)可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(yuǎn)。


下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。圖I是本發(fā)明基站天線的結(jié)構(gòu)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(gè)超材料片層的正面放大圖；圖4是圖3中對(duì)應(yīng)一個(gè)振子的超材料片層被分割為多個(gè)圓環(huán)區(qū)域的正面放大圖5是對(duì)應(yīng)圖4所示的多個(gè)圓環(huán)區(qū)域的一個(gè)折射率圓分布示意圖；圖6是一個(gè)超材料片層上對(duì)應(yīng)一個(gè)振子的折射率分布區(qū)的截面放大圖；圖7是對(duì)應(yīng)一個(gè)振子的折射率分布區(qū)內(nèi)的小孔的第一排布示意圖；圖8是對(duì)應(yīng)一個(gè)振子的折射率分布區(qū)內(nèi)的小孔的第二排布示意圖；圖9是本發(fā)明對(duì)應(yīng)一個(gè)振子的超材料片模塊對(duì)電磁波的匯聚示意圖；圖10是本發(fā)明對(duì)應(yīng)一個(gè)振子的超材料模塊的兩側(cè)分別覆蓋上一阻抗匹配薄膜時(shí)對(duì)電磁波的匯聚示意圖。圖中各標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)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小孔、24圓環(huán)區(qū)域、26折射率分布區(qū)、30阻抗匹配薄膜、32阻抗匹
配層
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供一種基站天線，通過在天線的電磁波發(fā)射或接收方向上設(shè)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(zhì)傳播進(jìn)入另外一種均勻介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生折射，這是由于兩種介質(zhì)的折射率不同而導(dǎo)致的。而對(duì)于非均勻介質(zhì)來說，電磁波在介質(zhì)內(nèi)部也會(huì)發(fā)生折射且向折射率比較大的位置偏折。而折射率等于#，也即介質(zhì)的折射率取決于其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。超材料是一種以人工微結(jié)構(gòu)為基本單元并以特定方式進(jìn)行空間排布、具有特殊電磁響應(yīng)的人工復(fù)合材料，人們常利用人工微結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫螤詈蛶缀纬叽鐏砀淖兛臻g中各點(diǎn)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，可見，我們可以利用人工微結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫螤詈?或幾何尺寸來調(diào)制空間各點(diǎn)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，從而使空間各點(diǎn)的折射率以某種規(guī)律變化，以控制電磁波的傳播，并應(yīng)用于具有特殊電磁響應(yīng)需求的場合。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(cuò)排列的4X9陣列，在其他的實(shí)施例中，可以為任何數(shù)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(gè)沿垂直于片層表面的方向(也即基站天線的電磁波發(fā)射或接收方向)疊加而成的超材料片層22，圖中所示為3個(gè)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(shí)施時(shí)，所述超材料片層22的數(shù)目可依據(jù)需求來增減，各個(gè)超材料片層22也可等間距地排列組裝在一起。由于每個(gè)超材料片層22的折射率分布規(guī)律均相同，故在下面僅選取一個(gè)超材料片層22作為示例進(jìn)行說明。如圖3所示，每個(gè)超材料片層22包括基板222和附著在所述基板222上的多個(gè)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可根據(jù)所述基板222的材質(zhì)不同對(duì)應(yīng)采用合適的工藝形成于所述基板222上。例如當(dāng)所述基板222由高分子聚合物制成時(shí)，可通過鉆床鉆孔、沖壓成型或者注塑成型等工藝在所述基板222上形成所述小孔224，而當(dāng)所述基板222由陶瓷材料制成時(shí)則可通過鉆床鉆孔、沖壓成型或者高溫?zé)Y(jié)等工藝在所述基板222上形成所述小孔224。一般，我們將每個(gè)小孔224及其所在的基板222部分人為定義為一個(gè)超材料單元223(如圖7)，且每個(gè)超材料單元223的尺寸應(yīng)小于入射電磁波波長的五分之一，優(yōu)選為十分之一，以使所述超材料片層22對(duì)電磁波產(chǎn)生連續(xù)響應(yīng)。由此可見，所述小孔224非常微小，故在圖3中將其近似畫作一個(gè)點(diǎn)。我們知道，從每一振子16發(fā)射出的電磁波可近似看作為球面波，而要遠(yuǎn)距離傳播，需要將其轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫娌āＲ簿褪钦f，所述超材料模塊20要將球面波形式的電磁波匯聚并轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫娌ㄐ问降碾姶挪?。故，在所述超材料片?2上以正對(duì)每一振子16的中心的位置為圓心形成多個(gè)同心的圓環(huán)區(qū)域24，讓每一圓環(huán)區(qū)域24內(nèi)空間各點(diǎn)的折射率分布滿足如下規(guī)律以正對(duì)每一振子16的中心的位置為圓心形成多個(gè)同心的折射率圓 ，同一折射率圓上各點(diǎn)的折射率相同，而隨著折射率圓的直徑的增大，各個(gè)折射率圓的折射率減小且減小量增大，且各個(gè)圓環(huán)區(qū)域24內(nèi)的最小直徑和最大直徑折射率圓的折射率均分別相等。如此，在所述超材料片層22上對(duì)應(yīng)每一振子16由這些圓環(huán)區(qū)域24形成一折射率分布區(qū)26，如圖3中由虛線分隔形成的區(qū)域。作為示例，圖4用虛線畫出四個(gè)同心圓，其中兩兩相鄰?fù)膱A之間共形成三個(gè)所述圓環(huán)區(qū)域24。由于最靠近所述超材料片層22正對(duì)振子16的中心的位置處的同心圓的直徑為零，圖中用一個(gè)點(diǎn)表示。假如我們將距離相應(yīng)振子16的中心越來越遠(yuǎn)的三個(gè)圓環(huán)區(qū)域24分別稱為第一、第二和第三圓環(huán)區(qū)域24，且第一圓環(huán)區(qū)域24內(nèi)隨著折射率圓的直徑的增大其折射率分別為nmax，nil，…，nlp，nmin，第二圓環(huán)區(qū)域24內(nèi)隨著折射率圓的直徑的增大其折射率分別為nmax，n21，…，n2m，nmin，第三圓環(huán)區(qū)域24內(nèi)隨著折射率圓的直徑的增大其折射率分別為n_，n31, ···, n3n, Iiniin，則有如下關(guān)系式HlliaxSn11S-SnlpSnniin (I)nmax 彡 n21 彡…彡 η2πι 彡 nmin (2)HlliaxSn31^-Sn3nSnniin (3)式(I)、(2)、(3)均不能同時(shí)取等號(hào)，且p、m、n均為大于O的自然數(shù)。優(yōu)選，p=m
=Πο為了直觀地表示所述超材料片層22的對(duì)應(yīng)一個(gè)振子16的折射率分布區(qū)26內(nèi)的多個(gè)圓環(huán)區(qū)域24的折射率分布規(guī)律，我們以正對(duì)振子16的中心的位置為圓心畫出多個(gè)同心圓來表示折射率圓，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(duì)應(yīng)一個(gè)振子16的折射率分布區(qū)26內(nèi)的多個(gè)圓環(huán)區(qū)域24的折射率分布規(guī)律如圖5所示。此外，我們可讓所述各個(gè)超材料片層22上對(duì)應(yīng)同一振子16形成相同的圓環(huán)區(qū)域24及折射率分布區(qū)26，且所述各個(gè)超材料片層22上的相應(yīng)圓環(huán)區(qū)域24內(nèi)的直徑相同的折射率圓的折射率均相同。下面給出一種讓所述各個(gè)超材料片層22上的各個(gè)折射率分布區(qū)26內(nèi)的折射率圓的折射率滿足前述分布規(guī)律的公式。如圖6所不,為一個(gè)超材料片層22上對(duì)應(yīng)一個(gè)振子16的折射率分布區(qū)26的截面放大圖。我們以所述超材料片層22上正對(duì)每一振子16的中心的位置為原點(diǎn)，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(biāo)系，則對(duì)于所述超材料片層22上對(duì)應(yīng)每一振子16的折射率分布區(qū)26內(nèi)的y點(diǎn)，其折射率有如下關(guān)系式
權(quán)利要求
1.一種基站天線，其特征在于，包括具有多個(gè)呈陣列排布的振子的天線模塊及對(duì)應(yīng)這些振子設(shè)置的超材料模塊，所述超材料模塊包括至少一個(gè)超材料片層，每個(gè)超材料片層由多個(gè)超材料單元排列而成，每個(gè)超材料單元上形成有小孔；每個(gè)超材料片層正對(duì)每一振子的區(qū)域形成一折射率分布區(qū)，讓所述小孔排布于位于每個(gè)折射率分布區(qū)內(nèi)以正對(duì)相應(yīng)振子的中心的位置為圓心的多個(gè)同心圓的超材料單元上，以便形成以正對(duì)相應(yīng)振子的中心的位置為圓心的多個(gè)同心的折射率圓，若干同心的折射率圓形成一個(gè)圓環(huán)區(qū)域；以每個(gè)折射率分布區(qū)內(nèi)正對(duì)相應(yīng)振子的中心的位置為原點(diǎn)，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(biāo)系，則每一折射率圓的折射率如下式
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基站天線，其特征在于，每個(gè)折射率分布區(qū)內(nèi)的各個(gè)圓環(huán)區(qū)域的最小直徑和最大直徑折射率圓的折射率均分別相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基站天線，其特征在于，每個(gè)超材料單元上形成一個(gè)所述小孔，各個(gè)超材料單元上的小孔是長度相等的圓孔并填充有空氣；排布于每個(gè)折射率分布區(qū)內(nèi)的各個(gè)圓環(huán)區(qū)域內(nèi)的同一同心圓的各個(gè)超材料單元上的小孔的直徑相同，隨著同心圓的直徑的增大，排布于各個(gè)同心圓的超材料單元上的小孔的直徑增大，而各個(gè)圓環(huán)區(qū)域內(nèi)最小直徑和最大直徑同心圓的各個(gè)超材料單元上的小孔的直徑均分別相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基站天線，其特征在于，每個(gè)超材料單元上形成一個(gè)所述小孔，各個(gè)超材料單元上的小孔是直徑相等的圓孔并填充有空氣；排布于每個(gè)折射率分布區(qū)內(nèi)的各個(gè)圓環(huán)區(qū)域內(nèi)的同一同心圓的各個(gè)超材料單元上的小孔的長度相同，隨著同心圓的直徑的增大，排布于各個(gè)同心圓的超材料單元上的小孔的長度增大，而各個(gè)圓環(huán)區(qū)域內(nèi)最小直徑和最大直徑同心圓的各個(gè)超材料單元上的小孔的長度均分別相等。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基站天線，其特征在于，每個(gè)超材料單元上形成一個(gè)以上所述小孔，各個(gè)超材料單元上的小孔是幾何尺寸相同的圓孔并填充有空氣；排布于每個(gè)折射率分布區(qū)內(nèi)的各個(gè)圓環(huán)區(qū)域內(nèi)的同一同心圓的各個(gè)超材料單元上的小孔的數(shù)量相同，隨著同心圓的直徑的增大，排布于各個(gè)同心圓的超材料單元上的小孔的數(shù)量增多，而各個(gè)圓環(huán)區(qū)域內(nèi)最小直徑和最大直徑同心圓的各個(gè)超材料單元上的小孔的數(shù)量均分別相等。
6.根據(jù)權(quán)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(gè)沿X軸疊加的超材料片層，各個(gè)超材料片層上對(duì)應(yīng)同一振子形成相同的折射率分布區(qū)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基站天線，其特征在于，各個(gè)超材料片層上對(duì)應(yīng)同一振子的折射率分布區(qū)內(nèi)形成相同的圓環(huán)區(qū)域。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基站天線，其特征在于，各個(gè)超材料片層上對(duì)應(yīng)同一振子的相應(yīng)圓環(huán)區(qū)域內(nèi)的直徑相同的折射率圓的折射率均相同。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基站天線，其特征在于，所述超材料模塊的兩側(cè)分別設(shè)置有阻抗匹配薄膜，每一阻抗匹配薄膜包括多個(gè)阻抗匹配層，每一阻抗匹配層是具有單一折射率的均勻介質(zhì)，各個(gè)阻抗匹配層的折射率隨著越靠近所述超材料模塊由接近于或等于空氣的折射率變化至接近于或等于所述超材料模塊上最靠近所述阻抗匹配薄膜的超材料片層的折射率。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基站天線，其特征在于，每個(gè)阻抗匹配層的折射率n(i) = ((Wmax，式中，m表不阻抗匹配薄膜的總層數(shù)，i表不阻抗匹配層的序號(hào),最靠近所述超材料模塊的阻抗匹配層的序號(hào)為m。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基站天線，包括天線模塊及對(duì)應(yīng)這些振子設(shè)置的超材料模塊，所述超材料模塊包括超材料片層，每個(gè)超材料片層由多個(gè)超材料單元排列而成，每個(gè)超材料單元上形成有小孔；每個(gè)超材料片層正對(duì)每一振子的區(qū)域形成一折射率分布區(qū)，讓所述小孔排布于位于每個(gè)折射率分布區(qū)內(nèi)以正對(duì)相應(yīng)振子的中心的位置為圓心的多個(gè)同心圓的超材料單元上，以便形成以正對(duì)相應(yīng)振子的中心的位置為圓心的多個(gè)同心的折射率圓，若干同心的折射率圓形成一個(gè)圓環(huán)區(qū)域；以每個(gè)折射率分布區(qū)內(nèi)正對(duì)相應(yīng)振子的中心的位置為原點(diǎn)、分別以垂直于和平行于所述超材料片層的直線為x軸、y軸建立直角坐標(biāo)系，則每一折射率圓的折射率滿足一關(guān)系式，從而提高了基站天線的方向性。
文檔編號(hào)H01Q15/00GK102904048SQ20111021557
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2011年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月29日
發(fā)明者劉若鵬, 季春霖, 岳玉濤, 洪運(yùn)南 申請(qǐng)人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司