專利名稱：基站天線的制作方法
技術領域：
本發(fā)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(xiàn)無線接入的重要設備。隨著移動通信網(wǎng)絡的發(fā)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。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(fā)明內容
本發(fā)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(fā)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，每個超材料片層由多個超材料單元排列而成，每個超材料單元上形成有小孔；每個超材料片層正對每一振子的區(qū)域形成一折射率分布區(qū)，讓所述小孔排布于位于每個折射率分布區(qū)內以正對相應振子的中心的位置為圓心的多個同心圓的超材料單元上，以便形成以正對相應振子的中心的位置為圓心的多個同心的折射率圓；以每個折射率分布區(qū)內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軸建立直角坐標系，則每一折射率圓的折射率應滿足如下關系式n(y) = η - ^ ^ -—
\J ' max
a式中，I為振子到超材料片層的距離；d為超材料片層的厚度，d =，nmax
H max H min
和Iimin分別表示每個折射率分布區(qū)內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區(qū)內I所能取得的最大值。優(yōu)選地，每個超材料單元上形成一個所述小孔，各個超材料單元上的小孔是長度相等的圓孔并填充有空氣；排布于每個折射率分布區(qū)內的同一同心圓的各個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，排布于各個同心圓的超材料單元上的小孔的直徑增大。
優(yōu)選地，每個超材料單元上形成一個所述小孔，各個超材料單元上的小孔是長度相等的圓孔并填充有空氣；排布于每個折射率分布區(qū)內的同一同心圓的各個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，排布于各個同心圓的超材料單元上的小孔的長度增大。優(yōu)選地,每個超材料單元上形成一個以上所述小孔,各個超材料單元上的小孔是長度相等的圓孔并填充有空氣；排布于同一同心圓的各個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，排布于各個同心圓的超材料單元上的小孔的數(shù)量增多。優(yōu)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(qū)。 優(yōu)選地，各個超材料片層上對應同一振子的直徑相同的折射率圓的折射率均相同。優(yōu)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(yōu)選地，所述超材料模塊的兩側分別設置有阻抗匹配薄膜，每一阻抗匹配薄膜包括多個阻抗匹配層，每一阻抗匹配層是具有單一折射率的均勻介質，各個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，每個阻抗匹配層的折射率n(i) = (( max + mJ/2f，式中，m表示每一阻抗匹
配薄膜的總層數(shù)，i表示阻抗匹配層的序號，最靠近所述超材料模塊的阻抗匹配層的序號為m0優(yōu)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(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小孔，并利用所述小孔的排布于對應每一振子的折射率分布區(qū)內形成多個具有滿足上述公式的折射率的折射率圓，使由振子發(fā)射出的電磁波穿過所述超材料模塊時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。


下面將結合附圖及具體實施方式
對本發(fā)明作進一步說明。圖I是本發(fā)明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中對應一個振子的折射率分布區(qū)內的折射率圓分布示意圖；圖5是一個超材料片層上對應一個振子的折射率分布區(qū)的截面放大圖；圖6是對應一個振子的折射率分布區(qū)內的小孔的第一排布示意圖；圖7是對應一個振子的折射率分布區(qū)內的小孔的第二排布示意圖；圖8是本發(fā)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9是本發(fā)明對應一個振子的超材料模塊的兩側分別覆蓋上一阻抗匹配薄膜時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小孔、24折射率圓、26折射率分布區(qū)、30阻抗匹配薄膜、32阻抗匹配層
具體實施例方式本發(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(fā)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(fā)生折射且向折射率比較大的位置偏折。而折射率等于#，也即介質的折射率取決于其介電常數(shù)和磁導率。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(shù)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(shù)和磁導率，從而使空間各點的折射率以某種規(guī)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。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(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(shù)目可依據(jù)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。由于每個超材料片層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和形成在所述基板222上的多個小孔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的材質不同對應采用合適的工藝形成于所述基板222上。例如當所述基板222由高分子聚合物制成時，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，而當所述基板222由陶瓷材料制成時則可通過鉆床鉆孔、沖壓成型或者高溫燒結等工藝在所述基板222上形成所述小孔224。一般，我們將每個小孔224及其所在的基板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對電磁波產生連續(xù)響應。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點。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，而要遠距離傳播，需要將其轉變?yōu)槠矫娌?。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?yōu)槠矫娌ㄐ问降碾姶挪?。故，所述超材料片?2空間各點的折射率分布應滿足如下規(guī)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，而隨著折射率圓的直徑的增大，各個折射率圓的折射率減小且減小量增大。從而，在所述超材料片層22上對應每一振子16由相應的多個同心的折射率圓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。假設對應一個振子16的折射率分布區(qū)26內各個直徑增大的折射率圓24的折射率為nmax，n1；…np，nmin，則有nmax > H1>一> np > nmin,且(np-nmin) > Oimax-Ii1), q為大于O的自然數(shù)。用同心圓表示折射率圓24，并用相鄰同心圓之間的間距的大小來表示相鄰折射率圓24的折射率的變化量，則對應一個振子16的折射率分布區(qū)26內的各個折射率圓24的折射率變化規(guī)律如圖4所不。而后將所述多個超材料片層22疊加在一起，讓各個超材料片層22上對應同一振子16形成相同的折射率分布區(qū)26，且各個超材料片層22上對應同一振子16的直徑相同的折射率圓24的折射率均相同。下面我們給出一種讓所述各個超材料片層22上的各個折射率分布區(qū)26內的折射率圓24的折射率滿足前述分布規(guī)律的公式。如圖5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(qū)26的截面放大圖。我們以所述超材料片層22上正對每一振子16的中心的位置為原點，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上對應每一振子16的折射率分布區(qū)26內的y點，其折射率應滿足如下關系式n(y) = Wmax-￡±￡^(I)
a式中，I為振子16到所述超材料片層22表面的距離；d為所述超材料片層22的厚度，且d = U_l，nfflax和nmin分別表示所述折射率分布區(qū)26內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區(qū)26內y所能取得的最大值。我們以直角坐標系的原點為圓心、以y為半徑作一個圓即在所述折射率分布區(qū)26形成各點的折射率均相同的折射率圓24。形成所述超材料模塊20時，讓所述各個超材料片層22沿X軸疊加在一起，從而，所述各個超材料片層22上對應同一振子16形成相同的折射率分布區(qū)26，且所述各個超材料片層22上對應同一振子16的直徑相同的折射率圓24的折射率均相同。下面我們舉例說明如何在每個超材料片層22的基板222上形成所述小孔224，以實現(xiàn)前述折射率分布公式的規(guī)律。實驗證明，當各個超材料單元223上的小孔224內填充的介質相同且其折射率小于所述基材222的折射率時，所述小孔224占整個超材料單元223的體積越大，所述超材料單元223的折射率越小。所述小孔224占整個超材料單元223的體積可通過在所述超材料單元223上形成一個幾何尺寸不同的小孔224來實現(xiàn)，也可以通過在所述超材料單元223上形成多個尺寸相同的小孔224實現(xiàn)。下面一一進行說明。由前可知，每個超材料片層22可看作是由多個超材料單元223排布而成，而每個超材料單元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，如圖6所示，我們在所述超材料片層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圓，從而讓各個超材料單元223大致位于這些同心圓上。讓排布于同一同心圓的各個超材料單元223上的小孔224的長度和直徑均相同，而隨著同心圓的直徑的增大，排布于各個同心圓的超材料單元223上的小孔224的長度不變而直徑增大。由于不同直徑同心圓上的小孔224與所述基板222的相應部分一起表征了不同的介電常數(shù)和磁導率，從而在所述超材料片層22上形成對應每一振子16的具有折射率減小且減小量增大的分布規(guī)律的多個折射率圓24，由若干同心的折射率圓在所述超材料片層22上形成所述折射率分布區(qū)26。在其他的實施例中，也可以讓具有相同直徑的所述小孔224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，隨著同心圓的直徑的增大，只通過調整所述小孔224的長度來調制其介電常數(shù)和磁導率，讓不同直徑的同心圓上具有不同的折射率，從而形成具有折射率減小且減小量增大的分布規(guī)律的多個折射率圓24。另外，我們也可在一個超材料單元223內形成一個以上幾何尺寸(即直徑和長度均相等)相同的圓孔，通過每個超材料單元223上開設的圓孔的多少來調整其折射率。如圖7所示，所述超材料片層22上對應每一振子16的折射率分布區(qū)26內的各個超材料單元223上的小孔224的數(shù)量分布規(guī)律是讓所述小孔224排布于位于所述折射率分布區(qū)26內以正對相應振子16的中心為圓心的多個同心圓的超材料單兀223上,排布于同一同心圓的各個超材料單元223上的小孔224的數(shù)量相同，隨著同心圓的直徑的增大，排布于各個同心 圓的超材料單元223上的小孔224的數(shù)量增多。這樣，也可在正對相應振子16的折射率分布區(qū)26內形成具有折射率減小且減小量增大的分布規(guī)律的多個折射率圓24。由于各個超材料單元223上形成一個以上幾何尺寸相同的圓孔，這樣能簡化在所述基材222上形成所述小孔224的工藝。以上的幾個實施例中，所述小孔224內填充的均是空氣，其折射率肯定小于所述基板222的折射率。事實上，也可在所述小孔224內填充折射率大于所述基板222的折射率的介質。如圖8所示，為球面波形式的電磁波穿過本發(fā)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?yōu)槠矫娌ㄐ问降碾姶挪ㄉ涑龅氖疽鈭D?？梢?，通過在所述超材料模塊20的各個超材料片層22上形成具有某種排布規(guī)律的小孔224并在小孔224內填充相同的介質來調制各個超材料單元223的介電常數(shù)和磁導率，進而在所述超材料片層22上形成具有折射率減小且減小量增大的分布規(guī)律的折射率圓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?yōu)槠矫娌ㄐ问降碾姶挪?，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。此外，由于空氣與所述超材料模塊20的折射率不同，電磁波入射和出射所述超材料模塊20還會發(fā)生反射，這時，我們通常在所述超材料模塊20兩側設置阻抗匹配薄膜來減少電磁波反射。如圖9所示，所述超材料模塊20對應一個振子16的部分兩側分別形成一阻抗匹配薄膜30，每一阻抗匹配薄膜30包括多個壓制在一起的阻抗匹配層32，每一阻抗匹配層32是均勻介質，具有單一的折射率，各個阻抗匹配層32具有不同的折射率，且隨著越靠近所述超材料模塊20其折射率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20的最靠近所述阻抗匹配薄膜30的超材料片層22的折射率。各個阻抗匹配層32的折射率均滿足以下公式 n(i) = ((^max + nmm )/2)m⑵式中，m表示所述超材料模塊20 —側的阻抗匹配薄膜30的總層數(shù)，i表示阻抗匹配層32的序號，最靠近所述超材料模塊20的阻抗匹配層32的序號為m。從式(2)可知，所述阻抗匹配層32的總層數(shù)m與所述超材料模塊20的超材料片層22的最大折射率nmax與最小折射率nmin有直接關系；當i = I時，式(2)表示與空氣接觸的阻抗匹配層32的折射率，其應接近于或等于空氣的折射率，可見，只要nmax與nmin確定，就可以確定所述阻抗匹配層32的總層數(shù)m。所述各個阻抗匹配層32的結構類似于所述超材料片層22，分別包括基板和附著在所述基板上的小孔，通過調制小孔的幾何尺寸和/拓撲形狀來使各個阻抗匹配層32的折射率達到所需的要求，從而實現(xiàn)從空氣到所述超材料片層22的匹配。當然，所述阻抗匹配薄膜30可以是由自然界中存在的多個具有單一折射率的天然材料制成的。所述超材料模塊20的兩側分別設置所述阻抗匹配薄膜30時，式(I)中的I為振子16到與其最靠近的阻抗匹配薄膜30表面的距離。
以上所述僅是本發(fā)明的多個具體實施方式
和/或實施例，不應當構成對本發(fā)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(fā)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(fā)明的保護范圍。比如，上述實施例中所述的方式可以幾個結合起來使用，亦能得到所述超材料片層22所需的折射率分布規(guī)律。所述小孔224也可以是任何形狀的孔。
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，每個超材料片層由多個超材料單元排列而成，每個超材料單元上形成有小孔；每個超材料片層正對每一振子的區(qū)域形成一折射率分布區(qū)，讓所述小孔排布于位于每個折射率分布區(qū)內以正對相應振子的中心的位置為圓心的多個同心圓的超材料單元上，以便形成以正對相應振子的中心的位置為圓心的多個同心的折射率圓；以每個折射率分布區(qū)內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軸建立直角坐標系，則每一折射率圓的折射率應滿足如下關系式
2.根據(jù)權利要求I所述的基站天線，其特征在于，每個超材料單元上形成一個所述小孔，各個超材料單元上的小孔是長度相等的圓孔并填充有空氣；排布于每個折射率分布區(qū)內的同一同心圓的各個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，排布于各個同心圓的超材料單元上的小孔的直徑增大。
3.根據(jù)權利要求I所述的基站天線，其特征在于，每個超材料單元上形成一個所述小孔，各個超材料單元上的小孔是直徑相等的圓孔并填充有空氣；排布于每個折射率分布區(qū)內的同一同心圓的各個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，排布于各個同心圓的超材料單元上的小孔的長度增大。
4.根據(jù)權利要求I所述的基站天線，其特征在于，每個超材料單元上形成一個以上所述小孔，各個超材料單元上的小孔是長度相等的圓孔并填充有空氣；排布于同一同心圓的各個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，排布于各個同心圓的超材料單元上的小孔的數(shù)量增多。
5.根據(jù)權利要求I至4中任一項所述的基站天線，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(qū)。
6.根據(jù)權利要求5所述的基站天線，其特征在于，各個超材料片層上對應同一振子的直徑相同的折射率圓的折射率均相同。
7.根據(jù)權利要求5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(jù)權利要求I所述的基站天線，其特征在于，所述超材料模塊的兩側分別設置有阻抗匹配薄膜，每一阻抗匹配薄膜包括多個阻抗匹配層，每一阻抗匹配層是具有單一折射率的均勻介質，各個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。
9.根據(jù)權利要求8所述的基站天線，其特征在于，每個阻抗匹配層的折射率n(i) = (( max +Wmm)/2)'式中，m表不每一阻抗匹配薄膜的總層數(shù)，i表不阻抗匹配層的序號，最靠近所述超材料模塊的阻抗匹配層的序號為m。
10.根據(jù)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(fā)明涉及一種基站天線，包括具有多個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，每個超材料片層由多個超材料單元排列而成，每個超材料單元上形成有小孔；每個超材料片層正對每一振子的區(qū)域形成一折射率分布區(qū)，讓所述小孔排布于位于每個折射率分布區(qū)內以正對相應振子的中心的位置為圓心的多個同心圓的超材料單元上，以便形成以正對相應振子的中心的位置為圓心的多個同心的折射率圓；以每個折射率分布區(qū)內正對相應振子的中心的位置為原點，以垂直于和平行于所述超材料片層的直線為x軸、y軸建立直角坐標系，則每一折射率圓的折射率滿足一關系式，從而提高基站天線的方向性。
文檔編號H01Q15/00GK102904049SQ20111021558
公開日2013年1月30日 申請日期2011年7月29日 優(yōu)先權日2011年7月29日
發(fā)明者劉若鵬, 季春霖, 岳玉濤 申請人:深圳光啟高等理工研究院, 深圳光啟創(chuàng)新技術有限公司