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Title:
BASE STATION ANTENNA
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2013/016938
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to a base station antenna, including an antenna module having several oscillators arranged in array and a super material module arranged opposite to these oscillators. The super material module includes at least one super material slice layer, each super material slice layer corresponding to the area of each oscillator to form a refractive index distribution area, each refractive index distribution area forming several concentric refractive index circles centred at the centre of the corresponding oscillator. The refractive index of each point on the same refractive index circle is identical, the refractive index of each refractive index circle reduces in the direction away from the centre of the circle and the reduction amount increases, so that the semi-power bandwidth of the electromagnetic waves emitted by the oscillators reduces after passing through the super material module, i.e. the electromagnetic waves can be transmitted farther, improving the directivity and gain of the base station antenna.

Inventors:
LIU, Ruopeng (Software Building, No.9 Gaoxin Zhong 1st Road High-Tech Industrial Estate, Nansha, Shenzhen Guangdong 7, 518057, CN)
刘若鹏 (中国广东省深圳市南山区高新区中区高新中一道9号软件大厦, Guangdong 7, 518057, CN)
JI, Chunlin (Software Building, No.9 Gaoxin Zhong 1st Road High-Tech Industrial Estate, Nansha, Shenzhen Guangdong 7, 518057, CN)
季春霖 (中国广东省深圳市南山区高新区中区高新中一道9号软件大厦, Guangdong 7, 518057, CN)
Application Number:
CN2011/084632
Publication Date:
February 07, 2013
Filing Date:
December 26, 2011
Export Citation:
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Assignee:
KUANG-CHI INSTITUTE OF ADVANCED TECHNOLOGY (Software Building, No.9 GaoxinZhong 1st Road High-Tech Industrial Estate, Nansha, Shenzhen Guangdong 7, 518057, CN)
深圳光启高等理工研究院 (中国广东省深圳市南山区高新区中区高新中一道9号软件大厦, Guangdong 7, 518057, CN)
KUANG-CHI INNOVATIVE TECHNOLOGY LTD. (18B Block A, CIC International Business Center No.1061 of Xiangmei Road, Futia, Shenzhen Guangdong 4, 518034, CN)
深圳光启创新技术有限公司 (中国广东省深圳市福田区香梅路1061号中投国际商务中心A栋18B, Guangdong 4, 518034, CN)
LIU, Ruopeng (Software Building, No.9 Gaoxin Zhong 1st Road High-Tech Industrial Estate, Nansha, Shenzhen Guangdong 7, 518057, CN)
刘若鹏 (中国广东省深圳市南山区高新区中区高新中一道9号软件大厦, Guangdong 7, 518057, CN)
International Classes:
H01Q15/00
Foreign References:
CN1523708A
CN101527394A
CN101404355A
US20050200540A1
Attorney, Agent or Firm:
GUANGZHOU SCIHEAD PATENT AGENT CO., LTD (Room 1508, Huihua Commercial & Trade BuildingNo. 80, Xianlie Zhong Road, Yuexi, Guangzhou Guangdong 0, 510070, CN)
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Claims:
权 利 要 求

1.一种基站天线, 其特征在于, 包括具有若干呈阵列排布的振子的天线模 块及正对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, 每个超材料片层对应每一振子的区域形成一折射率分布区, 每个折射率分 布区以正对相应振子的中心的位置为圓心形成若干同心的折射率圓, 同一折射 率圓上各点的折射率相同, 各个折射率圓的折射率沿远离圓心的方向减小, 且 减小量增大。

2. 根据权利要求 1所述的基站天线, 其特征在于, 各个超材料片层的对应 同一振子的半径相同的折射率圓上, 各个超材料片层的折射率均相同。

3. 根据权利要求 1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。

4. 根据权利要求 1所述的基站天线, 其特征在于, 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, 则每一折射率圓的折射 率如下式:

式中, 为振子到超材料片层的距离; d为超材料片层的厚度, d = ' ―',

^max ^min 和" min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 y所能取得的最大值

5. 根据权利要求 1-4任一项所述的基站天线, 其特征在于, 每个超材料片 层由多个超材料单元排列而成, 各个超材料单元上附着有拓朴形状相同的人工 微结构, 让所述人工微结构排布于位于每个折射率分布区内以正对每一振子的 中心的位置为圓心的多个同心圓的超材料单元上, 排布于同一同心圓的各个超 材料单元上的人工微结构的几何尺寸均相同, 排布于各个同心圓的超材料单元 上的人工微结构的几何尺寸沿远离圓心的方向减小。

6. 根据权利要求 5所述的基站天线, 其特征在于, 所述超材料单元的几何 尺寸等于入射电磁波的波长的十分之一。

7. 根据权利要求 5所述的基站天线, 其特征在于, 所述人工微结构的拓朴 形状相同。

8. 根据权利要求 5所述的基站天线, 其特征在于, 所述人工微结构包括相 互正交的两分支, 每一分支包括相互平行的第一金属线和第二金属线以及正交 于所述第一金属线和第二金属线的第三金属线, 所述两分支的第三金属线相互 正交。

9. 根据权利要求 5所述的基站天线, 其特征在于, 所述人工微结构是由金 属丝构成的雪花形。

10. 根据权利要求 3任一项所述的基站天线, 其特征在于, 每个超材料片层 由多个超材料单元排列而成, 以每个折射率分布区内正对相应振子的中心的位 置所在的超材料单元为圓心形成多个同心圓, 让所述折射率分布区内的各个超 材料单元分别位于这些同心圓上; 每个超材料单元上形成有小孔。

11. 根据权利要求 10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, 而各个超材料单元上的小孔是深度相等的圓孔, 当所述小孔 内填充的介质的折射率大于所述基板的折射率时, 排布于每个折射率分布区内 的同一同心圓的各个超材料单元上的小孔的直径相同, 排布于各个同心圓的超 材料单元上的小孔的直径沿远离圓心的方向减小。

12. 根据权利要求 10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, 而各个超材料单元上的小孔是直径相等的圓孔, 当所述小孔 内填充的介质的折射率大于所述基板的折射率时, 排布于每个折射率分布区内 的同一同心圓的各个超材料单元上的小孔的深度相同, 排布于各个同心圓的超 材料单元上的小孔的深度沿远离圓心的方向减小。

13. 根据权利要求 10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, 而各个超材料单元上的小孔是深度相等的圓孔, 当所述小孔 内填充的介质的折射率小于所述基板的折射率时, 排布于每个折射率分布区内 的同一同心圓的各个超材料单元上的小孔的直径相同, 排布于各个同心圓的超 材料单元上的小孔的直径沿远离圓心的方向增大。

14. 根据权利要求 10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, 而各个超材料单元上的小孔是直径相等的圓孔, 当所述小孔 内填充的介质的折射率小于所述基板的折射率时, 排布于每个折射率分布区内 的同一同心圓的各个超材料单元上的小孔的深度相同, 排布于各个同心圓的超 材料单元上的 d、孔的深度沿远离圓心的方向增大。

15. 根据权利要求 10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, 而各个超材料单元上的小孔是几何尺寸相同的圓孔, 当 所述小孔内填充的介质的折射率小于所述基板的折射率时, 排布于同一同心圓 的各个超材料单元上的小孔的数量相同, 排布于各个同心圓的超材料单元上的 小孔的数量沿远离圓心的方向增多。

16. 根据权利要求 10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, 而各个超材料单元上的小孔是几何尺寸相同的圓孔, 当 所述小孔内填充的介质的折射率大于所述基板的折射率时, 排布于同一同心圓 的各个超材料单元上的小孔的数量相同, 排布于各个同心圓的超材料单元上的 小孔的数量沿远离圓心的方向减少。

17. 根据权利要求 14-16任一项所述的基站天线, 其特征在于, 所述小孔内 填充的是空气。

18. 根据权利要求 10所述的基站天线, 其特征在于, 每个超材料单元上形 成个数相同的所述小孔, 而各个超材料单元上的小孔是几何尺寸相同的圓孔, 排布于每个折射率分布区内的同一同心圓的各个超材料单元上的小孔内填充的 介质的折射率相同, 排布于各个同心圓的超材料单元上的小孔内填充的介质的 折射率沿远离圓心的方向减小。

19. 根据权利要求 10所述的基站天线, 其特征在于, 每一阻抗匹配层是具 有单一折射率的均勾介质, 各个阻抗匹配层的折射率沿靠近所述超材料模块的 方向, 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。

20. 根据权利要求 10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 + «mm)/2 , 式中, m表示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 m。

Description:
基站天线

本申请要求于 2011年 7月 29日提交中国专利局、申请号为 201110216327.9, 发明名称为 "基站天线" 的中国专利申请的优先权, 2011年 7月 29日提交中国 专利局、 申请号为 201110216339.1 , 发明名称为 "基站天线" 的中国专利申请 的优先权, 2011年 7月 29日提交中国专利局、 申请号为 201110215581.7, 发明 名称为 "基站天线" 的中国专利申请的优先权, 2011年 7月 29日提交中国专利 局、 申请号为 201110215452.8 , 发明名称为 "基站天线" 的中国专利申请的优 先权, 其全部内容通过引用结合在本申请中。 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 4尤, 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 0.707倍 处的夹角也称为半功率角。 半功率角亦称半功率带宽(以下用此用语)。 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。

本发明提供一种基站天线, 包括具有若干呈阵列排布的振子的天线模块及 正对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, 每个超材料片层对应每一振子的区域形成一折 射率分布区, 每个折射率分布区 以正对相应振子的中心的位置为圓心形成若干 同心的折射率圓, 同一折射率圓 上各点的折射率相同, 各个折射率圓的折射率沿远离圓心的方向减小 , 且减小 量增大。

其中, 各个超材料片层的对应同一振子的半径相同的 折射率圓上, 各个超 材料片层的折射率均相同。

其中, 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。

其中, 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, 则每一折射率圓的折射率如下式: 式中, 为振子到超材料片层的距离; d为超材料片层的厚度, d = , ―',

^max ^min

"皿和 " min 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 y所能取得的最大值

其中, 每个超材料片层由多个超材料单元排列而成, 各个超材料单元上附 着有拓朴形状相同的人工微结构, 让所述人工微结构排布于位于每个折射率分 布区内以正对每一振子的中心的位置为圓心的 多个同心圓的超材料单元上, 排 布于同一同心圓的各个超材料单元上的人工微 结构的几何尺寸均相同, 排布于 各个同心圓的超材料单元上的人工微结构的几 何尺寸沿远离圓心的方向减小。

其中, 所述超材料单元的几何尺寸等于入射电磁波的 波长的十分之一。 其中, 所述人工 结构的拓朴形状相同。

其中, 所述人工微结构包括相互正交的两分支, 每一分支包括相互平行的 第一金属线和第二金属线以及正交于所述第一 金属线和第二金属线的第三金属 线, 所述两分支的第三金属线相互正交。

其中, 所述人工微结构是由金属丝构成的雪花形。

其中, 每个超材料片层由多个超材料单元排列而成, 以每个折射率分布区 内正对相应振子的中心的位置所在的超材料单 元为圓心形成多个同心圓, 让所 述折射率分布区内的各个超材料单元分别位于 这些同心圓上; 每个超材料单元 上形成有小孔。

其中, 每个超材料单元上形成一个所述小孔, 而各个超材料单元上的小孔 是深度相等的圓孔, 当所述小孔内填充的介质的折射率大于所述基 板的折射率 时, 排布于每个折射率分布区内的同一同心圓的各 个超材料单元上的小孔的直 径相同, 排布于各个同心圓的超材料单元上的小孔的直 径沿远离圓心的方向减 小。

其中, 每个超材料单元上形成一个所述小孔, 而各个超材料单元上的小孔 是直径相等的圓孔, 当所述小孔内填充的介质的折射率大于所述基 板的折射率 时, 排布于每个折射率分布区内的同一同心圓的各 个超材料单元上的小孔的深 度相同, 排布于各个同心圓的超材料单元上的小孔的深 度沿远离圓心的方向减 小。

其中, 每个超材料单元上形成一个所述小孔, 而各个超材料单元上的小孔 是深度相等的圓孔, 当所述小孔内填充的介质的折射率小于所述基 板的折射率 时, 排布于每个折射率分布区内的同一同心圓的各 个超材料单元上的小孔的直 径相同, 排布于各个同心圓的超材料单元上的小孔的直 径沿远离圓心的方向增 大。

其中, 每个超材料单元上形成一个所述小孔, 而各个超材料单元上的小孔 是直径相等的圓孔, 当所述小孔内填充的介质的折射率小于所述基 板的折射率 时, 排布于每个折射率分布区内的同一同心圓的各 个超材料单元上的小孔的深 度相同, 排布于各个同心圓的超材料单元上的小孔的深 度沿远离圓心的方向增 大。

其中, 每个超材料单元上形成一个以上所述小孔, 而各个超材料单元上的 小孔是几何尺寸相同的圓孔, 当所述小孔内填充的介质的折射率小于所述基 板 的折射率时, 排布于同一同心圓的各个超材料单元上的小孔 的数量相同, 排布 于各个同心圓的超材料单元上的小孔的数量沿 远离圓心的方向增多。

其中, 每个超材料单元上形成一个以上所述小孔, 而各个超材料单元上的 小孔是几何尺寸相同的圓孔, 当所述小孔内填充的介质的折射率大于所述基 板 的折射率时, 排布于同一同心圓的各个超材料单元上的小孔 的数量相同, 排布 于各个同心圓的超材料单元上的 d、孔的数量沿远离圓心的方向减少。

其中, 所述小孔内填充的是空气。 其中, 每个超材料单元上形成个数相同的所述小孔, 而各个超材料单元上 的小孔是几何尺寸相同的圓孔, 排布于每个折射率分布区内的同一同心圓的各 个超材料单元上的小孔内填充的介质的折射率 相同, 排布于各个同心圓的超材 料单元上的小孔内填充的介质的折射率沿远离 圓心的方向减小

其中, 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 折射率沿靠近所述超材料模块的方向, 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。

其中, 每个阻抗匹配层的折射率 , 式中, m表示阻抗匹 配薄膜的总层数, i表示阻抗匹配层的 号 ^^超材料模块的阻抗匹配 层的序号为 m。

本发明的基站天线具有以下有益效果: 通过让所述超材料模块空间各点的 折射率分布满足一定的规律来控制电磁波的传 播, 从而使由振子发射出的电磁 波经过所述超材料模块后, 半功率带宽变小, 电磁波即可传播的更远, 提高了 基站天线的方向性和增益。

另外, 通过在所述超材料模块的超材料片层上形成多 个小孔, 并让所述小 孔的排布满足一定的规律, 以便在正对每一振子的折射率分布区内形成具 有折 射率减小且减小量增大的分布规律的多个折射 率圓, 从而使由振子发射出的电 磁波穿过所述超材料模块时改变电磁波的传播 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。

另外, 通过在所述超材料片层上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圓, 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。

另外, 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 圓, 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。 附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中 的技术方案, 下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单 地介绍, 显而易见地, 下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例, 对于本领域普通技术人员来讲, 在不付 出创造性劳动的前提下, 还可以根据这些附图获得其他的附图。

图 1是本发明的基站天线的结构示意图;

图 2是图 1中的天线模块的平面放大图;

图 3是图 1中的超材料模块的超材料片层的平面放大图

图 4是图 3所示的一个折射率分布区的放大图;

图 5是图 4中的人工微结构的分布规律图;

图 6是图 5中的人工 结构的示例图;

图 7是图 6中的人工微结构的分解图。

图 8是第二实施方式中对应一个振子的一个折射 分布区内的小孔的第一 排布示意图;

图 9是对应一个振子的一个折射率分布区内的折 率圓分布示意图; 图 10是第二实施方式中对应一个振子的一个折射 分布区内的小孔的第二 排布示意图;

图 11是第二实施方式中对应一个振子的一个折射 分布区内的小孔的第三 排布示意图;

图 12是第二实施方式中对应一个振子的超材料片 块对电磁波的汇聚示意 图;

图 13是第三实施方式中对应一个振子的折射率分 区内的折射率圓分布示 意图;

图 14是第三实施方式中一个超材料片层上对应一 振子的折射率分布区的 截面放大图;

图 15是第三实施方式中对应一个振子的折射率分 区内的金属走线结构的 排布示意图;

图 16是第三实施方式中对应一个振子的超材料模 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 17是第四实施方式中对应一个振子的折射率分 区内的小孔的第一排布 示意图;

图 18是第四实施方式中对应一个振子的折射率分 区内的小孔的第二排布 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、 322、 222 、 522基材、 223、 323、 423、 523 超材料单元、 224、 424人 工微结构、 226第一金属线、 227 第二金属线、 228 第三金属线、 28金属走线 结构、 24 、 36折射率分布区、 34折射率圓、 324 、 524小孔、 30 阻抗匹配薄 膜、 32 阻抗匹配层、 具体实施例

本发明提供一种基站天线, 通过在阵列天线的电磁波发射方向上设置一超 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, 电磁波由一种均勾介质传播进入另外一种均勾 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朴形状和几何尺寸 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 朴形状和 /或几何尺寸来调制空间各点的介电常数和磁 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。 且实验证明, 在人工微结构的拓朴形状相同的情况下, 单位体积上 人工微结构的几何尺寸越大, 超材料空间各点的介电常数越大; 反之, 介电常 数越小。 也即, 在人工微结构的拓朴形状确定的情况下, 可以通过让超材料空 间各点的人工微结构的几何尺寸的大小满足一 定的规律而调制介电常数, 以对 超材料空间各点的折射率进行排制而达到改变 电磁波的传播路径的目的。

如图 1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 相邻两排振子 16相互交错排列的 4 x 9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方向) 叠加而成的超材料 片层 22。 图中所示为 3层, 具体实施时, 所述超材料片层 22的数目可依据需求 来增减, 并可在其两侧设置阻抗匹配层, 以减少电磁波反射。 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 例进行描述。

如图 3所示, 每个超材料片层 22包括基材 222和附着在所述基材 222上的 多个人工微结构 224。所述基材 222可由聚四氟乙烯等高分子聚合物或陶瓷材料 制成。 所述人工微结构 224通常为金属线如铜线或者银线构成的具有一 定拓朴 形状的平面或立体结构, 并通过一定的加工工艺附着在所述基材 222上, 例如 蚀刻、 电镀、 钻刻、 光刻、 电子刻、 离子刻等。 由于所述人工微结构 224过于 微小, 在图 3中将其近似画作一个点。

一般, 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的中心的位置为圓心形成若干同心的 折射率圓, 同一折射率圓上各点的折射率相同, 各个折射率圓的折射率沿远离 圓心的方向减小,且减小量增大, 4叚设各个半径增大的折射率圓的折射率为 ηι , n 2 , n 3 ...n p , 贝 1 J有 n n n .. !^, JL ( n p-1 -n p ) >...> ( n 2 -n 3 ) > ( n!-n 2 ), q为大 于 0的自然数。 从而, 所述超材料片层 22对应每一振子 16的区域形成一折射 率分布区 24, 如图 3中由虚线分隔形成的若干区域。 且各个超材料片层 22的对 应同一振子 16的半径相同的折射率圓上 ,各个超材料片层 22的折射率均相同。 由前可知, 我们可让每个超材料片层 22上的人工 结构 224的拓朴形状相同并 排布于对应每一振子 16的折射率分布区 24内的折射率圓上, 排布于同一折射 率圓上各点的人工微结构 224 的几何尺寸相同, 排布于其上各点的人工微结构 224的几何尺寸沿远离圓心的方向减小。 且各个超材料片层 22的对应同一振子 16的半径相同的折射率圓上,排布于其上的人 微结构 224的几何尺寸均相同。 实际中, 应该是让所述人工微结构 224排布于以正对每一振子 16的中心的位置 为圓心的若干同心圓上, 排布于同一同心圓上各点的人工微结构 224 的几何尺 寸相同,排布于其上各点的人工微结构 224的几何尺寸沿远离圓心的方向减小, 且各个超材料片层 22的对应同一振子 16的半径相同的同心圓上, 排布于其上 的人工微结构 224的几何尺寸均相同。 从而在各个超材料片层 22上形成对应每 一振子 16的相同的折射率圓及相同的折射率排布区 24。

如图 4所示, 为选自图 3中的对应一个振子 16的人工微结构 224的排布放 大图。 一般, 我们将每个人工微结构 224及其所附着的基材 222部分人为定义 为一个超材料单元 223 ,且每个超材料单元 223的尺寸应小于所需响应的电磁波 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。 这样, 所述超材料片层 22便可看作是由多个超材料单元 223阵列排布而 成的。 我们知道, 所述超材料单元 223 的尺寸一般都艮微小, 可以近似看作一 个圓点, 这样, 圓便可以看作是由若干超材料单元 223 沿圓周堆叠而成的, 因 此, 我们可以将所述人工微结构 224阵列排布于所述基材 222上近似看作是所 述人工 结构 224排布于同心圓上。也即,正对振子 16的中心的超材料单元 223 上设置几何尺寸最大的人工微结构 224, 随着距离所述正对振子 16的中心的超 材料单元 223越远, 所述超材料单元 223上依次设置几何尺寸减小的人工微结 构 224, 最远处的人工微结构 224的几何尺寸最小, 且距离所述正对振子 16的 中心的超材料单元 223相同远近处的超材料单元 223上设置的人工微结构 224 的几何尺寸相同, 以使所述人工微结构 224符合以上所述的以正对振子 16的中 心的位置为圓心的同心圓的排布规律, 如图 5中虚线所示。 图 4和图 5中所示 的对应一个振子 16的人工微结构 224的阵列排布方式仅为一个示例, 且所述人 造微结构 224是按比例缩小的, 事实上, 对应同一折射率分布规律的人工微结 构的排布方式还有很多种, 且我们可只缩小构成所述人造微结构 224 的金属线 的长度、 保持金属线的宽度不变(也即金属线的宽度相 等), 这样可简化制造工 艺

如图 6和图 7所示, 为本发明的人工微结构的一个实施例。 所述人工微结 构 224呈雪花状, 其包括相互正交的两分支 225 , 每一分支 225包括相互平行的 第一金属线 226和第二金属线 227以及正交于所述第一金属线 226和第二金属 线 227的第三金属线 228。 每一人工微结构 224的两分支 225的第三金属线 228 相互正交。

本实施例通过让相同拓朴形状的人工微结构按 照一定的排布规律设置在各 个超材料单元上, 得以调制各个超材料单元的介电常数, 进而形成了超材料片 特定的方向偏折, 即可使球面波形式的电磁波转变为平面波形式 的电磁波, 以 便适于远距离传输, 而且本发明的折射率分布规律可使由振子发射 出的电磁波 汇聚, 半功率带宽变小, 让电磁波传播的更远, 提高了基站天线的方向性和增 益。

上述折射率分布规律及其变化量关系还可通过 人工微结构的拓朴形状或拓 朴形状结合几何尺寸, 或者构成人工微结构的金属线的宽窄来实现。

请一并参阅图 8及图 9, 为本发明第二实施方式提供的基站天线, 所述基站 天线与第一实施方式中的基站天线 10基本相同, 其不同之处在于, 为本发明第 二实施方式提供的基站天线对应所述基站天线 10中的人工微结构的位置是小孔 324。 所述小孔 324可根据所述基板 322的材质不同对应采用合适的工艺形成于 所述基板 322上。 例如当所述基板 322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 322上形成所述小孔 324, 而当所 述基板 322 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 322上形成所述小孔 324。 用同心圓表示折射率圓 34, 并用相邻 同心圓之间的间距的大小来表示相邻折射率圓 34的折射率的变化量, 则对应一 个振子的折射率分布区 36内的各个折射率圓 34的折射率变化规律如图 9所示。

由实验可知, 当各个超材料单元 323上的小孔 324内填充的介质相同且其 折射率小于所述基材 322的折射率时, 所述小孔 324占整个超材料单元 323的 体积越大, 所述超材料单元 323的折射率越小; 当各个超材料单元 323上的小 孔 324内填充的介质相同且其折射率大于所述基材 322的折射率时, 所述小孔 324占整个超材料单元 323的体积越大, 所述超材料单元 323的折射率越大; 当 所述小孔 324占整个超材料单元 323的体积相同时, 所述小孔 324内填充的不 同介质的折射率与所述超材料单元 323的折射率成正比。 所述小孔 324 占整个 超材料单元 323的体积可通过在所述超材料单元 323上形成一个几何尺寸不同 的小孔 324来实现, 也可以通过在所述超材料单元 323上形成多个尺寸相同的 小孔 324实现。 下面——进行说明。

如图 8所示, 为对应一个振子的折射率分布区 36内的小孔 324的排布示意 图。 由超材料改变电磁波传播路径的原理可知, 我们可在所述超材料片层上以 正对每一振子的中心的位置为圓心形成多个同 心圓,从而让各个超材料单元 323 排布于这些同心圓上。让排布于同一同心圓的 各个超材料单元 323上的小孔 324 的深度和直径均相同, 排布于各个同心圓的超材料单元 323上的小孔 324的直 径沿远离圓心的方向增大而深度不变。 即可在所述超材料片层上由这些同心圓 形成所述折射率分布区 36。 由于不同直径同心圓上的小孔 324与所述基板 322 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上形 成对应每一振子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圓。 由前可知, 每个超材料片层可看作是由多个超材料单元 323排列而成, 而每个 超材料单元 323 的尺寸一般都很微小, 可以近似看作一个点, 则圓便可以看作 是由多个超材料单元 323沿圓周堆叠而成的。 故在图 8中, 所述小孔 324阵列 排布可近似看作沿同心圓排布。

在其他的实施例中, 也可以让具有相同直径的所述小孔 324排布于以正对 每一振子的中心的位置为圓心的多个同心圓上 , 随着同心圓的直径的增大, 只 通过调整所述小孔 324 的深度来调制其介电常数和磁导率, 让不同直径的同心 圓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 多个折射率圓。

另外, 我们也可在一个超材料单元 323 内形成一个以上几何尺寸 (即直径 和深度均相等)相同的圓孔, 通过每个超材料单元 323 上开设的圓孔的多少来 调整其折射率, 如图 10所示。 所述超材料片层上对应每一振子的折射率分布 区 36内的各个超材料单元 323上的小孔 324的数量分布规律是: 让所述小孔 324 排布于位于所述折射率分布区 36内以正对相应振子的中心为圓心的多个同心 的超材料单元 323上, 排布于同一同心圓的各个超材料单元 323上的小孔 324 的数量相同, 排布于各个同心圓的超材料单元 323上的小孔 324的数量沿远离 圓心的方向增多。 这样, 也可在正对相应振子的折射率分布区 36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 率圓。 由于各个超材料单元 323 上形成一个以上几何尺寸相同的圓孔, 这样能简化在所述基材 322上形成所述 小孔 324的工艺。

以上所述的几个实施例中, 所述小孔 324 内填充的均是空气, 其折射率肯 定小于所述基板 322的折射率。 事实上, 也可在所述小孔 324内填充折射率大 于所述基板 322的折射率的介质, 如对于图 10所示的情况, 所述超材料片层上 对应每一振子的折射率分布区 36内的各个超材料单元 323上的小孔 324的数量 分布规律是: 让所述小孔 324排布于位于所述折射率分布区 36内以正对相应振 子的中心为圓心的多个同心圓的超材料单元 323 上, 排布于同一同心圓的各个 超材料单元 323上的小孔 324的数量相同,排布于各个同心圓的超材料单 元 323 上的小孔 324的数量沿远离圓心的方向减少。

如图 11所示,为分布在所述超材料片层上对应一个 子的折射率分布区 36 内的几何尺寸相同的各个小孔 324 内填充不同折射率的介质的填充示意图。 故 有, 不同折射率的介质在所述小孔 324 的填充规律为: 以正对振子的中心的位 置为圓心形成的多个同心圓的超材料单元 323上排布几何尺寸均相同的小孔 324, 排布于同一同心圓的各个超材料单元 323上的小孔 324内填充的介质的折射率 相同, 排布于各个同心圓的超材料单元 323上的小孔 324内填充的介质的折射 率沿远离圓心的方向减小。 若用阴影线的疏密来表示所述小孔 324 中填充的介 质的折射率的大小, 则对应一个振子的折射率分布区 36内的各个小孔 324填充 的不同折射率的介质分布如图 11所述。 图 11 中, 每个超材料单元 323上仅形 成一个所述小孔 324。 在其他的实施方式中, 可以在各个超材料单元 323上形成 数个相同或不相同的所述小孔 324, 只要保证各个超材料单元 323上的小孔 324 的体积均相等即可。

而后将多个所述超材料片层叠加在一起, 让各个所述超材料片层上对应同 一振子形成相同的折射率分布区 36, 且各个所述超材料片层上对应同一振子的 直径相同的折射率圓 34的折射率均相同。

如图 12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 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 324或在小孔 324内填充相同或不同介质来调制各个超 材料单元 323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圓 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。 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。

请一并参阅图 13及图 14, 为本发明第三实施方式提供的基站天线, 所述基 站天线与第一实施方式中的基站天线 10基本相同, 其不同之处在于, 所述各个 超材料片层上的各个折射率分布区 26内的折射率圓 24的折射率满足一种分布 规律的公式。

请参阅图 14, 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

式中, /为振† 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, JLd = ^ /2 + ?2 - , "皿和 "匪分别表示所述折射率分布区 26内所能取

^max ^min

得的折射率的最大值和最小值; R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圓心、 以 y为半径作一个圓即在所述折射率分 布区 26形成各点的折射率均相同的折射率圓。

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的半径相同的折射率圓 24的折射 率均相同。

根据人工微结构对超材料的折射率的影响原理 , 下面我们举例说明如何在 每个超材料片层 22的基板 422上附着平面的金属走线结构 28 (仅为人工微结构 224的一种类型)来实现前述折射率分布公式的 规律。 如图 15所示即为对应一 个振子 16的折射率分布区 26内的金属走线结构 28的一个排布示意图, 所述金 属走线结构 28呈雪花状且由内而外是等比例缩小的。 事实上, 所述金属走线结 构 28的排布方式还有很多种, 且我们可让构成所述金属走线结构 28的金属线 的宽度相等, 这样可简化制造工艺。

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 16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, 且沿靠近所述超材料模块 20的方向, 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(0 = ((H )/ 2 ( 2 ) 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 "皿与最小折射率" 有直接关系; 当 i=l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 " 与" mm 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人工微结构, 通过调制人工微结构的几何尺寸和 /拓朴形状 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( 1 ) 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。

请一并参阅图 17及图 18 , 为本发明第四实施方式提供的基站天线, 所述基 站天线与第三实施方式中的基站天线基本相同 , 其不同之处在于, 为本发明第 二实施方式提供的基站天线对应所述基站天线 中的人工微结构的位置是小孔 524

如图 17所示, 我们在所述超材料片层上以正对每一振子的中 心的位置为圓 心形成多个同心圓, 从而让各个超材料单元 523 大致位于这些同心圓上。 让排 布于同一同心圓的各个超材料单元 523上的小孔 524的长度和直径均相同, 排 布于各个同心圓的超材料单元 523上的小孔 524的直径沿远离圓心的方向增大 而长度不变。 由于不同直径同心圓上的小孔 524与所述基板 522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上形成对应每一振 子的具有折射率减小且减小量增大的分布规律 的多个折射率圓, 由若干同心的 折射率圓在所述超材料片层上形成所述折射率 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 524排布于以正对 每一振子的中心的位置为圓心的多个同心圓上 , 随着同心圓的直径的增大, 只 通过调整所述小孔 524 的长度来调制其介电常数和磁导率, 让不同直径的同心 圓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 多个折射率圓。

另外, 我们也可在一个超材料单元 523 内形成一个以上几何尺寸 (即直径 和长度均相等)相同的圓孔, 通过每个超材料单元 523 上开设的圓孔的多少来 调整其折射率。 如图 18所示, 所述超材料片层 22上对应每一振子的折射率分 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内以正对相应振子的中心为圓心的多个同 心圓的超材料单元 523上, 排布于同一同心圓的各个超材料单元 523上的小孔 524的数量相同,排布于各个同心圓的超材料单 元 523上的小孔 524的数量沿远 离圓心的方向增多。 这样, 也可在正对相应振子的折射率分布区 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 射率圓。由于各个超材料单元 523 上形成一个以上几何尺寸相同的圓孔, 这样能简化在所述基材 522上形成所述 小孔 524的工艺。

以上的几个实施例中, 所述小孔 524 内填充的均是空气, 其折射率肯定小 于所述基板 522的折射率。 事实上, 也可在所述小孔 524内填充折射率大于所 述基板 522的折射率的介质。 层所需的折射率分布规律。 所述小孔 524也可以是任何形状的孔。

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, 上述折射率分布规律及其变化量关系还可通过 所述金属走线结 构 28的拓朴形状或拓朴形状结合几何尺寸来实现

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述, 但是本发明并不局限于上述 的具体实施方式, 上述的具体实施方式仅仅是示意性的, 而不是限制性的, 本 领域的普通技术人员在本发明的启示下, 在不脱离本发明宗旨和权利要求所保 护的范围情况下, 还可做出很多形式, 这些均属于本发明的保护之内。




 
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