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Patent Searching and Data


Title:
BASE STATION ANTENNA
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2013/029324
Kind Code:
A1
Abstract:
The present invention relates to a base station antenna comprising an antenna module having multiple resonators arranged in an array and a metamaterial module arranged in correspondence to the resonators. The metamaterial module comprises at least one metamaterial lamella. Areas on each metamaterial lamella directly opposite to each resonator form refractive index distribution areas. Each refractive index distribution area forms therein multiple refractive index straight lines parallel to each other. With one refractive index straight line within each refractive index distribution area as a dividing line, respectively formed on two sides of the dividing line is one square area. Points on a same refractive index straight line within each square area have identical refractive indexes. Each refractive index straight line decreases gradually along the direction away from the dividing line, while the rate of decrease increases gradually. This changes a transmission path of an electromagnetic wave emitted by the resonators, thus improving the directionality and gain thereof.

Inventors:
LIU, Ruopeng (Software Building, No.9 GaoxinZhong 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 GaoxinZhong 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:
CN2011/084550
Publication Date:
March 07, 2013
Filing Date:
December 23, 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 GaoxinZhong 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:
CN101587990A
CN102057536A
CN102110891A
CN101919109A
US7940228B1
US20050225492A1
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至少一个超材料片层, 每个超材 料片层上形成多个相互平行的折射率直线; 以其中一折射率直线为分界线, 每 个超材料片层上于所述分界线的每一侧由若干相邻折射率直线为一组形成多个 折射率分布区; 每个折射率分布区内的同一折射率直线上各点的折射率均相同, 各个折射率直线的折射率沿远离所述分界线的方向减小, 且减小量增大, 各个 折射率分布区内离所述分界线的距离最近的折射率直线的折射率均相等、 离所 述分界线的距离最远的折射率直线的折射率均相等。

2.根据权利要求 1所述的基站天线, 其特征在于, 以每个超材料片层的所 述分界线为 X轴、 所述分界线上的一点为原点 0、 垂直于 X轴而平行于超材料 片层并通过原点 O的直线为 y轴建立直角坐标系 O-xy, 则坐标为 y的折射率直 线的折射率:

式中, 为振子到所述超材料片层的距离; λ为入射电磁波的波长; d为所 述超材料片层的厚度, d = ^ - ^, " 和 "皿分別表示所述超材料片层上的最 大折射率和最小折射率; k = y¾0r(£^Z !), k表示所述折射率分布区由 X轴 λ

向距离更远的方向变化的序号, floor是向下取整函数。

3.根据权利要求 1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; 在每个超材料片层上作多个相互平行的直线, 让所述超 材料片层的各个超材料单元分别位于这些直线上; 以其中一直线为分界线而将 线每一侧的若干相邻直线上的超材料单元为一組形成多个折射率分布区; 每个 超材料片层的各个超材料单元上附着有拓朴形状相同的人工微结构, 让位于每 个折射率分布区内的同一直线的各个超材料单元上排布的所述人工微结构的几 何尺寸均相同, 位于各个直线的超材料单元上排布的所述人工微结构的几何尺 寸沿远离所述分界线的方向减小, 而各个折射率分布区内位于离所述分界线最 近的直线的各个超材料单元上排布的所述人工微结构的几何尺寸均相等、 位于 离所述分界线最远的直线的各个超材料单元上排布的所述人工微结构的几何尺 寸均相等。

4.根据权利要求 3所述的基站天线, 其特征在于, 所述超材料单元的几何 尺寸小于入射电磁波的波长的五分之一。

5.根据权利要求 4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。

6. 根据权利要求 3所述的基站天线, 其特征在于, 所述人工微结构为金属 线构成的具有一定拓 4卜形状的平面或立体结构。

7. 根据权利要求 3所述的基站天线, 其特征在于, 所述人工微结构为铜线 制成。

8. 根据权利要求 3所述的基站天线, 其特征在于, 所述人工微结构为银线 制成。

9. 根据权利要求 3所述的基站天线, 其特征在于, 所述人工微结构通过蚀 刻、 电镀、 钻刻、 光刻、 电子刻和离子刻中的任意一种工艺制成。

10. 根据权利要求 3所述的基站天线, 其特征在于, 所述人工微结构呈雪花 状。

11. 根据权利要求 3所述的基站天线, 其特征在于, 所述人工微结构是呈雪 花状的平面金属微结构。

12. 根据权利要求 1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; 在每个超材料片层上作多个相互平行的直线, 让所述超 材料片层的各个超材料单元分别位于这些直线上; 以其中一直线为分界线而将 线每一侧的若干相邻直线上的超材料单元为一组形成多个折射率分布区; 每个 超材料片层的各个超材料单元上均形成深度相同的圓形小孔, 让位于每个折射 率分布区内的同一直线的各个超材料单元上形成的所迷小孔的直径均相同, 位 于各个直线的超材料单元上形成的所述' j、孔的直径沿远离所述分界线的方向增 大, 而各个折射率分布区内位于离所述分界线最近的直线的各个超材料单元上 形成的所述小孔的直径均相等、 位于离所述分界线最远的直线的各个超材料单 元上形成的所述小孔的直径均相等。

13. 根据权利要求 1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; 在每个超材料片层上作多个相互平行的直线, 让所述超 材料片层的各个超材料单元分别位于这些直线上; 以其中一直线为分界线而将 所述超材料片层的各个超材料单元分隔在所述分界线的两侧, 由位于所述分界 线每一侧的若干相邻直线上的超材料单元为一組形成多个折射率分布区; 每个 超材料片层的各个超材料单元上均形成直径相同的圓形小孔, 让位于每个折射 率分布区内的同一直线的各个超材料单元上形成的所述小孔的深度均相同, 位 于各个直线的超材料单元上形成的所述小孔的深度沿远离所述分界线的方向增 大, 而各个折射率分布区内位于离所述分界线最近的直线的各个超材料单元上 形成的所述小孔的深度均相等、 位于离所述分界线最远的直线的各个超材料单 元上形成的所述小孔的深度均相等。

14. 根据权利要求 1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; 在每个超材料片层上作多个相互平行的直线, 让所述超 材料片层的各个超材料单元分别位于这些直线上; 以其中一直线为分界线而将 所述超材料片层的各个超材料单元分隔在所述分界线的两侧, 由位于所述分界 线每一侧的若干相邻直线上的超材料单元为一组形成多个折射率分布区; 每个 超材料片层的各个超材料单元上均形成数量不等的直径和深度均相同的圓形小 孔, 让位于每个折射率分布区内的同一直线的各个超材料单元上形成的所述小 孔的数量均相同, 位于各个直线的超材料单元上形成的所述小孔的数量沿远离 所述分界线的方向增多, 而各个折射率分布区内位于离所述分界线最近的直线 的各个超材料单元上形成的所述小孔的数量均相等、 位于离所述分界线最远的 直线的各个超材料单元上形成的所述小孔的数量均相等。

15. 如权利要求 12-14任一项所述的基站天线, 其特征在于, 所述小孔内填 充介质。

16. 如权利要求 15所述的基站天线, 其特征在于, 所述小孔内填充空气。

17. 根据权利要求 2所述的基站天线, 其特征在于, 以经过原点 0且垂直 于 xoy坐标面的直线为 z轴, 从而建立直角坐标系 O-xyz, 所述超材料模块包括 多个沿 z轴叠加的超材料片层, 各个超材料片层上均以 X轴为分界线于两侧形 成相同的折射率分布区。

18. 根据权利要求 17所述的基站天线, 其特征在于, 各个超材料片层的相 应折射率分布区内的折射率直线分布均相同。

19. 根据权利要求 1所述的基站天线, 其特征在于, 所述超材料模块的至少 一侧设有阻抗匹配薄膜, 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逐渐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 19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) = ((«maxmiJ/2)^, 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 m。

Description:
基站天线

本申请要求于 2011年 8月 31 日提交中国专利局、申请号为 2011102544938、 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, 4巴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,4巴相 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。 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至少一个超材料片层, 每个超材料片 层上形成多个相互平行的折射率直线; 以其中一折射率直线为分界线, 每个超 材料片层上于所述分界线的每一侧由若干相邻 折射率直线为一组形成多个折射 率分布区; 每个折射率分布区内的同一折射率直线上各点 的折射率均相同, 各 个折射率直线的折射率沿远离所述分界线的方 向减小, 且减小量增大, 各个折 射率分布区内离所述分界线的距离最近的折射 率直线的折射率均相等、 离所述 分界线的距离最远的折射率直线的折射率均相 等

其中, 以每个超材料片层的所迷分界线为 X轴、 所迷分界线上的一点为原 点 0、 垂直于 X轴而平行于超材料片层并通过原点◦的直线 y轴建立直角坐 标系 O-xy , 则坐标为 y的折射率直线的折射率:

式中, 为振子到所述超材料片层的距离; λ为入射电磁波的波长; d为所 述超材料片层的厚度, , "皿和 "皿分别表示所述超材料片层上的最 大折射率和最小折射率; λ , k表示所述折射率分布区由 X轴 向距离更远的方向变化的序号, 是向下取整函数。

其中, 每个超材料片层由多个超材料单元排列而成; 在每个超材料片层上 作多个相互平行的直线, 让所述超材料片层的各个超材料单元分别位于 这些直 迷分界线的两侧, 由位于所述分界线每一侧的若干相邻直线上的 超材料单元为 一组形成多个折射率分布区; 每个超材料片层的各个超材料单元上附着有拓 朴 形状相同的人工微结构, 让位于每个折射率分布区内的同一直线的各个 超材料 单元上排布的所述人工微结构的几何尺寸均相 同, 位于各个直线的超材料单元 上排布的所述人工微结构的几何尺寸沿远离所 述分界线的方向減小, 而各个折 射率分布区内位于离所述分界线最近的直线的 各个超材料单元上排布的所述人 工微结构的几何尺寸均相等、 位于离所述分界线最远的直线的各个超材料单 元 上排布的所述人工微结构的几何尺寸均相等。

其中, 所述超材料单元的几何尺寸小于入射电磁波的 波长的五分之一。 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, 所述人工微结构为金属线构成的具有一定拓朴 形状的平面或立体结 构。

其中, 所述人工微结构为铜线制成。

其中, 所述人工微结构为银线制成。

其中, 所述人工微结构通过蚀刻、 电镀、 钻刻、 光刻、 电子刻和离子刻中 的任意一种工艺制成。 其中, 所述人工微结构呈雪花状。

其中, 所述人工微结构是呈雪花状的平面金属微结构 。

其中, 每个超材料片层由多个超材料单元排列而成; 在每个超材料片层上 作多个相互平行的直线, 让所述超材料片层的各个超材料单元分别位于 这些直 述分界线的两侧, 由位于所述分界线每一侧的若干相邻直线上的 超材料单元为 一组形成多个折射率分布区; 每个超材料片层的各个超材料单元上均形成深 度 相同的圓形小孔, 让位于每个折射率分布区内的同一直线的各个 超材料单元上 形成的所述小孔的直径均相同, 位于各个直线的超材料单元上形成的所述小孔 的直径沿远离所述分界线的方向增大, 而各个折射率分布区内位于离所述分界 线最近的直线的各个超材料单元上形成的所述 小孔的直径均相等、 位于离所述 分界线最远的直线的各个超材料单元上形成的 所述小孔的直径均相等。

其中, 每个超材料片层由多个超材料单元排列而成; 在每个超材料片层上 作多个相互平行的直线, 让所述超材料片层的各个超材料单元分别位于 这些直 线上; 以其中一直线为分界线而将所述超材料片层的 各个超材料单元分隔在所 述分界线的两侧, 由位于所述分界线每一侧的若干相邻直线上的 超材料单元为 一组形成多个折射率分布区; 每个超材料片层的各个超材料单元上均形成直 径 相同的圓形小孔, 让位于每个折射率分布区内的同一直线的各个 超材料单元上 形成的所述小孔的深度均相同, 位于各个直线的超材料单元上形成的所述小孔 的深度沿远离所述分界线的方向增大, 而各个折射率分布区内位于离所述分界 线最近的直线的各个超材料单元上形成的所述 小孔的深度均相等、 位于离所述 分界线最远的直线的各个超材料单元上形成的 所述小孔的深度均相等。

其中, 每个超材料片层由多个超材料单元排列而成; 在每个超材料片层上 作多个相互平行的直线, 让所述超材料片层的各个超材料单元分别位于 这些直 述分界线的两侧, 由位于所述分界线每一侧的若干相邻直线上的 超材料单元为 一组形成多个折射率分布区; 每个超材料片层的各个超材料单元上均形成数 量 不等的直径和深度均相同的圓形小孔, 让位于每个折射率分布区内的同一直线 的各个超材料单元上形成的所述小孔的数量均 相同, 位于各个直线的超材料单 元上形成的所述小孔的数量沿远离所述分界线 的方向增多, 而各个折射率分布 区内位于离所述分界线最近的直线的各个超材 料单元上形成的所述小孔的数量 均相等、 位于离所述分界线最远的直线的各个超材料单 元上形成的所述小孔的 数量均相等。

其中, 所述小孔内填充介质。

其中, 所述小孔内填充空气。

其中, 以经过原点 0且垂直于 xoy坐标面的直线为 z轴, 从而建立直角坐 标系 0-xyz, 所述超材料模块包括多个沿 z轴叠加的超材料片层, 各个超材料片 层上均以 X轴为分界线于两侧形成相同的折射率分布区

其中, 各个超材料片层的相应折射率分布区内的折射 率直线分布均相同。 其中, 所述超材料模块的至少一侧设有阻抗匹配薄膜 , 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 率逐渐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。 丄

其中, 每个阻抗匹配层的折射率: n (0 = ((" +" min V 2 ) m , 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 m。

本发明的基站天线具有以下有益效果: 通过让所述超材料片层上对应每个 振子形成多个折射率分布区, 在每个折射率分布区内形成多个相互平行的折 射 率直线, 以其中一折射率直线为分界线而将这些折射率 直线分隔在所述分界线 两侧的两个方形区域内, 在每个方形区域内, 随着折射率直线离所述分界线的 距离的增大其折射率减小且减小量增大, 使由振子发射出的电磁波穿过所述超 材料模块的超材料片层时向折射率大的方向偏 折, 从而改变了电磁波的传播路 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 出创造性劳动性的前提下, 还可以根据这些附图获得其他的附图。

图 1是本发明基站天线的结构示意图;

图 2是图 1中的天线模块的正面放大图;

图 3是图 1 中的超材料模块的一个超材料片层在建立直角 坐标系 O-xyz时 的示意图;

图 4是图 3中的超材料片层基于所建立的直角坐标系 O-xyz被分隔为多个 折射率分布区的正面放大图;

图 5是对应图 4所示的多个折射率分布区内的折射率直线的 射率分布示 意图;

图 6是对应图 5的折射率直线的折射率分布于部分超材料片 上所形成的 人工微结构的排布示意图;

图 7是对应图 5的折射率直线的折射率分布于部分超材料片 上所形成的 小孔的排布示意图;

图 8是对应图 5的折射率直线的折射率分布于部分超材料片 上所形成的 小孔的另一排布示意图;

图 9是本发明的超材料模块的两侧分别覆盖一阻 匹配薄膜时的结构示意 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、 32超 材料片层、 222、 322基板、 223、 323 超材料单元、 224人工微结构、 24、 34折 射率分布区、 26、 36直线、 324 小孔、 40 阻抗匹配薄月筻、 42 阻抗匹配层 具体实施例

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。 一般超材料包括多个超材料片层, 每一超材料 片层由人工微结构和用于附着人工微结构的基 板构成 (每个人工微结构及其所 附着的基板部分人为定义为一个超材料单元) , 通过调节人工微结构的拓朴形状 和几何尺寸可改变基板上各点 (也即各个超材料单元, 由于每个超材料单元的 尺寸应小于入射电磁波的波长的五分之一, 优选为十分之一, 一般非常微小, 故每个超材料单元可看作一点, 下同) 的介电常数和磁导率。 因此, 我们可以 利用人工微结构的拓朴形状和 /或几何尺寸来调制基板上各点的介电常数和 导 率, 从而使基板上各点的折射率以某种规律变化, 得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。 实验证明, 在人工微结构的拓朴形状相 同的情况下, 在单位面积上人工微结构的几何尺寸越大, 基板上各点的介电常 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, 可以通过让基板上各点的人工微结构的几何尺 寸的大小满足一定的规律来调制 其介电常数和磁导率, 当用多个这种人工微结构呈一定规律排布的超 材料片层 叠加在一起形成超材料时, 超材料空间各点的折射率也呈这种规律分布, 即可 达到改变电磁波的传播路径的目的。 另外, 我们也可在基板上开设小孔来形成 这种折射率分布规律。

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 每相邻两排振子 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。 由于各个超材料片层 12 的折射率分布均相同, 故在下面仅选取一个超材料片层 22作为示例进行说明。

选取所述超材料片层 22上的一点为原点 O, 以平行于所述超材料片层 22 表面的平面为 xoy坐标面、 以经过原点 0且垂直于 xoy坐标面的直线为 z轴建 立直角坐标系 0-xyz。 让所述超材料片层 22以 X轴为分界线沿 y轴形成多个折 射率分布区 24, 每一折射率分布区 24内 y坐标相同的各点的折射率均相同, 且 y坐标不同的各点的折射率随着离 x轴的距离的增大而减小且减小量增大。对于 各个折射率分布区 24, y坐标较大的折射率分布区 24内的 y坐标最小的各点的 折射率大于 y坐标较小的相邻折射率分布区 24内的 y坐标最大的各点的折射率。 以下介绍一种所述超材料片层 22上的各个折射率分布区 24内的 y坐标最小的 各点的折射率均相等和 y坐标最大的各点的折射率均相等(也即折射 变化范 围相同) 的折射率分段分布规律。

在以上所建立的直角坐标系 O-xyz中, 对于所述超材料片层 22上 y坐标相 同的各点, 其折射率满足如下关系式:

( x 2 + y 2 -i -k

n(y) =

式中, Z为振子 16到所述超材料片层 22表面的距离; λ为入射电磁波的波 长; d为所述超材料片层 22的厚度, d = ^ - ^ , "皿和 "min分别表示所述超材 n max - n mi -n

料片层 22上的最大折射率和最小折射率; k , k表示所述折射

率分布区 24由 X轴向距离更远的方向变化的序号, ^^是向下取整函数, 即直 接去掉小数部分所剩的最大整数。

由式(1 )可知, 由于 y坐标相同的各点的折射率均相同, 可连成一条直射 率直线, 而 y坐标不同的各点的折射率不同, 从而在所述超材料片层 22上形成 多个相互平行的折射率直线。 在 X轴的每一侧, 由若干相互平行的相邻折射率 直线为一组形成多个相互连接的折射率分布区 24,且各个折射率分布区 24内的 y坐标最小的各点的折射率均相等和 y坐标最大的各点的折射率均相等,从而在 所述超材料片层 22上形成满足前述折射率分布规律的多个折射 直线。 此时, k即为所述折射率分布区 24由原点 O沿 y轴向更大的方向变化的序号。

作为示例, 我们以所述超材料片层 22上大致正对所述天线模块 12的中心 的位置作为直角坐标系 O-xyz的原点 O, 则直角坐标系 O-xyz在所述超材料片 层 22上的位置如图 3所示; 用平行于 X轴且相隔一定距离的若干直线表示折射 率直线, 则所述超材料片层 22上于 X轴的两侧, 两两相邻折射率直线之间便形 成一个所述折射率分布区 24, 这样, 所述超材料片层 22上的折射率分布区 24 的分布即可用图 4表示, 图 4所示为于 X轴的每一侧由三个相隔一定距离的折 射率直线所分隔形成三个所述折射率分布区 24。 假如我们将 X轴每一侧的 y坐 标的绝对值增大的三个所述折射率分布区 24分别称为第一、 第二和第三折射率 分布区 24,且第一折射率分布区 24内随着折射率直线的 y坐标的绝对值的增大 其折射率分别为 n max , n n , n lp , n mm , 第二折射率分布区 24内随着折射率 直线的 y坐标的绝对值的增大其折射率分别为 第三折 射率分布区 24内随着折射率直线的 y坐标的绝对值的增大其折射率分别为 n max , n 31 , ...,n 3n , n min , 则有: ^下关系式:

n max > nu > ... > n lp > n min ( 2 )

> n 21 > ... > n 2m > ( 3 )

n max > n 3 i > . . . > n 3n > n min ( 4 )

式(2 )、 (3 )、 (4 )均不能同时取等号, 且 、 m、 n均为大于 0的自然数。 优选, p=m=n。

为了直观地表示图 4中所示的六个所述折射率分布区 24内的折射率直线的 折射率分布规律, 我们用多个相互平行的直线来表示折射率直线 , 用直线的疏 密表示折射率直线的折射率的大小, 线越密折射率越大, 线越疏折射率越小, 则所述超材料片层 22上的各个折射率直线的折射率变化规律如图 5所示。

对于多个所述超材料片层 22, 我们让其沿 z轴叠加在一起, 且各个超材料 片层 22上形成相同的折射率分布区 24, 而各个超材料片层 22上的相应折射率 分布区 24内的折射率直线分布均相同, 从而形成所述超材料模块 20。

下面我们举例说明如何通过人工微结构的排布 来让每个超材料片层 22上的 折射率分布满足式 ( 1 )。 请参考图 6, 每个超材料片层 22包括基板 222和附着 在所述基板 222上的多个人工 ^設结构 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 述基板 222上, 例如蚀刻、 电镀、 钻刻、 光刻、 电子刻、 离子刻等。 一般, 我 们将每个人工微结构 224及其所附着的基板 222部分人为定义为一个超材料单 元 223 , 且每个超材料单元 223的尺寸应小于入射电磁波的波长的五分之一 ,优 选为十分之一, 以使所述超材料片层 22对入射电磁波产生连续响应。 可见, 每 个超材料片层 22可看作是由多个超材料单元 223阵列排布而成的, 且由于所述 超材料单元 223 非常微小, 可以近似看作一个点, 因此, 沿直线排列的多个所 述超材料单元 223 所形成的阵列可看作是由点形成的直线。 故, 我们可以作多 个平行于 X轴的等间距的直线 26 (图中用点划线所示), 而使所述超材料片层 22的各个超材料单元 223分别位于这些直线 26上; 以其中一直线 26为分界线 而将所述超材料片层 22的各个超材料单元 223分隔在所述分界线的两侧, 由位 于所迷分界线每一侧的若干相邻直线 26上的超材料单元 223为一组形成多个相 互连接的折射率分布区 24。 让具有相同拓朴形状的所迷人工微结构 224附着在 所述超材料片层 22的各个超材料单元 223上, 且每个折射率分布区 24内, 位 于同一直线 26的各个超材料单元 223上排布的所述人工微结构 224的几何尺寸 均相同, 位于各个直线 26的超材料单元 223上排布的所述人工微结构 224的几 何尺寸沿远离所述分界线的方向减小, 而各个折射率分布区 24内位于离所述分 尺寸均相等、 位于离所述分界线最远的直线 26的各个超材料单元 223上排布的 所述人工微结构 224的几何尺寸均相等。 这样, 由于每个折射率分布区 24内位 于不同直线 26的各个超材料单元 223上的所述人工微结构 224与基板 222的相 应部分一起表征了不同的介电常数和磁导率, 且随着所述超材料单元 223 所在 的直线 26离所述分界线的距离的增大, 所述超材料单元 223的介电常数减小。 如此, 即在所述超材料片层 22上形成多个相互平行的折射率直线, 且在所述分 界线的每一侧, 由若干相邻折射率直线为一组形成多个折射率 分布区 24, 在每 个折射率分布区 24内, 这些相邻折射率直线随着离所述分界线的距离 的增大, 其折射率减小, 且各个折射率分布区 24内离所述分界线最近的折射率直线的折 射率均相等、 离所述分界线最远的折射率直线的折射率均相 等, 从而形成随着 折射率直线离所述分界线的距离的增大, 其折射率呈分段式或不连续分布的规 律。 图 6所示仅为所述人工微结构 224在部分所述超材料片层 22的各个超材料 单元 223上的一个排布示意图, 其中, 这些直线 26以 X轴为分界线对称地分布 于所述超材料片层 22上, 所述人工微结构 224是呈雪花状的平面金属微结构且 在每个折射率分布区 24内随着直线 26离 X轴的距离的增大是等比例缩小的。 事实上, 所述人工微结构 224 的排布方式还有多种, 且可让构成所述人工微结 构 224的线条的宽度相等, 这样可简化制造工艺。

另外, 我们也可通过在所述超材料片层 22的基板 222上开设小孔来形成满 足式( 1 ) 的折射率分布规律。 如图 7所示, 所述超材料片层 32 包括基板 322 和形成在所述基板 322上的多个小孔 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、 沖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。 我 们亦将每个小孔 324及其所在的基板 322部分人为定义为一个超材料单元 323 , 且每个超材料单元 323的尺寸应小于入射电磁波的波长的五分之一 。

由实验可知, 当所述小孔 324 内填充的介质是空气时, 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。 因此, 同 上, 我们作多个平行于 X轴的等间距的直线 36 (图中用点划线所示;), 从而使所 述超材料片层 32的各个超材料单元 323分別位于这些直线 36上; 以其中一直 线 36为分界线而将所述超材料片层 32的各个超材料单元 323分隔在所述分界 线的两侧, 由位于所述分界线每一侧的若干相邻直线 36上的超材料单元 323为 一组形成多个相互连接的折射率分布区 34。 在每个超材料单元 323上形成一个 所述小孔 324, 且在每个折射率分布区 34内,位于同一直线 36的各个超材料单 元 323上形成的所述小孔 324的深度和直径均相同 (即体积相同), 位于各个直 线 36的超材料单元 323上形成的所述小孔 324的直径沿远离所述分界线的方向 增大, 而深度不变; 而各个折射率分布区 34 内位于所述分界线最近的直线 36 的各个超材料单元 323上形成的所述小孔 324的直径均相等、 位于离所述分界 线最远的直线 36的各个超材料单元 323上形成的所述小孔 324的直径均相等。 以便在所述超材料片层 32上形成多个相互平行的折射率直线, 在所述分界线的 每一侧, 由若干相邻折射率直线为一组形成多个相互连 接的折射率分布区 34 , 在每个折射率分布区 34内, 这些折射率直线的折射率不断随着其离所述分 界线 的距离的增大而减小, 且各个折射率分布区 34内离所述分界线最近的折射率直 线的折射率均相等、 离所述分界线最远的折射率直线的折射率均相 等, 从而形 成随着折射率直线离所述分界线的距离的增大 , 其折射率减小且呈分段式或不 连续分布的规律。 图 7所示仅为所述小孔 324在部分所述超材料片层 32的各个 超材料单元 323上的一个排布示意图, 其中, 这些直线 36以 X轴为分界线对称 地分布于所述超材料片层 32上。

同理, 我们也可让具有相同直径的所述小孔 324排布于这些直线 36上, 在 每个折射率分布区 34内随着直线 36离 X轴的距离的增大, 通过增大所述小孔 324 的深度来形成满足式(1 ) 的折射率分布规律, 从而形成多个折射率变化范 围相同的折射率分布区 34。 而且, 所述小孔 324占整个超材料单元 323的体积 不仅可通过在所述超材料单元 323上形成一个几何尺寸不同的所述小孔 324来 实现, 还可通过在所迷超材料单元 323 上形成数量不等而几何尺寸相同或不相 同的所述小孔 324来实现, 如图 8所示。

形成所述超材料模块 20时, 让各个所述超材料片层 22沿 z轴叠加在一起, 并让各个所述超材料片层 22的人工 结构 244的排布规律均相同, 或者让各个 所述超材料片层 32沿 z轴叠加在一起, 并让各个所述超材料片层 32的超材料 单元 323上的小孔 324的排布规律均相同, 使在各个所述超材料片层 22或 32 上形成相同的折射率分布规律。

由上可知, 通过在所述超材料模块 20的各个超材料片层 22或 32上设置具 有一定拓朴形状及 /或几何尺寸的人工微结构 224或小孔 324并让其按照一定的 规律排布, 即可得以调制各个超材料单元 223或 323的介电常数和磁导率, 从 而在各个超材料片层 22或 32上形成满足式( 1 ) 的折射率分布规律, 也即形成 多个折射率随折射率直线离 X轴的距离的增大而减小且折射率变化范围相 的 折射率分布区 24或 34, 使电磁波向特定的方向偏折, 即可减小基站天线的半功 率带宽变小, 提高其方向性和增益, 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时还会发生反射, 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 20两侧分 别形成一阻抗匹配薄膜 40 ,每一阻抗匹配薄膜 40包括多个压制在一起的阻抗匹 配层 42 , 每一阻抗匹配层 42是均匀介质, 具有单一的折射率, 各个阻抗匹配层 42具有不同的折射率, 且沿着靠近所述超材料模块 20的方向, 各个阻抗匹配层 42的折射率由接近于或等于空气的折射率逐渐 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 40的超材料片层 22或 32的折射率。 各个 阻抗匹配层 42的折射率均满足以下公式:

n

式中, m表示所述超材料模块 20—侧的阻抗匹配薄膜 40的总层数, i表示 阻抗匹配层 42的序号,最靠近所述超材料模块 20的阻抗匹配层 42的序号为 m 从式 ( 5 )可知, 每一阻抗匹配层 42的总层数 m与所述超材料模块 20的超材料 片层 22或 32的最大折射率 " 与最小折射率 ¾n有直接关系; 当 i=l时, 式( 5 ) 表示与空气接触的阻抗匹配层 42的折射率, 其应接近于或等于空气的折射率, 可见, 只要 " 与 " 确定, 就可以确定每一阻抗匹配层 42的总层数1^1

各个所述阻抗匹配层 42的结构类似于所述超材料片层 22或 32, 分别包括 基板和附着在所述基板上的人工微结构或者是 形成于所述基板上的小孔, 通过 调制人工微结构或小孔的几何尺寸和 /拓朴形状来使各个阻抗匹配层 42 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或 32的匹配。 当然, 所述阻抗匹配薄膜 40可以是由自然界中存在的多个具有单一折射 的材料制成 的。

所述超材料模块 20的两侧分別设置所述阻抗匹配薄膜 40时, 式(1 ) 中的 I为振子 16到与其最靠近的阻抗匹配薄膜 40表面的距离。

式( 1 )的折射率分布规律还可通过所述人工微结构 224或小孔 324的拓朴 形状或拓朴形状结合几何尺寸来实现, 且所述小孔 324 内也可填充折射率各不 相同的介质来改变各个超材料单元 323的折射率。

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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