本申请要求于 2011年 8月 31 日提交中国专利局、申请号为 2011102544800, 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。 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， 以每个超材料 片层上的一点为原点 0,以垂直于所述超材料片层的一直线为 X轴、经过原点 0 且平行于所述超材料片层的一直线为 y轴建立直角坐标系 O-xy, 则 y轴上任一 点 （0, y ) 的折射率 n(y)为： 式中， 为所述振子到所述超材料片层的距离; d 为所述超材料片层的厚 度， _A= m , "max和" _min 分别表示所述超材料片层在 y轴上的最大折射率和

^max ^min

最小折射率； R表示所述超材料片层在 y轴上 y所能取的最大值，如此即可以所 述直角坐标系 O-xy的原点 0为圓心、以 y为半径形成各点的折射率均相同的折 射率圓， 且以不同的 y为半径在所述超材料片层上形成多个同心的� �射率圓。

其中， 每个超材料片层由多个超材料单元排列而成， 以所述原点 0所在的 超材料单元为圓心形成多个同心圓， 让所述超材料片层的各个超材料单元分别 位于这些同心圓上； 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 , 位于同一同心圓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， 位于各个同心圓的超材料单元上排布的所述人 工微结构的几 何尺寸沿远离所述原点 0方向减小。

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， 位于各个同心圓的超材料单元上排布的所述人 工微结构的几何尺寸 沿远离所述极点的方向等比例减小。

其中， 每个超材料片层由多个超材料单元排列而成， 以所述原点 0所在的 超材料单元为圓心形成多个同心圓， 让所述超材料片层的各个超材料单元分别 位于这些同心圓上； 每个超材料片层的各个超材料单元上均形成有 深度相同的 圓形小孔， 位于同一同心圓的各个超材料单元上形成的所 述小孔的直径均相同， 位于各个同心圓的超材料单元上形成的所述小 孔的直径沿远离所述原点 0方向 增大。

其中， 每个超材料片层由多个超材料单元排列而成， 以所述原点 0所在的 超材料单元为圓心形成多个同心圓， 让所述超材料片层的各个超材料单元分别 位于这些同心圓上； 每个超材料片层的各个超材料单元上均形成有 直径相同的 圓形小孔， 位于同一同心圓的各个超材料单元上形成的所 述小孔的深度均相同， 位于各个同心圓的超材料单元上形成的所述小 孔的深度沿远离所述原点 0方向 增大。

其中， 每个超材料片层由多个超材料单元排列而成， 以所述原点 0所在的 超材料单元为圓心形成多个同心圓， 让所述超材料片层的各个超材料单元分别 位于这些同心圓上； 每个超材料片层的各个超材料单元上均形成有 数量不等的 直径和深度均相同的圓形小孔， 位于同一同心圓的各个超材料单元上形成的所 述小孔的数量均相同， 位于各个同心圓的超材料单元上形成的所述小 孔的数量 沿远离所述原点 0方向增多。

其中， 所述小孔由钻床钻孔、 冲压成型、 注塑成型和高温烧结任意一种工 艺成型。

其中， 所述小孔内填充介质。

其中， 所述超材料模块包括多个沿 X轴叠加的超材料片层， 各个超材料片 层上的折射率圓的分布均相同， 且各个超材料片层上的直径相同的折射率圓的 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， 每一阻抗匹配层是具有单一折射率的均匀介质 ， 沿靠 近所述超材料模块的方向， 各个阻抗匹配层的折射率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。

其中， 每个阻抗匹配层的折射率^ 皿+^^^ ， 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。

其中， 所述天线模块的振子呈阵列排布， 且每相邻两排振子相互交错排列。 本发明的基站天线具有以下有益效果： 通过在所述超材料片层上形成多个 具有满足上述折射率公式的折射率圓， 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的截面放大 图， 其中建立了 一直角坐标系 O-xy;

图 4是对应图 3中建立的直角坐标系 O-xy所形成的折射率圓分布示意图； 图 5是对应图 4的折射率圓分布所形成的部分超材料片层的� �工微结构的 排布示意图；

图 6是对应图 4的折射率圓分布所形成的部分超材料片层的� �孔的排布示 意图；

图 7是对应图 4的折射率圓分布所形成的部分超材料片层的� �孔的另一排 布示意图；

图 8是本发明的超材料模块两侧分别覆盖一阻抗� �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折 射率圓、 26 同心圓、 324 小孔、 40 阻抗匹配薄膜、 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， 以提高天线的方向性和增益。

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。 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 介电常数， 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 意数量的振子 16 以任何方式排列， 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作为示例进行说 明。

根据以上电磁波在介质中传播的原理， 我们让所述超材料片层 22空间各点 的折射率分布满足如下规律： 以所述超材料片层 22的其中一点为圓心形成多个 同心的折射率圓， 同一折射率圓上各点的折射率均相同， 各个折射率圓的折射 率沿远离所述原点 0方向减小且减小量增大。 具体地， 我们可以所述超材料片 层 22上的任一点为原点 0, 以垂直于所述超材料片层 22的一直线为 X轴、 经 过原点 0且平行于所述超材料片层 22的一直线为 y轴建立直角坐标系 O-xy, 则对于 y轴上任一点 （0, y ), 其折射率 n(y)应满足如下关系式：

( 1 ) 其中， 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 " _min 分别表示所述超材料片层 ₂₂ 在 y轴上的

^max ^min

最大折射率和最小折射率； R表示所述超材料片层 22在 y轴上 y所能取的最大 值。

我们以所述直角坐标系 O-xy的原点 0为圓心、以 y为半径作一个圓即在所 述超材料片层 22上形成各点的折射率均相同的折射率圓， 而以不同的 y为半径 作圓时形成多个同心的折射率圓， 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率圓。 假若我们以所述超材料片层 22上大致正对所述 天线模块 12的中心的位置作为所述直角坐标系 O-xy的原点 0, 则所述直角坐 标系 O-xy在所述超材料片层 22上的位置如图 3所示； 我们以所述直角坐标系 O-xy的原点 0为圓心， 用以所述圓心形成的多个同心圓表示折射率圓 24,相邻 同心圓之间的间距的大小表示相邻折射率圓 24的折射率的变化量， 则所述超材 料片层 22上的各个折射率圓 24的折射率变化规律如图 4所示（图中同心圓用 虚线表示）。

而让多个所述超材料片层 22沿 X轴叠加在一起， 各个超材料片层 22上的 折射率圓 24的分布均相同， 且各个超材料片层 22上的直径相同的折射率圓 24 的折射率均相同， 从而形成所述超材料模块 20。

折射率分布满足式 ( 1 )。 请参考图 5, 每个超材料片层 22包括基板 222和附着 在所述基板 222上的多个人工微结构 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。 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， 圓便可看作是由无数个所述 超材料单元 223沿圓周排制而成的。 这样， 我们可以所述超材料片层 22的任一 超材料单元 223为圓心形成多个同心圓 26, 如图中虚线所示， 从而使所述超材 料片层 22的各个超材料单元 223分别位于这些同心圓 26上； 让具有相同拓朴 形状的所述人工微结构 224附着在所述超材料片层 22的各个超材料单元 223上， 并让大致位于同一同心圓 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， 位于各个同心圓 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原点 0方向减小。 由于大致位于不同直径 同心圓 26的各个超材料单元 223上的所述人工 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 所在的同 心圓 26的直径越大， 所述超材料单元 223的介电常数越小。 如此， 即在所述超 材料片层 22上形成多个同心的折射率圓 24, 且这些同心的折射率圓 24的折射 率不断减小。 图 5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， 同心圓 26的圓心为位于图中所 示超材料片层 22的中心的超材料单元 223 , 所述人工微结构 224是呈雪花状的 平面金属微结构且随同心圓 26的直径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， 我们也可在所述超材料片层 22的基板 222上通过开设小孔来形成满 足式 ( 1 ) 的折射率分布规律。 如图 6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、 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。 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。 这样， 所 述超材料片层 32亦可看作是由多个超材料单元 323阵列排布而成的。 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。 这样， 同 上， 由于圓可看作是由无数个所述超材料单元 323 沿圓周排制而成的， 我们可 以所述超材料片层 32的任一超材料单元 323为圓心形成多个同心圓 36,如图中 虚线所示， 从而使所述超材料片层 32的各个超材料单元 323分别位于这些同心 圓 36上； 在每个超材料单元 323上形成一个所述小孔 324, 让大致位于同一同 心圓 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）， 位于各个同心圓 36的超材料单元 323上形成的所述小孔 324的直 径沿远离所述原点 0方向增大， 而深度不变。 以便在所述超材料片层 32上形成 多个同心的折射率圓 24, 且这些同心的折射率圓 24的折射率不断减小。 图 6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， 同心圓 36的圓心为位于图中所示超材料片层 32的中心的 超材料单元 323。

同理， 我们也可让具有相同直径的所述小孔 324排布于这些同心圓 36上， 随着同心圓 36的直径的增大， 通过调整所述小孔 324的深度来形成满足式 ( 1 ) 的折射率分布规律。 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， 还可通过在所述超材料单元 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 7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 X轴叠加在一起， 并让位于相同直径的同心圓 26的超材料单元 223上排布几何尺寸相同的所述人 工微结构 244, 或者让各个所述超材料片层 32沿 X轴叠加在一起， 并让位于相 同直径的同心圓 36的超材料单元 323上形成占整个超材料单元 323的体积相同 的一个或多个所述小孔 324, 使各个所述超材料片层上的直径相同的折射率 圓 24的折射率均相同。

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 22或 32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， 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 8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，其折射率沿靠近所述超� ��料模块 20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 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(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 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 ( 2 )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 "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 42的折射率， 其应接近于或等于空气的折射率， 可见， 只要"皿与" 确定， 就可以确定所述阻抗匹配层 42的总层数111

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 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。