一种透明反射导电频率选择电磁介质及多频带天线系统的制作方法

1.本发明涉及无线通信天线技术，尤其涉及一种透明反射导电频率选择电磁介质及多频带天线系统。


背景技术：

2.在当今的多频带蜂窝基站设计中，期望在同一天线罩内集成对应于多个无线电信号频带的多个辐射单元。通常，在这种集成天线系统中，高频阵列和低频阵列共用相同的背面金属反射器，该反射器用于以蜂窝基站运行所需的给定波束宽度在半个空间中产生单向增益图。
3.然而，随着移动通信技术的发展和基站建设的需求，可能需要将高频阵列和低频阵列设置为独立模块，用这种独立模块构建这样的集成多波段天线系统。这样的方式中，具有专用反射器的每个模块可以独立操作，并且当两个模块堆叠集成在同一天线罩下时，也能够高效地运行。
4.众所周知，对于天线阵列，在给定的工作频带内，方向增益和方向图形状的相似性是关键的性能特征。因此，两种模块之间的透明反射介质必须能够使高频无线电信号以最小的图形失真和方向增益无明显变化的方式通过。这就需要电磁介质对其中一个天线模块是电透明的，对另一个天线模块是反射的，并能同时保持两个天线模块的工作性能。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是提供一种对低频信号表现出反射特性，而对高频信号表现出透明特性的电磁介质，适用于多频双模块通信系统或多模块通信基站天线系统。
6.本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种透明反射导电频率选择电磁介质，该电磁介质具有由多个介质单元周期排布形成的对第一频带无线信号反射，而对第二频带无线信号透明的表面结构，其中所述第一频带最短工作波长大于第二频带的最长工作波长，每个介质单元均包括一个中心子单元和四个连接在中心子单元上的传输线分支，四个传输线分支均匀分布在中心子单元的四周，且延伸方向与第一频带和第二频带的无线信号极化方向匹配；相邻介质单元中，一个介质单元的两个传输线分支与另一个介质单元的两个传输线分支相连接并围成导电闭环；所述介质单元的分布间距与工作在第二频带的天线辐射单元的分布间距匹配。
7.进一步的，相邻介质单元的传输线分支直接相连，或经由一个中间传输线连接。
8.进一步的，所述介质单元围成的导电闭环一个侧边的物理延伸长度小于第二频带工作波长的一半，而电长度大于第二频带工作波长的一半。
9.进一步的，所述介质单元的传输线分支具有用于调整其电长度的慢波结构，或者传输线分支与中间传输线均具有慢波结构。
10.进一步的，所述的中心子单元为方形片状，方形中心子单元的边缘与工作在第二频带的天线辐射单元的边缘平行。
11.本发明还提供一种具有上述透明反射导电频率选择电磁介质的多频带天线系统，其具有工作在第二频带的高频天线单元和工作在第一频带的低频天线单元，高频天线单元和低频天线单元分别设置在所述电磁介质的下方和上方，所述电磁介质作为低频天线单元的反射器，并对高频天线单元的辐射信号透明；介质单元的传输线分支延伸方向与高频天线单元和低频天线单元的极化方向平行。
12.进一步的，所述介质单元的中心子单元与高频天线单元的中心对应，中心子单元为方形片状，四个传输线分支分别连接在方形中心子单元的四角，并与高频天线单元的对角线重叠。
13.进一步的，所述的介质单元中，相邻两个传输线分支之间连接有一条或多条与高频天线单元水平或垂直方向边界平行的边缘传输线，所述的边缘传输线具有用于调整电长度的慢波结构。
14.进一步的，所述介质单元的中心子单元介于两个高频天线单元之间，相邻介质单元围成的导电闭环介于相邻的四个高频天线单元之间。
15.进一步的，所述低频天线单元设置在低频天线罩内的支承部件上，并与支承部件下方的电磁介质组成低频天线模块，高频天线单元设置在高频天线罩内，并与其下方的反射板组成高频天线模块。
16.进一步的，所述的高频天线模块为有源模块，低频天线模块为无源模块。
17.进一步的，其具有多对低频天线模块和高频天线模块，每对低频天线模块和高频天线模块之间具有与其工作频带适配的电磁介质。
18.本发明的有益效果是：介质单元的传输线分支与无线信号的极化方向匹配，介质单元的分布间距与工作在第二频带的天线辐射单元的分布间距匹配，更够减小对穿透的第二频带无线信号的影响，并高性能的反射第一频带无线信号，适用于具有独立反射器的多天线阵列，也适用于集成多个天线阵列模块的多频带基站天线系统。
附图说明
19.图1是双频段天线系统的实施例1示意图。
20.图2是图1中a区域的局部放大图。
21.图3是频率选择电磁介质的透明反射双重行为的示意图。
22.图4是频率选择闭环导体的示意图。
23.图5是介质单元结构的实施例1示意图。
24.图6是介质单元结构的实施例2示意图。
25.图7是介质单元结构的实施例3示意图。
26.图8是介质单元结构的实施例4示意图。
27.图9是介质单元结构的实施例5示意图。
28.图10是介质单元结构的实施例6示意图。
29.图11是介质单元结构的实施例7示意图。
30.图12是具有透明反射电磁介质的双极化平面阵列实施例1示意图。
31.图13是具有透明反射电磁介质的双极化平面阵列实施例2示意图。
32.图14是介质单元结构的实施例8示意图。
33.图15是介质单元结构的实施例9示意图。
34.图16是双频段天线系统的实施例2示意图。
35.图17是双频天线系统叠放方式实施例1示意图。
36.图18是双频天线系统叠放方式实施例2示意图。
37.图19是具有可分离模块的集成低频-高频天线系统实施例示意图。
38.图20是一种双频天线系统实施例的侧视图。
39.图21是一种双频天线系统实施例的三维视图。
40.图22是高频天线阵列在3.4 ghz下的辐射电场分布。
41.图23是高频天线阵列在3.6 ghz下的辐射电场分布。
42.图24是高频天线阵列在3.8 ghz下的辐射电场分布。
43.图25是低频段天线元件在850 mhz下辐射的电场分布。
44.图26是在3.6 ghz条件下，介质单元上的表面电流分布图。
45.图27是低频段（p模块）二元阵列在850mhz采用传统金属反射器和atpr介质的归一化仰角增益对比。
46.图28是低频段（p模块）二元阵列在850mhz采用传统金属反射器和atpr介质的归一化方位增益对比。
47.图29是690mhz-960mhz范围内采用传统金属反射器和atpr介质的增益对比。
48.图30是3400mhz时e平面增益（-45
°
极化）。
49.图31是3400mhz时e平面增益（ 45
°
极化）。
50.图32是3600mhz时e平面增益（-45
°
极化）。
51.图33是3600mhz时e平面增益（ 45
°
极化）。
52.图34是3800mhz时e平面增益（-45
°
极化）。
53.图35是3800mhz时e平面增益（ 45
°
极化）。
54.图36是3400mhz时h平面增益（-45
°
极化）。
55.图37是3400mhz时h平面增益（ 45
°
极化）。
56.图38是3600mhz时h平面增益（-45
°
极化）。
57.图39是3600mhz时h平面增益（ 45
°
极化）。
58.图40是3800mhz时h平面增益（-45
°
极化）。
59.图41是3800mhz时h平面增益（ 45
°
极化）。
60.图中标记：1、电磁介质，1-1、中心子单元，1-2、传输线分支，1-3、中间传输线，1-4、慢波结构，1-5、边缘传输线，2、高频天线单元，2-1、高频阵列馈电网络，3、低频天线单元，4、闭环电导体，5、低频天线信号，6、高频天线信号，7、低频天线罩，8、支承部件，9、防水隔离层，10、高频天线罩，11、反射板，12、高频天线模组，13、低频天线模组，14、表面电流零点。
具体实施方式
61.以下结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明。下面实施例所列出的具体内容不限于权利要求记载的技术方案要解决的技术问题所必须的技术特征。同时，所述列举是实施例仅仅是本发明的一部分，而不是全部实施例。
62.本发明中公开的电磁介质1应被称为高频透明低频反射（hbt-lbr）介质，并且当高
频无线电模块由高频有源天线系统和低频无源天线系统组成时，也可被称为有源透明无源反射（atpr）介质。
63.如图1和2所示，电磁介质1具有周期性的表面结构，该表面结构由多个介质单元周期排布形成，并在介质单元之间形成有导电闭环结构。在本实施例中，第一频带为低频天线的工作频带，第二频带为高频天线的工作频带，第一频带最短工作波长大于第二频带的最长工作波长。该表面结构表现为对第一频带无线信号反射，而对第二频带无线信号透明的效果。
64.图4是周期性表面结构中一个导电闭环结构的原理说明性示意。该导电闭环结构由一个闭环电导体4（其频率行为依赖性由度量参数a和w确定）和一组电气元件（如图3所示的元件c）构成。其中元件c可以是电感器、电容器或此类元件的串联或并联组合，这些元件可以导电闭环结构中传输线路的形状、结构、材料等电特性所产生的，可以是分布式或集中与分布混合式的电反应特性。导电闭环结构的边与无线信号极化方向匹配，如图所示分别为 45
°
极化方向和-45
°
极化方向。
65.图5为形成导电闭环结构的其中一个介质单元的示意图。每个介质单元均包括一个中心子单元1-1和四个连接在中心子单元上的传输线分支1-2，四个传输线分支均匀分布在中心子单元的四周，其延伸方向与无线信号极化方向匹配。传输线分支为导电闭环结构的边。相邻介质单元中，一个介质单元的两个传输线分支与另一个介质单元的两个传输线分支相连接并围成导电闭环。
66.所述介质单元的分布间距与工作在第二频带的天线辐射单元的分布间距匹配。天线辐射单元的分布间距与介质单元的尺寸相当时，可以采用图5所示结构，其中间距dv=dh，相邻介质单元的传输线分支可以直接相连。当天线辐射单元的分布间距大于介质单元的尺寸时，例如垂直方向分布间距大于介质单元的尺寸。可以如图6所示，在传输线分支1-2上连接一个中间传输线1-3，此时dh≠ dv，相邻介质单元的传输线分支经由中间传输线连接。
67.传输线分支和其中的电抗元件（可以是传输线结构的电特性）形成的介质单元及其周期结构可以被设置为，相对于天线的工作波长，高频信号电流在相对较短的物理距离内具有较长的传输长度。当介质耦合到高频天线单元时，可以在结构上形成多个表面电流零点，其等效于传输线上的开路点。此类开路点可产生隔离的短传输线段，其在高频元件上表现为电容耦合短截线或断开的导电表面，并允许高频信号通过介质结构，同时天线性能下降最小。
68.进一步的所述电磁介质可被设置为包含在高频天线元件或元件阵列边界内的电磁介质的任何部分的闭环周长在电长度上大于工作波长的一半，并且其中最小导电闭环一个侧边的物理延伸长度a和宽度w在物理上较小（a《λ/2），但是电长度大于所考虑的高频工作波长的一半（λ/2）。
69.如图7—11所示，介质单元的传输线分支上可以设置慢波结构，其通常由传输线往弯折形成，可以用于调节传输线的电长度。介质单元上的电特性可以进一步设置为使得单元a一侧的等效电长度le 大于高频带天线阵列的自由空间工作波长（a《λ/2，le 》 λ)。图7所述实施例中，传输线分支1-2具有两个慢波结构1-4，中间传输线1-3有一个慢波结构1-4。在传输线分支1-2上可形成至少一个电流零点，并且任何两个在高频元件上方的节点之间的导电路径具有至少两个针对该高频工作波长的电流零点。
70.介质单元可以设置为与高频天线单元2的中心相匹配，使得该结构的一个介质单元或一组介质单元基本上相对于高频天线单元的中心或所述高频天线单元的子阵列的中心对称。图12所示为双极化平面阵列的一部分，导电闭环的边缘，也就是介质单元的传输线分支穿过天线辐射单元的对角线，且分布间距与阵列的水平和垂直间距匹配。这种配置有利于增加低频段介质的反射面，同时在高频段保持良好的交叉极化和图案增益。
71.图13所述为双极化平面阵列的一部分，该实施例中介质单元的中心子单元介于两个高频天线单元之间，导电闭环相邻天线元件之间共享，并且旋转45
°
与天线的极化匹配，且与阵列的水平和垂直间隔匹配。
72.介质单元的中心子单元1-1为方形片状，其边缘与工作在第二频带的天线辐射单元（高频天线单元2）的边缘平行，具有调整波束宽度和增益的作用。图8—11显示了介质单元的中心子单元1-1与高频天线单元2尺寸比例的不同实施例。图10所示实施例中，中心子单元与高频天线单元尺寸基本相同，能够与高频天线单元形成共振。此时中心子单元是一个辐射元件，可作为其下方的高频天线单元的引向器，以实现较窄的波束宽度，并增强方向性。中心子单元尺寸减小可以实现更大的波宽和半功率角，但增益相对减小。中心子单元的具体尺寸根据天线的性能需求选择。例如图11所示实施例中，中心子单元远小于高频天线单元，其辐射作用更小，但是在高频天线单元的边界范围内可以有更多的慢波结构。所述介质单元也可以是无辐射元件，以便其对高频信号几乎完全透明。
73.在实现用于高频带天线阵列的介质透明特性的同时，电磁介质1同样被配置为对低频带天线阵列反射。在低频段反射的优选实施例中；低频天线的方向增益可以通过电磁介质上的导电单元分布的密度来控制，其中一组单元或子单元沿着给定波极化形成的电路径至少长于所考虑的低频带操作波长的一半。例如图14和15所示，可以在相邻两个传输线分支1-2之间增加一条或多条与高频天线单元水平或垂直方向边界平行的边缘传输线1-5，所述的边缘传输线具有用于调整电长度的慢波结构。这样可以增加导电单元分布密度，同时保持电磁介质结构与高频天线阵列的极化相匹配。用于特定设计要求，如高增益、辐射波束宽度覆盖等。
74.多频带天线系统的一个实施例如图1、2和16所示，其具有工作在第二频带的高频天线单元和工作在第一频带的低频天线单元，高频天线单元和低频天线单元分别设置在电磁介质1的下方和上方，电磁介质1作为低频天线单元的反射器，并对高频天线单元的辐射信号透明；介质单元的传输线分支延伸方向与高频天线单元和低频天线单元的极化方向平行。
75.图17是双频天线系统中各部件叠放设置的实施例示意图。其包括高频天线阵列和低频天线阵列，电磁介质1设置在高频天线阵列和低频天线阵列之间。电磁介质的相对位置可使用电磁模拟软件针对特定的高频无线电和低频无线电波长进行优化。在一种优先实施例中，可以将电磁介质置于高频带阵列以上~0.25λ和低频带阵列以下~0.18λ，以在对高频带透明的同时在低频带产生所需的反射效果。
76.所述低频天线单元3设置在低频天线罩7内的支承部件8上，并与支承部件下方的电磁介质1组成低频天线模块，高频天线单元2设置在高频天线罩10内，并与其下方的反射板11组成高频天线模块。电磁介质1的下方具有防水隔离层9。
77.图18所示的实施例中，低频天线模块为无源模块（p模块），高频天线模块为有源模
块（a模块）。电磁介质1（atpr）可以集成在防水隔离层9中，形成用于低频段天线的外壳。这种结构能够使高频天线模块和低频天线模块分开。
78.图19为多模块天线系统的实施例。一个低频天线模组13可以对应设置两个高频天线模组12（图中仅显示了一个），模组之间是可分离的独立结构。根据需要，也可以设置更多的模组。
79.为了测试性能，设置一个高频天线模块（a模块）和一个低频天线模块（p模块），依照图17、18的排布方式布置。图22—25的天线阵列电场分布图表现了p模块反射器（atpr）的有效性及其对天线性能的影响。其中可以看出 a 模块天线辐射的无线电波可以穿过电磁介质，而 p 天线辐射的无线电波被介质反射，从而为每个天线模块产生所需的单向方向图增益。特别是，如图26所示，由慢波结构实现的介质的高频透明行为，其中在3.6ghz的高频天线单元中心周围出现四个电流零点，形成的x形导电部分与介质的其余部分电隔离，因此在所考虑的频率点上对源自高频天线单元的辐射波电磁透明。
80.图27—41显示了本发明电磁介质（atpr）的性能测试。可以看出，电磁介质（atpr）分别对低频段天线阵列反射，对高频段天线阵列透明，可以将电磁介质用作对高频段天线阵列透明的低频段反射器。
81.通过优化atpr介质设计并通过逐步细化整体结构的各种边界条件，本发明的结构对高频天线模块性能的影响可以最小化，同时确保低频天线模块的性能令人满意，从而实现两个模块的良好整体性能。对于本领域技术人员来说显而易见的是，就天线性能特征而言，例如定向增益、方向图波束宽度、x极化水平、前后比、阻抗带宽覆盖等，介质的低频段反射行为和高频段透明行为可通过适当选择介质几何形状和电抗分量特征，并通过调整介质相对于低频段和高频段阵列位置的相对高度来优化。