专利名称：无线回传基站装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种无线通讯基站，尤其涉及一种基于超材料天线的无线回传基站装置。
背景技术：
随着近年来无线宽带通信技术的急速发展，对数据流量和质量需求也雪崩式的增力口。传统的第二代移动通讯(2G)和第三代移动通讯(3G)移动通信系统中的无线回传设备(backhaul)已无法满足要求。尤其如高速铁路(High railway communication,HRC)下的无线通信，在高达300 450公里的环境下，多普勒频率极具变化而引起的系统频偏的较大偏移和严重的干扰，已使信号的通信质量急速恶化。随着第四代移动通讯系统(4G)技术突破，相应应用设备的设备研发及商业化有序的开展，相应地考虑了相关因素，如高速运行的火车。但是无线通讯设备数据传输的吞吐量不能满足市场需要，尤其是市场中的无线回传内容服务,如高清视频内容等大容量、高吞吐率无线回传服务也将迅速激增。因此,如何设计和研究复杂情况下，尤其是在高速火车在高速移动的情况下，无线信道传输质量和相应的解决方法，就成为目前极为迫切的需求。
发明内容
基于此，为了解决无线通讯设备数据传输的吞吐量不能满足市场需要，尤其是市场中的无线回传内容服务的技术问题，因此提供一种无线回传基站装置。一种无线回传基站装置包括内容接入模块、信息处理通道及超材料天线，所述内容接入模块输入或者输出多样化信息内容；所述信息处理通道包括发送信息处理通道和接收信息处理通道；所述超材料天线包括第一超材料天线和第二超材料天线，所述第一超材料天线连接于发送信息处理通道以电磁波信号形式发送所述多样化信息内容；第二超材料天线连接于接收信息处理通道以电磁波信号形式接收所述多样化信息内容。进一步地，所述多样化信息内容包括LTE信号、CDMA2000信号、WCDMA信号、TD-SffCDA信号、GSM信号、光纤信号及视音频信号中的任意一种。进一步地，所述发送信息处理通道包括:第一接入处理模块，用于输出所述多样化信息内容并处理生成预处理信号；帧形成模块，用于响应所述的预处理信号加工形成帧结构信号；自适用编码/调制模块，用于响应帧结构信号产生编码/调制信号；干扰消除模块，用于消除所述编码/调制信号干扰信号以生成待转换信号；转换模块，用于响应所述待转换信号并基于第一超材料天线将电信号转换为电磁波信号。进一步地，所述接收信息处理通道包括:第二接入处理模块，用于基于第二超材料天线接收包含多样化信息内容的电磁波信号并转为电信号；
帧同步/频偏处理模块，将电信号进行帧同步/频偏处理，以产生待解码信号；解码/解调制模块，用于响应所述待解码信号对其进行解码/解调制；中频转换模块，用于对已解码/解调制信号进行中频转换处理，并送入内容接入模块。进一步地,第一超材料天线包括:阵列式天线，包括多个天线单元；所述每一天线单元包括镂刻有一槽拓扑图案的导电薄片、导电馈点及馈线；一功分器，用于将基带信号划分多路加权值的信号，然后将各路加权值的信号通过各个导电馈点分别传送给所述呈阵列排布的各个天线单元；及一反射单元，用于反射所述多个天线单元的向后辐射电磁波。进一步地,第二超材料天线包括:阵列式天线，包括多个天线单元；所述每一天线单元包括镂刻有一槽拓扑图案的导电薄片、导电馈点及馈线；一功分器，用于将基带信号划分多路加权值的信号，然后将各路加权值的信号通过各个导电馈点分别传送给所述呈阵列排布的各个天线单元；及一反射单元，用于反射所述多个天线单元的向后辐射电磁波。进一步地,所述阵列式天线还包括一绝缘的介质基板，所述每个天线单元还包括接地单元及接电线，所述多个天线单元呈阵列式附着于介质基板上一表面上。进一步地，所述阵列式天线还包括一绝缘的介质基板，所述每个天线单元还包括接地单元及接电线，所述多个天线单元呈阵列式附着于介质基板上一表面上。进一步地，所述槽拓扑图案为互补式开口谐振环图案、开口螺旋环图案、开口螺旋环图案及上述图案中的一种以及上述几种图案衍生、复合、组合或组阵得到的轴对称复合图案。进一步地，所述槽拓扑图案为互补式螺旋线图案、互补式弯折线图案及上述图案中的一种以及上述几种图案衍生、复合、组合或组阵得到的轴非对称图案。与现有技术相比，本发明采用第一超材料天线连接于发送信息处理通道以电磁波信号形式发送所述多样化信息内容；第二超材料天线连接于接收信息处理通道以电磁波信号形式接收所述多样化信息内容，从而通过将发送或接收数据分开进行处理，能使无线回传基站装置接收和发送功能分离而有效利用无线回传基站信道资源。
图1是本发明无线回传基站装置的示意图；图2为图1所示的无线回传基站装置的模块图；图3为图2所示的第一、二超材料天线的平面示意图；图4是图3所示超材料天线中一天线单元的平面示意图；图5为图4所示导电薄片上镂刻槽拓扑图案的示意图；其中，图5(a)是导电薄片上形成互补式开口谐振环图案，图5(b)是导电薄片上形成互补式螺旋线图案，图5(c)是是导电薄片形成开口螺旋环图案，图5(d)是导电薄片上形成双开口螺旋环图案，图5(e)是导电薄片上形成互补式弯折线图案；图5&)是导电薄片上形成轴非对称的复合图案，图5(g)是导电薄片上形成轴对称的复合图案；图6是图4所示导电薄片上可以通过形成衍生方式形成的图案，其中图6(a)为拓扑结构几何形状衍生图案；图6(b)为拓扑结构扩展衍生图案。
具体实施例方式请一并参考图1和图2，为本发明无线回传基站装置的示意图和无线回传基站装置的模块图。所述无线回传基站装置包括内容接入模块20、信息处理通道21及超材料天线29，其中所述信息处理通道21包括发送信息处理通道210和接收信息处理通道211。所述无线回传基站装置通过内容接入模块20输入或者输出多样化信息内容，所述多样化信息内容是指基于各种调制、解调、编码、解码等方式获得且适用于无线信道、光纤信道或有线信道传输的信息。其中无线信号包括但不限于LTE信号、CDMA2000信号、WCDMA信号、TD-SWCDA信号、GSM信号等；有线信号包括光纤信号、在线视音频信号等。无线回传基站装置可将上述多样化信息内容通过发送信息处理通道210和超材料天线29调制成电磁波的形式向外进行辐射；同时，无线回传基站装置也可基于接收信息处理通道211和超材料天线29接收各种基于电磁波为载体的多样化信息内容。在本实施方式中,超材料天线29包括第一超材料天线22和第二超材料天线23，所述第一超材料天线22连接于发送信息处理通道210以电磁波信号形式发送所述多样化信息内容；第二超材料天线23连接于接收信息处理通道211以电磁波信号形式接收所述多样化信息内容。发送信息处理通道210包括LTE信号接入模块、CDMA信号接入模块、GSM信号接入模块、光纤信号接入模块及视音频信号接入模块模块。上述模块分别用于接收各种格式的信息内容。发送信息处理通道210包括第一接入处理模块211、帧形成模块212、自适用编码/调制模块213、干扰消除模块214及转换模块215。第一接入处理模块211用于接收内容接入模块20输入的多样化信息内容并处理生成预处理信号。帧形成模块212用于响应所述的预处理信号加工形成帧结构信号。自适用编码/调制模块213用于响应帧结构信号产生编码/调制信号。干扰消除模块214用于消除所述编码/调制信号干扰信号以生成待转换信号。转换模块215用于响应所述待转换信号并基于第一超材料天线22将电信号转换为电磁波信号。接收信息处理通道211包括中频转换模块216、解码/解调制模块217、帧同步/频偏处理模块218及第二处理模块219。第二接入处理模块219基于第二超材料天线23接收包含多样化信息内容的电磁波信号并转为电信号。帧同步/频偏处理模块218将电信号进行帧同步/频偏处理，以产生待解码信号。解码/解调制模块217用于响应所述待解码信号对其进行解码/解调制。中频转换模块216用于对已解码/解调制信号进行中频转换处理，并送入内容接入模块20。在本实施方式中，通过将发送或接收数据分开进行处理，能使无线回传基站装置接收和发送功能分离而有效利用无线回传基站信道资源。如高清视音频内容等大容量、高吞吐率无线回传服务得到满足需求。另外，本发明的无线回传基站装置中天线是重要瓶颈。本发明无线回传基站装置中超材料天线是基于人工电磁材料技术设计而成，人工电磁材料是指将金属片镂刻成特定形状的拓扑金属结构，并将所述特定形状的拓扑金属结构设置于一定介电常数和磁导率基材上而加工制造的等效特种电磁材料，其性能参数主要取决于其亚波长的特定形状的拓扑金属结构。在谐振频段，人工电磁材料通常体现出高度的色散特性，换言之，天线的阻抗、容感性、等效的介电常数和磁导率随着频率会发生剧烈的变化。因而可采用人工电磁材料技术对上述天线的基本特性进行改造，使得金属结构与其依附的介质基板等效地组成了一个高度色散的特种电磁材料，从而实现辐射特性丰富的新型天线。以下详细介绍应用无线回传基站装置中第一超材料天线22和第二超材料天线23，在以下实施方式中，第一超材料天线22和第二超材料天线23为相同的天线:请参阅图3，是本发明中一实施例的第一、二超材料天线的平面示意图。第一、二超材料天22、23包括一阵列式天线8、设置在阵列式天线8 一侧的反射单元9及功分器7。所述阵列式天线8包括多个天线单元10。当所述第一超材料天22发送电磁波时，所述反射单元9用于反射各个天线单元10的向后辐射电磁波，使得上述天线装置I形成的后瓣得到压缩，以提高天线装置的发射效率。这样实现同样电磁波信号强度下，可以减少无线回传装置的辐射单元个数，进而减轻天线体积和重量，为高速公路/铁路上安装时搬运成本降低成，实现无线回传基站装置小型化和一体化。功分器7用于将基带信号划分多路加权值的信号，然后将各路加权值的信号分别分配给所述呈阵列排布的各个天线单元10,根据波束赋形(beam forming)技术使所阵列式天线8产生电磁波定向辐射范围。在本实施方式中，所述功分器7采用一六功分器。图4为图3所示天线装置中一天线单元平面示意图。天线单元10包括一绝缘的介质基板100,所述介质基板100的一表面101附着有导电薄片13a,在将导电薄片13a镂刻有一槽拓扑图案12a。在本实施方式中，导电薄片13a采用金属铜片，在金属铜片镂刻有一轴对称的槽拓扑图案12a。在其他实施方式中，槽拓扑图案12a为轴非对称图案。在第一表面101上还形成一导电馈点14和与导电馈点14电连接的馈线11、一接地单元15a及接地线16。在本实施方式中，所述导电薄片13a通过接地线16连接接地单元15a。所述馈线11通过磁电稱合与导电薄片13a相关联。在其他实施方式中,馈线11和接地线16—般可以视为天线的两个引脚，以标准50欧姆阻抗馈入，但馈线11的馈入方式与接地线16的接地方式可以是容性耦合也可以是感性耦合，具体来说，馈线11的馈入方式与接地线16的接入方式共有四种组合，分别是:馈线电感馈入，接地线电感接地；馈线电感馈入,接地线电容接地；馈线电容馈入,接地线电感接地；馈线电容馈入,接地线电容接地。在阵列式天线8上的天线单元10的拓扑微结构与尺寸可以相同，也可以不同，从而进行混合设计。本发明中第一、二超材料天22、23，可通过调整馈线11的馈入耦合方式、接地线16的接地方式、天线单元10的拓扑结构与尺寸大小、以及馈线11与接地线16与天线单元10的可短接点位置来进行调谐，从而使天线形成多模工作。请参阅图5，图5(a)是导电薄片上形成互补式开口谐振环图案，图5 (b)是导电薄片上形成互补式螺旋线图案，图5(c)是是导电薄片形成开口螺旋环图案，图5(d)是导电薄片上形成双开口螺旋环图案，图5(e)是导电薄片上形成互补式弯折线图案；图5&)是导电薄片上形成轴非对称的复合图案，图5(g)是导电薄片上形成轴对称的复合图案。槽拓扑图案12a为轴对称图案，包括图5(a)所示互补式开口谐振环图案、图5 (C)所示开口螺旋环图案、图5(d)所示开口螺旋环图案及图5(g)是导电薄片上形成轴对称的复合图案；槽拓扑图案12a为轴非对称图案，包括但不限于图5(a)所示互补式螺旋线图案、图5(e)所示互补式弯折线图案及图5(f)所示轴非对称的复合图案。上述槽拓扑图案12a还可以通过如图6所示衍生方式以形成更多的衍生图案，其中图6(a)为几何形状衍生方式示意图，几何形状衍生是指在本发明中导电薄片13a中的形状不仅仅局限于长方形，也可以为任意平面几何图形，如圆形、三角形、多边形等；图6(b)为扩展衍生方式示意图；扩展衍生是指在不改变原有导电薄片13a本质特性前提下，可以任意镂刻掉部分导电片从而扩展衍 生出对称或者不对称的图案来。由天线原理可知，电长度是描述电磁波波形变化频繁程度的物理量，电长度=物理长度/波长。当天线工作于低频时，低频对应的电磁波波长较长，在需要保持电长度不变的前提下，增长物理长度就是必要的选择。然而增大物理长度必然不能满足天线小型化的要求。根据公式f= 1/(2^1可知，增大分布电容能有效降低天线工作频率使得在不增加物理长度的前提下就可保持电长度不变。这样就可以在极小的空间内设计出工作在极低工作频率下的天线。本发明的介质基板100的材质可选用陶瓷、高分子材料、铁电材料、铁氧材料或铁磁材料；其中高分子材料优选聚四氟乙烯、F4B或FR4。在本发明中，关于天线的加工制造，只要满足本发明的设计原理，可以采用各种制造方式。最普通的方法是使用各类印刷电路板(PCB)的制造方法，金属化的通孔，双面覆铜的PCB制造均可满足本发明的加工要求。除此加工方式，还可以根据实际的需要引入其它加工手段，比如RFID(RFID是RadioFrequency Identification的缩写，即射频识别技术,俗称电子标签)中所使用的导电银浆油墨加工方式、各类可形变器件的柔性PCB加工、铁片天线的加工方式以及铁片与PCB组合的加工方式。其中，铁片与PCB组合加工方式是指利用PCB的精确加工来完成芯片微结构部分的加工，用铁片来完成其它辅助部分。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。
权利要求
1.一种无线回传基站装置，其特征在于，包括内容接入模块、信息处理通道及超材料天线，所述内容接入模块输入或者输出多样化信息内容；所述信息处理通道包括发送信息处理通道和接收信息处理通道；所述超材料天线包括第一超材料天线和第二超材料天线，所述第一超材料天线连接于发送信息处理通道以电磁波信号形式发送所述多样化信息内容；第二超材料天线连接于接收信息处理通道以电磁波信号形式接收所述多样化信息内容。
2.根据权利要求1所述的无线回传基站装置，其特征在于，所述多样化信息内容包括LTE信号、CDMA2000信号、WCDMA信号、TD-SffCDA信号、GSM信号、光纤信号及视音频信号中的任意一种。
3.根据权利要求2所述的无线回传基站装置，其特征在于，所述发送信息处理通道包括: 第一接入处理模块，用于输出所述多样化信息内容并处理生成预处理信号； 帧形成模块，用于响应所述的预处理信号加工形成帧结构信号； 自适用编码/调制模块，用于响应帧结构信号产生编码/调制信号； 干扰消除模块，用于消除所述编码/调制信号干扰信号以生成待转换信号； 转换模块，用于响应所述待转换信号并基于第一超材料天线将电信号转换为电磁波信号。
4.根据权利要求2或3所述的无线回 传基站装置，其特征在于，所述接收信息处理通道包括: 第二接入处理模块，用于基于第二超材料天线接收包含多样化信息内容的电磁波信号并转为电信号； 帧同步/频偏处理模块，将电信号进行帧同步/频偏处理，以产生待解码信号； 解码/解调制模块，用于响应所述待解码信号对其进行解码/解调制； 中频转换模块，用于对已解码/解调制信号进行中频转换处理，并送入内容接入模块。
5.根据权利要求1所述的无线回传基站装置，其特征在于，第一超材料天线包括: 阵列式天线，包括多个天线单元；所述每一天线单元包括镂刻有一槽拓扑图案的导电薄片、导电馈点及馈线； 一功分器，用于将基带信号划分多路加权值的信号，然后将各路加权值的信号通过各个导电馈点分别传送给所述呈阵列排布的各个天线单元；及一反射单元，用于反射所述多个天线单元的向后辐射电磁波。
6.根据权利要求1或5所述的无线回传基站装置，其特征在于，第二超材料天线包括: 阵列式天线，包括多个天线单元；所述每一天线单元包括镂刻有一槽拓扑图案的导电薄片、导电馈点及馈线； 一功分器，用于将基带信号划分多路加权值的信号，然后将各路加权值的信号通过各个导电馈点分别传送给所述呈阵列排布的各个天线单元；及一反射单元，用于反射所述多个天线单元的向后辐射电磁波。
7.根据权利要求5所述的无线回传基站装置，其特征在于，所述阵列式天线还包括一绝缘的介质基板，所述每个天线单元还包括接地单元及接电线，所述多个天线单元呈阵列式附着于介质基板上一表面上。
8.根据权利要求6所述的无线回传基站装置，其特征在于，所述阵列式天线还包括一绝缘的介质基板，所述每个天线单元还包括接地单元及接电线，所述多个天线单元呈阵列式附着于介质基板上一表面上。
9.根据权利要求5所述的无线回传基站装置，其特征在于，所述槽拓扑图案为互补式开口谐振环图案、开口螺旋环图案、开口螺旋环图案及上述图案中的一种以及上述几种图案衍生、复合、组合或组阵得到的轴对称复合图案。
10.根据权利要求6所述的无线回传基站装置，其特征在于，所述槽拓扑图案为互补式螺旋线图案、互补式弯折线图案及上述图案中的一种以及上述几种图案衍生、复合、组合或组阵得到的轴非对 称图案。
全文摘要
一种无线回传基站装置包括内容接入模块、信息处理通道及超材料天线，所述内容接入模块输入或者输出多样化信息内容；所述信息处理通道包括发送信息处理通道和接收信息处理通道；所述超材料天线包括第一超材料天线和第二超材料天线，所述第一超材料天线连接于发送信息处理通道以电磁波信号形式发送所述多样化信息内容；第二超材料天线连接于接收信息处理通道以电磁波信号形式接收所述多样化信息内容。从而通过将发送或接收数据分开进行处理，能使无线回传基站装置接收和发送功能分离而有效利用无线回传基站信道资源。
文档编号H01Q19/10GK103096517SQ20111033382
公开日2013年5月8日 申请日期2011年10月28日 优先权日2011年10月28日
发明者刘若鹏, 赵治亚, 尹武 申请人:深圳光启高等理工研究院, 深圳光启创新技术有限公司