CN101694904B - 移动通信网络室内分布系统中使用的全向吸顶天线 - Google Patents

移动通信网络室内分布系统中使用的全向吸顶天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及移动通信网络室内分布系统中使用的全向吸顶天线，包括：具有锥柱结构的单臂振子、具有盘锥结构的反射盘以及馈电接头；单臂振子与反射盘对向设置，信号通过馈电接头馈入天线，由单臂振子和反射盘向外发射。在高频段，辐射角θ在60°～85°范围，本发明天线增益比现有天线提高了5.5～8.5dB，从而提高了距天线较远区域移动通信信号强度，扩大了天线有效覆盖半径，提升了内分布系统3G室信号质量，降低了新建和改造室内分布系统的难度和成本。

Description

移动通信网络室内分布系统中使用的全向吸顶天线
技术领域
本发明涉及移动通信领域，尤其涉及移动通信网络室内分布系统中使用的全向吸顶天线。
背景技术
现代蜂窝移动通信网络室内分布系统广泛采用全向吸顶天线，其用量占室内分布系统天线的95％以上。现有全向吸顶天线技术规范要求包括：使用频率范围为806～960MHz和1710～2500MHz，电压驻波比(VSWR)＜1.5，增益在低频段2dBi，高频段5dBi。
全向吸顶天线基本原理是半波振子天线，主要由单臂振子和一反射盘组成，单臂振子有锥形、柱形、球形、方形、蝶形和各种组合及变形、各种形状的微带贴片等，加粗或加宽振子可增加辐射带宽；反射盘相当于天线振子的另一臂，一方面形成单臂振子的镜像，同时将电波反射回来，增强振子侧的辐射，另一方面便于在天花板上安装和减小天线凸出高度，减小影响室内美观。
现有移动通信室内全向吸顶天线主要针对GSM900和CDMA等低频段无线信号覆盖系统进行设计，工作频段为806～960MHz。在这个频段全向吸顶天线表现出典型的对称半波振子辐射特性，辐射方向图在赤道面(亦称H面)内是一个圆；在子午面(亦称E面)内是“∞”形，天线增益2dBi左右，除轴向小角度范围外(θ＜30°)，其它方向天线增益差别不大(小于3dB)。在1710～2500MHz频段，辐射方向图在赤道面(亦称H面)内是一个圆；在子午面(亦称E面)内是双叶肺形，虽然天线增益为5dBi左右，在子午面内表现出明显的方向性，不同方向上增益相差较大(见图1)。
现有天线在高频段表现出更强的方向性是由电磁波的反射特性决定的，频率越高，反射能力越强，辐射能量更集中。实测结果表明(如图1a和图1b，其中图1a为800MHz频点E面方向图，图1b为2170MHz频点E面方向图)，现有全向吸顶天线在低频段(806～960MHz)，当θ＞60°时天线增益稳定，变化很小；在高频段(1710～2500MHz)辐射性能向天线正下方集中，子午面内最大辐射方向θ≈35°，θ＝60°时衰减约3dB，θ＝80°时衰减约8dB，θ＝85°时衰减约9dB。可见，θ＞60°时天线增益随θ角增加快速衰减。
现有全向吸顶天线在高频段增益随辐射角度快速衰减的特性，使室内分布系统中DCS1800和3G移动通信信号过于集中在天线底下，影响室内分布系统的覆盖效果。
一般建筑层高约3m，移动通信终端离地一般高于1米。DCS 1800和3G室内分布系统天线覆盖半径设计原则为：重要楼宇小于10m、一般楼宇15m、空旷层20m。计算可知，对应天线辐射角θ分别为79°、82°和84°。根据图1，在这些角度天线增益衰减7～8dB，按最大增益5dBi计，这些这些角度天线增益为-2～-3dBi。而增益较高区域θ≤60°(3dB衰减处)，对应的覆盖半径小于3.5m。
由此可知，现有全向吸顶天线将DCS1800和3G信号主要集中在3.5m覆盖半径范围内，而在设计覆盖范围的更大区域内天线增益最大衰减达到7～8dB，加上空间路径损耗随频率增加，所以，在现有室内分布系统中，DCS18000和3G信号比GSM信号覆盖半径要小。为获得良好室内信号，不得不提高信源功率或加密天线，由此带来巨大的室内分布系统改造成本。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种移动通信网络室内分布系统中使用的全向吸顶天线，其目的在于，提高辐射角θ在60°～85°范围的天线增益，从而提高距天线较远区域移动通信信号强度，扩大了天线有效覆盖半径，提升了内分布系统3G室信号质量，降低新建和改造室内分布系统的难度和成本。
本发明提供了移动通信网络室内分布系统中使用的全向吸顶天线，包括：具有锥柱结构的单臂振子、具有盘锥结构的反射盘以及馈电接头；单臂振子与反射盘对向设置，信号通过馈电接头馈入天线，由单臂振子和反射盘向外发射。
单臂振子包括第一空心柱、第一空心台锥和馈电柱，第一空心柱、第一空心台锥和馈电柱由上往下依次连接。
反射盘包括圆形盘、第二空心柱和第二空心台锥，圆形盘、第二空心柱和第二空心台锥由下往上依次连接。
圆形盘中心挖空，挖空半径与第二空心柱内半径一致。
单臂振子总长度为800MHz电磁波波长的1/4乘以收缩系数所得的结果。
800MHz电磁波波长的1/4为：93.75mm，收缩系数的取值范围为：0.4～1.0。
第一空心柱高度取值范围为20～55mm，第一空心柱半径取值范围为15～55mm；第一空心台锥高度取值范围为10～25mm，第一空心台锥上底半径与第一空心柱半径相等，第一空心台锥下底半径取值范围为2～10mm；馈电柱高度取值范围为2～8mm，馈电柱半径1～3mm。
圆形盘半径大于80mm；第二空心柱高度2～40mm，第二空心柱半径大于70mm；第二空心台锥高度10～60mm，第二空心台锥上底半径4～20mm，第二空心台锥下底半径与第二空心柱半径相等。
馈电同轴线为50Ω同轴线，馈电同轴线与馈电接头连接引入信号；馈电接头的芯线与馈电柱连接；台锥反射盘顶中心开圆孔，馈电接头安装其中，馈电接头的外层与台锥反射盘固定连接；馈电接头的外层与馈电接头的芯线之间填充绝缘材料；圆孔半径4～8mm，。
具有锥柱结构的单臂振子、具有盘锥结构的反射盘的厚度均为0.5～4mm。单臂振子与反射盘之间设置绝缘垫圈。
本发明带来的效益是：
1、对现有室内分布系统3G天馈系统改造，仅通过更换为本发明天线，覆盖半径边缘，信号强度在低频段提高0.8～1.3dB，在高频段提高5.5～8.5dB。对3G信源加入后信号偏弱的室内分布系统或区域，可以更换天线达到满意效果，避免了因加密天线带来的大规模工程改造，降低了物业协调难度。
2、对现有室内分布系统3G信源改造，因更换为本发明天线后，达到同样覆盖效果只需原信源所需信源功率的1/3～1/8，因此，对原来需要多个远端射频单元(RRU)、直放站或干放才能满足功率要求的较大形室内分布系统，可以用单RRU供给信号，大大降低信号源投资，同时避免多RRU小区切换节带来的信号质量和容量损耗，还节省用电、降低维护成本。
3、对新建3G室内分布系统，可以根据本发明天线，适当增加室内天线间距，降低信源功率或增大单RRU的覆盖范围，减少室内分布系统工程投资。
附图说明
图1a为现有天线在800MHz频点E面实测方向图；
图1b为现有天线在2170MHz频点E面实测方向图；
图2a为本发明提供的全向吸顶天线；
图2b为本发明提供的全向吸顶天线的剖面图；
图3为本发明提供的低频段806、880和960MHz频点子午面方向图；
图4为本发明提供的1800MHz频段1710和1880MHZ频点子午面方向图；
图5为本发明提供的2000MHz频段1920和2170MHz频点子午面方向图；
图6为本发明提供的2000MHz以上频段2300、2400和2500MHz频点子午面方向图；
图7为本发明提供的参考尺寸仿真的驻波-频率曲线。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步的详细描述。
本发明针对现有天线在高频段辐射过于集中的缺陷，综合考虑高低两个频段天线增益和方向性，设计出室内分布系统高性能全向吸顶天线，保证低频段性能，改善高频段性能。室内全向吸顶天线最关注的辐射角度θ大约在60°～85°之间，本发明室内全向吸顶天线设计最大增益方向在θ＝70°左右，主辐射角度θ＝85°左右(3dB衰减处)。
本发明提供的全向吸顶天线如图2a所示，图2b是全向吸顶天线的剖面图，图2b中画出的为与天线辐射相关的铜、铝等良导体金属材料主要构件，包括：
单臂振子：具有锥柱结构，包括一段空心柱1、一空心台锥2和一段馈电柱3。锥柱总长度以低频800MHz频点1/4波长为基准(参考尺寸：93.75mm)，乘上收缩系数(取值范围：0.4～1.0，参考值：0.6)。空心柱1高度取值范围：20～55mm(参考值：35mm)，半径取值范围15～55mm(参考值25mm)；空心台锥2高度取值范围：10～25mm(参考值15mm)，上底半径与空心柱1半径相等，下底半径取值范围：2～10mm(参考值：4mm)；馈电柱3高度2～8mm(参考值4mm)，半径1～3mm(参考值1.5mm)。
台锥反射盘：具有盘锥结构，包括一圆形盘6、一段空心柱5和一空心台锥4，圆形盘6半径大于80mm(参考尺寸100mm)，中心挖空，挖空半径与空心柱5内半径一致；空心柱5高度2～40mm(参考尺寸4mm)，半径大于70mm(参考尺寸84mm)；空心台锥4高度10～60mm(参考值44mm)，上底半径4～20mm(参考值10mm)，下底半径与空心柱半径相等。
馈电及其它结构：使用50Ω同轴线与馈电接头7连接引入信号，馈电接头芯线与馈电柱3连接。台锥反射盘顶中心开圆孔，半径4～8mm，参考尺寸3.5mm，馈电接头7安装其中，外层与台锥反射盘固定连接。馈电接头7外层与芯线之间用聚氯乙烯等绝缘材料填充。馈电接头7是现有的标准接头。以上所有构件厚度均为0.5～4mm(参考值1.5mm)。
本发明天线外壳考虑外观美观，电磁吸收损耗小的材料，如塑料、玻璃钢等，同时，天线外壳对天线振子和反射盘起固定和支撑作用。
全向天线的单臂振子与台锥反射盘对向设置，之间加陶瓷或聚氯乙烯等绝缘材料垫圈8，使锥柱单臂振子稳固。
本发明按上述参考尺寸通过Ansoft HFSS仿真结果如下：
图3为低频段(GSM和CDMA频段)子午面方向图，在806MHz频点，最大增益为2.85dBi，方向θ＝85°。在θ＝60°处增益2.17dBi。
在880MHz频点，最大增益为3.17dBi，方向θ＝85°，θ＝60°处增益2.52dBi。
在960MHz频点，最大增益为3.30dBi，方向θ＝85°，θ＝60°处增益2.71dBi。
图4为1800MHz频段(DCS1800频段)子午面方向图，在1710MHz频点，最大增益为4.78dBi，方向θ＝75°。θ＝60°处增益3.98dBi，θ＝85°处增益4.78dBi。
在1880MHz频点，最大增益为4.25dBi，方向θ＝70°。θ＝60°处增益3.62dBi，θ＝85°处增益3.65dBi。
图5、图6为2000MHz频段(3G频段)子午面方向图。图5显示，在1920MHz频点，最大增益为4.40dBi，方向θ＝70°，θ＝60°处增益3.91dBi，θ＝85°处增益3.49dBi。
在2170MHz频点，最大增益为5.34dBi，方向θ＝70°，θ＝60°处增益5.02dBi，θ＝85°处增益4.31dBi。
图6为2300MHz、2400MHz和2500MHz的子午线方向图。
在2300MHz频点，最大增益为6.12dBi，方向θ＝70°，θ＝60°处增益5.33dBi，θ＝85°处增益5.32dBi。
在2400MHz频点，最大增益为7.15dBi，方向θ＝70°，θ＝60°处增益6.65dBi，θ＝85°处增益5.53dBi。
在2500MHz频点，最大增益为6.13dBi，方向θ＝75°，θ＝60°处增益5.76dBi，θ＝85°处增益4.39dBi。
图7为本发明参考尺寸仿真的驻波-频率曲线，反映天线在800～2500MHz范围内，电压驻波比小于1.5。
仿真和实验结果表明，本发明天线在θ＝60°～85°关注角度范围内，在低频段增益保持在2dBi以上，比现有全向吸顶天线有0.8～1.3dB提高；在高频段，最大增益约4.4～7.1dBi，方向调整到了θ＝65°～85°范围。在θ＝85°覆盖半径边缘(约23米)，本发明天线增益约3.5～5.5dBi，比现有全向吸顶天线增益(-2～-3dBi)高5.5～8.5dB，即同样信源功率驱动下，目标覆盖区域的信号强5.5～8.5dB，相当于信源增加约3.5～7倍的功率。
本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。

Claims (9)

1.移动通信网络室内分布系统中使用的全向吸顶天线，其特征在于，包括：具有锥柱结构的单臂振子、具有盘锥结构的反射盘以及馈电接头，其中所述单臂振子包括第一空心柱、第一空心台锥和馈电柱，第一空心柱、第一空心台锥和馈电柱由上往下依次连接；所述反射盘包括圆形盘、第二空心柱和第二空心台锥，圆形盘、第二空心柱和第二空心台锥由下往上依次连接；单臂振子与反射盘对向设置，信号通过馈电接头馈入天线，由单臂振子和反射盘向外发射。
2.如权利要求1所述的全向吸顶天线，其特征在于，圆形盘中心挖空，挖空半径与第二空心柱内半径一致。
3.如权利要求2所述的全向吸顶天线，其特征在于，单臂振子总长度为800MHz电磁波波长的1/4乘以收缩系数所得的结果。
4.如权利要求3所述的全向吸顶天线，其特征在于，800MHz电磁波波长的1/4为：93.75mm，收缩系数的取值范围为：0.4～1.0。
5.如权利要求4所述的全向吸顶天线，其特征在于，第一空心柱高度取值范围为20～55mm，第一空心柱半径取值范围为15～55mm；第一空心台锥高度取值范围为10～25mm，第一空心台锥上底半径与第一空心柱半径相等，第一空心台锥下底半径取值范围为2～10mm；馈电柱高度取值范围为2～8mm，馈电柱半径1～3mm。
6.如权利要求5所述的全向吸顶天线，其特征在于，圆形盘半径大于80mm；第二空心柱高度2～40mm，第二空心柱半径大于70mm；第二空心台锥高度10～60mm，第二空心台锥上底半径4～20mm，第二空心台锥下底半径与第二空心柱半径相等。
7.如权利要求6所述的全向吸顶天线，其特征在于，馈电同轴线为50Ω同轴线，馈电同轴线与馈电接头连接引入信号；馈电接头的芯线与馈电柱连接；台锥反射盘顶中心开圆孔，馈电接头安装其中，馈电接头的外层与台锥反射盘固定连接；馈电接头的外层与馈电接头的芯线之间填充绝缘材料；圆孔半径4～8mm。
8.如权利要求7所述的全向吸顶天线，其特征在于，具有锥柱结构的单臂振子、具有盘锥结构的反射盘的厚度均为0.5～4mm。
9.如权利要求1所述的全向吸顶天线，其特征在于，单臂振子与反射盘之间设置绝缘垫圈。
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