CN102097673B - 移动通信网络室内分布系统中使用的双向吸顶天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及移动通信网络室内分布系统中使用的双向吸顶天线，包括金属环带、球-圆台振子和接线柱；金属环带与接线柱一端的外导体连接，球-圆台振子的圆台顶面与接线柱一端的内导体连接；接线柱的轴心和球-圆台振子的对称轴与金属环带的一直径位于同一直线上；接线柱另一端与同轴电缆连接。本发明提供的双向吸顶天线，在线形和双向覆盖区域，比现有全向吸顶天线，在低频段可获得约3dB的信号增强，在高频段可获得6～10dB信号增强。

Description

移动通信网络室内分布系统中使用的双向吸顶天线

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双向吸顶天线。

背景技术

3G移动通信网络良好的室内信号越来越重要，室内分布系统因此引起广泛重视。很多室内覆盖场景，如酒店、办公楼、隧道、地铁、长廊等场所，其目标覆盖区域是线形或双向形的，目前一般在天花板等室内顶部安装全向吸顶天线覆盖，尚无合适天线作针对性覆盖。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。

现有全向吸顶天线对线形和双向形覆盖区域存在以下缺陷：

1、在水平面上天线增益无方向性差异，各方向辐射信号强度是均匀的，用于线性和双向形覆盖时，对目标覆盖区域和非目标覆盖区域同等覆盖，造成信源功率浪费，覆盖效率低，还对非目标区域覆盖形成干扰，影响通信网络质量。

2、在高频段电磁波辐射性能向天线正下方集中，随辐射角度增加快速衰减，实测表明(如图1a和图1b，其中图1a是800MHz频点E面方向图，图1b是2170MHz频点E面方向图)，子午面内最大辐射方向θ≈45°，θ＝60°时衰减3dB，θ＝80°时衰减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。

一般建筑层高约3m，移动通信终端离地一般大于1m。DCS1800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。计算可得，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3.5m(θ＝60°)，对应覆盖半径小于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，而在设计覆盖半径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GSM800信号覆盖半径要小。为获得良好内信号，不得不提高的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

本发明提供了一种解决上述的技术问题的移动通信室内分布系统中使用的双向吸顶天线，其目的在于：改善双向辐射性能，提高双向覆盖区域辐射角θ在60°～85°范围的天线增益，从而改善双向目标覆盖区域的信号质量，降低室内分布系统改造和新建成本。

本发明提供了移动通信网络室内分布系统中使用的双向吸顶天线，包括金属环带、球-圆台振子和接线柱；金属环带与接线柱一端的外导体连接，球-圆台振子的圆台顶面与接线柱一端的内导体连接；接线柱的轴心和球-圆台振子的对称轴与金属环带的一直径位于同一直线上；接线柱另一端与同轴电缆连接。

该双向吸顶天线还包括介质盘，接线柱穿过介质盘，介质盘与金属环带的外圆相切。

球-圆台振子为一球和与之相切的圆台组成。

金属环带的外圆半径为65～100mm，金属环带的内圆半经为30～70mm。

球的半径为15～40mm，圆台的顶角大于40°，圆台的顶面半径为0.5～5mm。

接线柱为同轴线；接线柱的长度为5～30mm，接线柱的内导体的半径为0.5～1.5mm，接线柱的外导体的内半径2～6mm。

介质盘由绝缘材料制成；介质盘的半径50～150mm，介质盘的厚度1～5mm。

该双向吸顶天线还包括外罩，介质盘和外罩将金属环带、球-圆台振子和接线柱包封固定；外罩由绝缘材料制成。

本发明优点带来的效益是：

1、对现有室分3G天馈系统改造，仅通过更换为本发明提供的天线，在线形和双向覆盖区域，在低频段可获得约3dB的信号增强，在高频段可获得6～10dB信号增强。对2G、3G网络原来信号弱的室分系统或区域，可以更换天线达到满意效果，使许多酒店、办公楼宇等通过走道覆盖房间的效率大大提高，减少窗边切换，提升网络质量，减低工程改造投入和物业协调难度。

2、对现有室分3G信源改造，因更换为本发明提供的天线后，达到同样覆盖效果信源所需发射功率大大降低，因此，对原来需要多个RRU(远端射频单元)、直放站或干放才能满足功率要求的较大形室分系统，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室分系统，可以根据本发明提供的天线，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，减少室分工程投资。

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2为本发明提供的双向吸顶天线立体图；

图3为本发明双向吸顶天线正面透视图；

图4为环带振子辐射单元频率-驻波系数曲线图；

图5a为本发明提供的806MHz频点三维立体方向图；

图5b为本发明提供的806MHz频点子午面Φ＝0°和Φ＝90°方向图；

图6a为本发明提供的880MHz频点三维立体方向图；

图6b为本发明提供的880MHz频点子午面Φ＝0°和Φ＝90°方向图；

图7a为本发明提供的960MHz频点三维立体方向图；

图7b为本发明提供的960MHz频点子午面Φ＝0°和Φ＝90°方向图；

图8a为本发明提供的1710MHz频点三维立体方向图；

图8b为本发明提供的1710MHz频点子午面Φ＝0°和Φ＝90°方向图；

图9a为本发明提供的1880MHz频点三维立体方向图；

图9b为本发明提供的1880MHz频点子午面Φ＝0°和Φ＝90°方向图；

图10a为本发明提供的1920MHz频点三维立体方向图；

图10b为本发明提供的1920MHz频点子午面Φ＝0°和Φ＝90°方向图；

图11a为本发明提供的2170MHz频点三维立体方向图；

图11b为本发明提供的2170MHz频点子午面Φ＝0°和Φ＝90°方向图；

图12a为本发明提供的2300MHz频点三维立体方向图；

图12b为本发明提供的2300MHz频点子午面Φ＝0°和Φ＝90°方向图；

图13a为本发明提供的2400MHz频点三维立体方向图；

图13b为本发明提供的2400MHz频点子午面Φ＝0°和Φ＝90°方向图；

图14a为本发明提供的2500MHz频点三维立体方向图；

图14b为本发明提供的2500MHz频点子午面Φ＝0°和Φ＝90°方向图。

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。

本发明针对室分线形和双向形区域覆盖需要和现有全向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，设计出室分双向覆盖吸顶天线，提高天线前后方向增益，降低左右侧向增益。室内吸顶天线最关注的辐射角度θ大约在60°～85°之间，对应覆盖半径从3.5m到23m的区域，本发明中的室内双向吸顶天线设计目标：在前后双向最大增益方向在θ＝70°左右，主辐射角度θ＝85°左右(3dB衰减处)。

本发明提供了移动通信网络室内分布系统中使用的双向吸顶天线，图2为本发明提供的双向吸顶天线的立体图。如图3所示，本发明提供的双向吸顶天线包括一金属环带1、球-圆台振子2、接线柱3、介质盘4和外罩等组成；金属环带1一直径、球-圆台振子2对称轴、接线柱3轴心和介质盘4中心位于同一直线上，金属环带1与接线柱外导体两侧连接，球-圆台振子2与接线柱内导体一端连接，接线柱3另一端连接同轴电缆，接入移动通信系统，接线柱3穿过介质盘4，介质盘4金属环带1的外圆相切，介质盘4和外壳将天线辐射单元包封固定，并便于在天花板等顶面安装。

金属环带1和球-圆台振子2组成天线辐射单元，球-圆台振子2为天线辐射振子，金属环带1起引向作用，使球-圆台振子2辐射出来的电磁波向环带两侧集中，环带宽度和大小影响天线的增益和方向性，环带外圆半径65～100mm，环带内圆半经30～70mm。

球-圆台振子2为一球和与之相切的圆台组成，球的半径、圆台顶角和球-圆台高度与工作波长、带宽和天线特性阻抗有关。球的半径15～40mm，圆台顶角(是指沿着圆台中心剖面形成的等边梯形的两条边延伸之后形成的角)大于40°，圆台顶面(指半径较小的圆面)半径0.5～5mm。

接线柱3为一段同轴线，同轴线芯线与球-圆台振子2的圆台顶面连接，同轴线外导体圆柱两侧对称与金属环带沿经线连接，同轴线外导体与芯线之间与聚氯乙烯等绝缘材料填充。同轴线的另一端与50Ω同轴电缆连接。接线柱3轴心、球-圆台振子对称轴与金属环带一经线重合。接线柱3长度和芯线、外导体半径大小综合考虑同轴电缆连接方便和天线阻抗匹配。接线柱长度5～30mm，芯线半径0.5～1.5mm，外导体内半径2～6mm。

介质盘4和外罩为聚氯乙烯、玻璃钢等绝缘材料制成，将金属环带、球-圆台振子和接线柱包封固定。外罩同时要考虑外性美观，尽量减小对室内环境的影响。接线柱从介质盘4中心穿出，以便同轴电缆连接。介质盘大小和形状主要考虑安装方便和美观，半径50～150mm，厚度1～5mm。

本发明环带振子辐射单元按上述尺寸用Ansoft HFSS仿真结果如下：

在806MHz频点，图5a为三维立体方向图，图5b为Φ＝0°和90°子午面方向图，Φ＝90°时：θ＝90°处增益最大，为4.85dBi；θ＝60°处，增益2.67dBi；θ＝85°处，增益4.73dBi。

在880MHz频点，图6a为三维立体方向图，图6b为Φ＝0°和90°子午面方向图，Φ＝90°时：θ＝90°处增益最大，为5.26dBi；θ＝60°处，增益2.98dBi；θ＝85°处增益5.14dBi。

在960MHz频点，图7a为三维立体方向图，图7b为Φ＝0°和90°子午面方向图，Φ＝90°时：θ＝90°处增益最大，为5.71dBi；θ＝60°处，增益3.41dBi；θ＝85°处，增益5.59dBi。

在1710MHz频点，图8a为三维立体方向图，图8b为Φ＝0°和90°子午面方向图，Φ＝90°时：θ＝75°处增益最大，为7.25dBi；θ＝60°处，增益6.34dBi；θ＝85°处，增益6.78dBi。

在1880MHz频点，图9a为三维立体方向图，图9b为Φ＝0°和90°子午面方向图，Φ＝90°时：θ＝70°处增益最大，为8.38dBi；θ＝60°处，增益7.89dBi；θ＝85°处，增益7.20dBi。

在1920MHz频点，图10a为三维立体方向图，图10b为Φ＝0°和90°子午面方向图，Φ＝90°时：θ＝70°处增益最大，为8.51dBi；θ＝85°处，增益7.04dBi。

在2170MHz频点，图11a为三维立体方向图，图11b为Φ＝0°和90°子午面方向图，Φ＝90°时：θ＝60°处增益最大，为8.50dBi；θ＝85°处，增益4.76dBi。

在2300MHz频点，图12a为三维立体方向图，图12b为Φ＝0°和90°子午面方向图，Φ＝90°时：θ＝55°处增益最大，为8.52dBi；θ＝60°处，增益8.40dBi，θ＝85°处，增益4.32dBi。

在2400MHz频点，图13a为三维立体方向图，图13b为Φ＝0°和90°子午面方向图，Φ＝90°时：θ＝55°处增益最大，为8.34dBi；θ＝60°处，增益8.23dBi；θ＝85°处，增益5.16dBi。

在2500MHz频点，图14a为三维立体方向图，图14b为Φ＝0°和90°子午面方向图，Φ＝90°时：θ＝60°处增益最大，为8.54dBi；θ＝85°处，增益5.98dBi。

本发明天线在800～2500MHz频段驻波系数均小于1.3(见图4)。

本发明优点是结构简单、成本低，明显增强了天线在双向区域内θ＝60°～85°时双向辐射的增益，在低频段(806～960MHz)为天线增益约4.9～5.6dBi，比现有全向吸顶天线高约3dB；在高频段(1710～2500MHz)达到天线增益7.3～8.5dBi，比现有全向吸顶天线增加2～3.5dB，θ＝85°方向增益4.2～7.3dBi，比现有全向吸顶天线高6～10dB，大大改善天线的覆盖效率。

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 (7)

1.移动通信网络室内分布系统中使用的双向吸顶天线，其特征在于，包括金属环带、球-圆台振子和接线柱；金属环带与接线柱一端的外导体连接，球-圆台振子的圆台顶面与接线柱一端的内导体连接；接线柱的轴心和球-圆台振子的对称轴与金属环带的一直径位于同一直线上；接线柱另一端与同轴电缆连接；

其中，球-圆台振子为一球和与之相切的圆台组成；金属环带的环带面与球-圆台振子的对称轴平行；圆台中心剖面形成等边梯形；圆台顶面为圆台的半径较小的圆面。

2.如权利要求1所述的移动通信网络室内分布系统中使用的双向吸顶天线，其特征在于，该双向吸顶天线还包括介质盘，接线柱穿过介质盘，介质盘与金属环带的外圆相切。

3.如权利要求1所述的移动通信网络室内分布系统中使用的双向吸顶天线，其特征在于，金属环带的外圆半径为65～100mm，金属环带的内圆半经为30～70mm。

4.如权利要求1所述的移动通信网络室内分布系统中使用的双向吸顶天线，其特征在于，球的半径为15～40mm，圆台的顶角大于40°，圆台顶面的半径为0.5～5mm；

其中圆台顶角是指沿着圆台中心剖面形成的等边梯形的两条边沿伸之后形成的角。

5.如权利要求1所述的移动通信网络室内分布系统中使用的双向吸顶天线，其特征在于，接线柱为同轴线；接线柱的长度为5～30mm，接线柱的内导体的半径为0.5～1.5mm，接线柱的外导体的内半径为2～6mm。

6.如权利要求2所述的移动通信网络室内分布系统中使用的双向吸顶天线，其特征在于，介质盘由绝缘材料制成；介质盘的半径为50～150mm，介质盘的厚度为1～5mm。

7.如权利要求2所述的移动通信网络室内分布系统中使用的双向吸顶天线，其特征在于，该双向吸顶天线还包括外罩，介质盘和外罩将金属环带、球-圆台振子和接线柱包封固定；外罩由绝缘材料制成。

Images