CN105680163A - 一种边缘增强型室内覆盖垂直极化全向吸顶天线 - Google Patents
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Abstract
一种边缘增强型室内覆盖垂直极化全向吸顶天线，设有地板和杯状辐射体，地板和杯状辐射体均为以各自中心线为轴线的回转体，并且杯状辐射体与地板的中心线重合，地板和杯状辐射体分别与馈电电缆外内导体连接；杯状辐射体包括依次相接的两个直径不同的圆柱形部分和两个圆锥形部分，且杯状辐射体的直径朝地板方向逐渐减小，两个圆柱形部分的相接处以及两个圆锥形部分的相接处，均由于直径突变而形成台阶部；地板中心设有一个朝向杯状辐射体方向的突出部分，地板的圆周设有方向相反的折边。该设计在低仰角方向上仍保持较高增益，实现了优于常规单锥全向吸顶天线的宽带性、全向性、垂直极化、边缘效果增强、带内一致覆盖，以及小尺寸和低剖面。
Description
技术领域
本发明涉及一种蜂窝移动通信的室内分布式全向吸顶天线，具体地说是一种边缘增强型室内覆盖垂直极化全向吸顶天线。
背景技术
目前，人类已经全面进入信息时代，获取资讯成为人们日常生活不可或缺的组成部分。移动通信以其特有的便捷性，已成为人们随时随地获取信息和彼此通信的主要方式。天线则是无线通信系统关键子部件，它的性能优劣对整个系统的影响是决定性的。随着移动通信技术的发展，家庭、办公室、商场、候机楼、教室、图书馆等室内环境已成为话务和数据流量的热点区域。室外宏基站由于考虑覆盖范围、选址、成本等实际因素，天线尺寸大、增益高、发射功率大、架设高度高，以实现广域信号连续覆盖，却难以对建筑物内部进行深度、精确覆盖。自然地，人们将室外基站小型化后部署于楼宇内部各处，形成了室内分布式覆盖系统。综合考虑到容量、选址、成本等方面因素，室分小基站必须支持多制式（GSM2G/CDMA-3G/LTE-4G）、全频段（800-960MHz/1710-2700MHz），而且水平面需覆盖较大区域。受制于安装位置，室分天线通常有定向壁挂和全向吸顶两大类。由于多频段技术上实现较难，两类天线通常设计成宽频带。吸顶天线安装于天花板，要求方向图在不同仰角的方位面内必须是均匀全向的，且低俯角方向仍需保持较高增益，这样才能保证较大的覆盖范围。另外，考虑用户视觉和感受，吸顶天线宜小尺寸和低剖面。
综合上述要求，单锥是适合设计全向吸顶天线的几何形状，它具有宽频带、全向性的特点，而且高度仅为双锥天线的一半。如附图2、3所示常规单锥全向吸顶天线采用平直圆盘地板2、杯状锥体1和短路枝条3。然而，由于单锥天线将双锥的倾斜下臂变成平直地板的缘故，其高频最大辐射方向会上翘较大的角度，致使低仰角增益较低，不圆度差，而低频最大辐射方向则恰好在水平方向。这会造成低频覆盖范围宽、高频覆盖范围小的现象。虽然，通过增加网络部署密度可以使高低频覆盖范围较为一致，但是建设成本会成倍增加。因此，全向吸顶天线的边缘覆盖效果增强成为解决问题的关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服全向吸顶天线采用单锥天线低仰角增益低、不圆度差，而采用双锥天线尺寸过大的问题，提供一种边缘效果增强、带内一致覆盖、小尺寸、低剖面的边缘增强型室内覆盖垂直极化全向吸顶天线。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种边缘增强型室内覆盖垂直极化全向吸顶天线，设有地板和杯状辐射体，所述地板和杯状辐射体均为以各自中心线为轴线的回转体，并且杯状辐射体与地板的中心线重合，地板与杯状辐射体分别与馈线连接，所述的杯状辐射体包括依次相接的两个直径不同的圆柱形部分和两个圆锥形部分，且杯状辐射体的直径朝地板方向逐渐减小，两个圆柱形部分的相接处以及两个圆锥形部分的相接处，均由于直径突变而形成台阶部；所述地板为锥形地板，其中心设有一个朝向杯状辐射体方向的突出部分，地板的圆周设有方向相反的折边。
所述杯状辐射体的大直径端设有环形外沿。
所述杯状辐射体的小直径端为一平面，在该平面设有用于连接馈线的圆孔。
所述锥形地板中心的突出部分下部为圆柱形，上部为圆台形。
所述的杯状辐射体和锥形地板均为CNC工艺或压铸工艺一体成型。
所述的杯状辐射体和锥形地板为壁厚为T的中空结构，其中T大于0，小于其最大直径。
所述杯状辐射体与锥形地板之间设有间隙，所述的馈线为馈电电缆，馈电电缆的外导体与锥形地板连接，内导体延伸并穿过杯状辐射体底部中心圆孔并在圆孔上部与之在焊接为一体。
所述的馈电电缆采用带SMA、BNC、TNC或N型连接头的50Ω标准同轴线。
所述的杯状辐射体和锥形地板的制作材料为金属良导体。
本发明的有益效果是：综合单锥/双锥天线优缺点，将地板和杯状辐射体按照所述结构变形，使单锥天线高频段增益在偏离最大辐射方向后缓慢下降，在低仰角方向上仍保持较高增益，实现高频段边缘覆盖增强效果，使得全频段内覆盖范围大致相同。本发明设计实现了优于常规单锥全向吸顶天线的宽带性、全向性、垂直极化、边缘效果增强、带内一致覆盖，以及小尺寸和低剖面。该增强型单锥全向吸顶天线在0.80-2.70GHz频带内获得了良好的阻抗匹配（低频VSWR≤2.0，高频VSWR≤1.35）、理想的全向性（不圆度小于0.1dBi）、较高的增益（低频1.4-2.1dBi，高频3-4dBi）、很好的带内覆盖一致性、很高的效率（η A ≥98%）和较小的尺寸（直径-0.49·λ L ×高度-0.23·λ L ），是一种适合室内覆盖的理想单极化全向天线方案。另外，该方法还具有思路新颖、原理清晰、方法普适、实现简单等特点，对于其他类型单/偶极子天线的设计和改进也是适用和有效的。
附图说明
图1为设计天线模型所采用的直角坐标系定义的示意图。
图2为常规单锥全向吸顶天线的正视图。
图3为图2所述吸顶天线的侧视图。
图4为本发明增强型单锥全向吸顶天线的正视图。
图5为图4所述吸顶天线的侧视图。
图6为图4所述吸顶天线的俯视图。
图7为增强型单锥全向吸顶天线的输入阻抗Z in 频率特性曲线。
图8为增强型单锥全向吸顶天线的反射系数|S 11 |曲线。
图9为增强型单锥全向吸顶天线的驻波比VSWR曲线。
图10为增强型单锥全向吸顶天线各频点归一化E-面（竖直面）增益方向图。
图11为增强型单锥全向吸顶天线各频点在Theta=47o归一化H-面（方位面）增益方向图。
图12为增强型单锥全向吸顶天线带内E-面半功率波束宽度频率曲线。
图13为增强型单锥全向吸顶天线最大增益出现的仰角频率曲线。
图14为增强型单锥全向吸顶天线的最大增益随频率f变化曲线。
图15为增强型单锥全向吸顶天线的效率η A 随频率f变化曲线。
图中标记：1、杯状锥体，2、圆盘地板，3、短路枝条，4、杯状辐射体，401、圆柱形部分，402、圆锥形部分，403、台阶部，404、环形外沿，5、锥形地板，501、突出部分，502、折边，6、馈电电缆。
具体实施方式
以下结合附图具体说明本发明的实施方式。
如图4、图5、图6所示，本发明的边缘增强型室内覆盖垂直极化全向吸顶天线，设有地板和杯状辐射体，地板为锥形地板5，所述锥形地板5和杯状辐射体均为以各自中心线为轴线的回转体。所述的杯状辐射体4和锥形地板5的制作材料选用金属良导体，如紫铜（纯铜）、合金铜（如黄铜）或纯铝。杯状辐射体4与锥形地板5的中心位置相互对齐，使两者的中心线相互重合。锥形地板与杯状辐射体分别与馈线连接。所述的馈线可以采用馈电电缆，也可以采用馈电电缆与微带线或带状线组合。例如在锥形地板和杯状辐射体的中心设有贯穿的圆孔，馈电电缆6的外导体与锥形地板5连接，内导体延伸并穿过杯状辐射体底部中心圆孔并在圆孔上部与之在焊接为一体。或者馈电电缆的外导体和内导体分别连接至微带线或带状线，并经由微带线或带状线分别与锥形地板和杯状辐射体连接。
本发明通过改变杯状辐射体4和锥形地板5的形状是其兼具单锥天线和双锥天线的特点。杯状辐射体和锥形地板均为薄壁厚的金属件，杯状辐射体与常规单锥天线相比，本发明在杯状锥体的圆柱形段和圆锥形段上均进行了两次弯折。弯折后形成的杯状辐射体的直径朝地板方向逐渐减小。圆柱形段的两次为直角弯折，使其形成两个相接的直径不同的圆柱形部分401，两个圆柱形部分的相接处由于直径突变而形成一个台阶部403（即弯折的位置）。圆锥形段的两次为钝角弯折，使其形成两个相接的圆锥形部分402，两个圆锥形部分402的相接处同样由于弯折后导致的直径突变而形成一个台阶部403。
与常规单锥天线的平板状圆盘地板相比，本发明的锥形地板向下（即背离杯状辐射体的方向）弯折成阶梯状，在其中心部分形成一个朝向杯状辐射体方向的突出部分，而在锥形地板的圆周形成方向相反的折边。锥形地板中心的突出部分下部为圆柱形，上部为圆台形。
在杯状辐射体的大直径端还设有环形外沿，该环形外沿同样可以通过弯折形成。杯状辐射体的小直径端为一平面，在该平面设有用于连接馈线的圆孔。
所述的杯状辐射体和锥形地板均为具有一定壁厚T的中空结构，T大于0，小于最大直径，即杯状辐射体的厚度T小于其最大直径，锥形地板的厚度T相应小于其本身最大直径。
所述的杯状辐射体和锥形地板均可采用CNC工艺或压铸工艺一体成型。在杯状辐射体与锥形地板之间留有一定高度的间隙。
该天线的馈电电缆可采用带SMA、BNC、TNC、N型等常见连接头的50Ω标准同轴线。
本发明的天线模型的设计方法包括以下步骤：图1为设计天线模型所采用的坐标系示意图，一个点P的坐标为x0、y0、z0。步骤一，在水平面XOY建立直角坐标系；步骤二，在XOZ平面，画一连续七次弯折的折线（前四次为钝角弯折，后三次为直角弯折），再绕Z轴旋转360o形成一回转体，然后变成有一定厚度的杯状体，见图4、5、6中的标号4部分；步骤三，在步骤二的赋形杯状体正下方，构造一条连续四次弯折的折线（前两次为钝角弯折，后两次为直角弯折），同样绕Z轴旋转360o形成一回转体再变成有一定厚度的钣金体，见图4、5、6中的标号5部分；步骤四，在步骤二、三的赋形杯状辐射体和锥形地板中心位置对齐，并在该处钻一贯穿两者的圆孔，用于馈电同轴线穿过；同轴线外导体连接锥形地板，内导体则朝上延伸至杯状辐射体底部并与之焊接为一体，见图4的标号6部分。
图7为本发明的全向吸顶天线的输入阻抗Z in 频率特性曲线。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是输入阻抗Z in ，单位为Ω；实线表示实部R in ，虚线表示虚部X in 。
图8为本发明的全向吸顶天线的反射系数|S 11 |曲线。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是S 11 的幅度|S 11 |，单位为dB。由图知，天线在0.80-2.70GHz频段内实现了良好的阻抗匹配（|S 11 |≤-10dB，1.00-2.70GHz频段内，|S 11 |≤-15dB）。
图9为本发明的全向吸顶天线的驻波比VSWR曲线。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是VSWR。由图知，天线在0.80-2.70GHz频段内实现了良好的阻抗匹配（VSWR≤2.0，1.00-2.70GHz频段内，VSWR≤1.35）。
图10为本发明的全向吸顶天线各频点归一化E-面（竖直面）增益方向图。其中，其中，实线表示f1=0.8GHz，虚线表示f2=1.71GHz，点线表示f3=2.30GHz，点划线线表示f4=2.70GHz。由图知，低频最大方向出现在Theta=70o-80o，高频则出现在Theta=46o-48o；全频段内具有理想的半波阵子方向图。
图11为本发明的全向吸顶天线各频点在Theta=47o归一化H-面（方位面）增益方向图。其中，实线表示f1=0.8GHz，虚线表示f2=1.71GHz，点线表示f3=2.30GHz，点划线线表示f4=2.70GHz。由图知，不圆度在0.1dB以内，理论上应该为0dB，这是由仿真本身误差所造成的。
图12为本发明的全向吸顶天线带内E-面半功率波束宽度频率曲线。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是波束宽度，单位是度（deg）。由图知，低频波束宽度在105o-110o，高频在50o-60o。
图13为本发明的全向吸顶天线最大增益出现的仰角频率曲线。其中，横轴（X轴）是频率f，单位为GHz；纵轴（Y轴）是波束宽度，单位是度（deg）。由图知，低频最大增益仰角Theta=80o-90o，高频最大增益仰角Theta=46o-48o。
图14为本发明的全向吸顶天线的最大增益随频率f变化曲线。由图，低频增益G=1.4-2.1dBi，高频增益G=3-4dBi。
图15为本发明的全向吸顶天线的效率η A 随频率f变化曲线。带内天线效率接近于理想的100%（≥98%）。
下表为各频点在不同Theta角（θ）下的增益值(f-GHz，G-dBi)。由表知，在最大辐射角两侧，增益均缓慢下降且基本对称，低仰角方向增益值仍较高。
通过上表所示结果可以看出，本发明通过对杯状辐射体边缘和锥形地板进行特殊的连续几何弯折赋形，从而获得了：一、优于常规单锥全向吸顶天线的宽带性；二、优于常规单锥全向吸顶天线的全向性；三、优于常规单锥全向吸顶天线的带内覆盖一致性（边缘增强效果）。然而，由于没有加载短路枝节，故尺寸稍大。该增强型单锥全向吸顶天线在0.80-2.70GHz频带内获得了良好的阻抗匹配（低频VSWR≤2.0，高频VSWR≤1.35）、理想的全向性（不圆度小于0.1dBi）、较高的增益（低频1.4-2.1dBi，高频3-4dBi）、很好的带内覆盖一致性、很高的效率（η A ≥98%）和较小的尺寸（直径-0.49·λ L ×高度-0.23·λ L ）。
Claims (9)
1.一种边缘增强型室内覆盖垂直极化全向吸顶天线，设有地板和杯状辐射体，所述地板和杯状辐射体均为以各自中心线为轴线的回转体，并且杯状辐射体与地板的中心线重合，地板与杯状辐射体分别与馈线连接，其特征在于：所述的杯状辐射体包括依次相接的两个直径不同的圆柱形部分和两个圆锥形部分，且杯状辐射体的直径朝地板方向逐渐减小，两个圆柱形部分的相接处以及两个圆锥形部分的相接处，均由于直径突变而形成台阶部；所述地板为锥形地板，其中心设有一个朝向杯状辐射体方向的突出部分，锥形地板的圆周设有方向相反的折边。
2.如权利要求1所述的一种边缘增强型室内覆盖垂直极化全向吸顶天线，其特征在于：所述杯状辐射体的大直径端设有环形外沿。
3.如权利要求1或2所述的一种边缘增强型室内覆盖垂直极化全向吸顶天线，其特征在于：所述杯状辐射体的小直径端为一平面，在该平面设有用于连接馈线的圆孔。
4.如权利要求1所述的一种边缘增强型室内覆盖垂直极化全向吸顶天线，其特征在于：所述锥形地板中心的突出部分下部为圆柱形，上部为圆台形。
5.如权利要求1、2或4所述的一种边缘增强型室内覆盖垂直极化全向吸顶天线，其特征在于：所述的杯状辐射体和锥形地板均为CNC工艺或压铸工艺一体成型。
6.如权利要求1、2或4所述的一种边缘增强型室内覆盖垂直极化全向吸顶天线，其特征在于：所述的杯状辐射体和锥形地板为壁厚为T的中空结构，其中T大于0，小于最大直径。
7.如权利要求1所述的一种边缘增强型室内覆盖垂直极化全向吸顶天线，其特征在于：所述杯状辐射体与锥形地板之间设有间隙，所述的馈线为馈电电缆，馈电电缆的外导体与锥形地板连接，内导体延伸并穿过杯状辐射体底部中心圆孔并在圆孔上部与之在焊接为一体。
8.如权利要求7所述的一种边缘增强型室内覆盖垂直极化全向吸顶天线，其特征在于：所述馈电电缆采用带SMA、BNC、TNC或N型连接头的50Ω标准同轴线。
9.如权利要求1、2或4所述的一种边缘增强型室内覆盖垂直极化全向吸顶天线，其特征在于：所述的杯状辐射体和锥形地板的制作材料为金属良导体。
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Denomination of invention: A Edge Enhanced Indoor Coverage Vertical Polarization Omnidirectional Ceiling Antenna Effective date of registration: 20231206 Granted publication date: 20181109 Pledgee: China Co. truction Bank Corp Zhongshan branch Pledgor: TONGYU COMMUNICATION Inc. Registration number: Y2023980069635 |