CN106329078B - 边缘增强型全向吸顶天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种边缘增强型全向吸顶天线，其包括地板、连接于地板上的单锥体、馈电座、介质圆环，该单锥体包括十字交叉连接的第一单锥辐射体和第二单锥辐射体，该地板为锥顶朝上的阶梯状圆台面，地板顶部设有圆孔，该馈电座、介质圆环放置在该圆孔上，馈电线缆穿过圆孔、馈电座、介质圆环连接该单锥体的馈电点，该阶梯状地板外表面还设有L形波束调节片。本发明实现了0.80GHz‑2.70GHz频率范围内，单锥吸顶天线的良好的阻抗匹配、理想的全向辐射性、显著的边缘覆盖增强效果、一致的带内覆盖范围、很高的效率(η_A≥95％)，以及小尺寸和低剖面，是一种适合于室内覆盖的理想全向吸顶天线方案。另外，该方法还具有思路新颖、原理清晰、方法普适、实现简单、低成本、适合批量生产等特点，是取代常规全向吸顶天线的优选方案，而且对于H/V双极化全向吸顶天线的设计和改进也是适用和有效的。

Description

边缘增强型全向吸顶天线

【技术领域】

本发明涉及移动通信的室内分布式覆盖天线，尤其是涉及一种边缘覆盖增强型单极化全向吸顶天线。

【背景技术】

室内环境已成为话务和数据流量的热点区域。室外宏基站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。由于实现多频段技术上难度很大，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，而且高度较仅为双锥天线的一半。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，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，增强全向吸顶天线的边缘覆盖效果成为解决问题的关键。常规全向吸顶单锥天线采用平直圆盘地板120、杯状锥体110和短路枝条130，如图2(a)、2(b)所示，其低仰角增益低、不圆度差。

因此，提供一种能解决现有技术中所存在问题的边缘增强型全向吸顶天线实为必要。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种超宽带、全向性、边缘覆盖效果增强/带内覆盖范围一致、高效率、小型化、低成本的边缘增强型全向吸顶天线。

为实现本发明目的，提供以下技术方案：

本发明提供一种边缘增强型全向吸顶天线，其包括地板、连接于地板上的单锥体、馈电座、介质圆环，该单锥体包括十字交叉连接的第一单锥辐射体和第二单锥辐射体，该地板为锥顶朝上的阶梯状圆台面，地板顶部设有圆孔，该馈电座、介质圆环放置在该圆孔上，馈电线缆穿过圆孔、馈电座、介质圆环连接该单锥体的馈电点，该阶梯状地板外表面还设有L形波束调节片。

优选的，该第一单锥辐射体和第二单锥辐射体为长矩形片，长度大于宽度，宽长比为0.75～0.95。

优选的，该第一单锥辐射体和第二单锥辐射体的四顶点处均倒圆角或直角。

优选的，该第一单锥辐射体自顶边中心朝下都开一竖直长缝，底边中心则朝下突出为第一矩形馈电点，该第二单锥辐射体底部突出设有第二矩形馈电点，在该第二矩形馈电点底部中心朝上开一竖直短缝，该第一单锥辐射体和第二单锥辐射体十字交叉连接时，两者的中心线重合，该竖直长缝与竖直短缝刚好吻合，合并为一个十字交叉单锥体。

优选的，该阶梯状地板的母线连续五次弯折，使该地板形成有自下而上的第一平台、第一倾斜面、第二平台、第二倾斜面，该L形波束调节片设置在该阶梯状地板的第二平台内侧靠近第二斜面处。优选的，该地板还设有连接第二倾斜面的第三倾斜面和第三平台。

优选的，该L形波束调节片设有至少三个，并以圆周方式排列在地板外表面。

优选的，该L形波束调节片的宽度中间、纵向开有窄槽。

优选的，该L形波束调节片为圆台状曲面或平直平面。

优选的，竖直长缝与竖直短缝总长等于单锥体高度，竖直长缝与竖直短缝的宽度等于该第一单锥辐射体或第二单锥辐射体的厚度。

优选的，该L形波束调节片外形呈倾斜的L形，弯折角范围90°-180°，圆锥角范围10°-45°，竖起部分长度为(0.02～0.06)·λ_L,。

优选的，其进一步包括有设置在该地板底部同心放置的介质板，该十字交叉单锥体、阶梯状地板、馈电座、介质圆环、同轴线和介质板的中心线重合。

对比现有技术，本发明具有以下优点：

本发明综合了单锥/双锥天线的优缺点，设计了一种兼具两者特点的混合体，即将单锥的平直地板朝下弯折成阶梯状圆锥体，在地板第二个台阶靠近内侧锥面位置加载6个中间开缝、沿圆周排列的金属薄片，并将上部单极子设计成十字交叉的金属薄片。

通过上述措施，本发明实现了0.80GHz-2.70GHz频率范围内，单锥吸顶天线的良好的阻抗匹配、理想的全向辐射性、显著的边缘覆盖增强效果、一致的带内覆盖范围，以及小尺寸和低剖面，是一种适合于室内覆盖的理想全向吸顶天线方案。另外，该方法还具有思路新颖、原理清晰、方法普适、实现简单、低成本、适合批量生产等特点，是取代常规全向吸顶天线的优选方案，而且对于H/V双极化全向吸顶天线的设计和改进也是适用和有效的。

并且，通过为十字交叉单锥辐射体选择合适的几何参数，如长宽比、倒角尺寸，将光滑圆锥地板连续弯折成阶梯形，并在该阶梯地板靠近上部斜面处加载一组圆周排波束波宽调节片，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边缘覆盖增强效果和带内覆盖一致性。然而，由于没有加载短路枝节以及地板朝下弯折，故尺寸稍大。该小型化边缘增强型全向吸顶天线在0.80-2.70GHz频带内获得了良好的阻抗匹配(低频VSWR≤1.50，高频VSWR≤1.30)、理想的全向性(不圆度小于0.5dB)、较高的增益(低频1.13-1.33dBi，高频2.56-3.50dBi)、理想的边缘覆盖增强效果(θ＝85°增益G＝1.32-3.11dBi)、很高的效率(η_A≥95％)和较小的尺寸(直径-0.533·λ_L×高度-0.289·λ_L)。

【附图说明】

图1为天线模型所采用的直角坐标系定义的示意图；

图2(a)为常规全向吸顶天线的几何模型正视图；

图2(b)为常规全向吸顶天线的几何模型侧视图；

图3(a)为本发明边缘增强型全向吸顶天线的第一单锥辐射体正视图；

图3(b)为本发明边缘增强型全向吸顶天线的第一单锥辐射体侧视图；

图4(a)为本发明边缘增强型全向吸顶天线的第二单锥辐射体正视图；

图4(b)为本发明边缘增强型全向吸顶天线的第二单锥辐射体侧视图；

图5(a)为本发明边缘增强型全向吸顶天线的十字交叉单锥体正视图；

图5(b)为本发明边缘增强型全向吸顶天线的十字交叉单锥体立体图；

图5(c)为本发明边缘增强型全向吸顶天线的十字交叉单锥体俯视图；

图6(a)为本发明边缘增强型全向吸顶天线的赋形地板的表面轮廓图；

图6(b)为本发明边缘增强型全向吸顶天线的赋形地板加厚后的正视图；

图7(a)为本发明边缘增强型全向吸顶天线的同轴馈线穿过地板的剖面图；

图7(b)为本发明馈电孔局部放大图；

图8(a)为本发明边缘增强型全向吸顶天线的L形波束调节片的侧视图；

图8(b)为本发明边缘增强型全向吸顶天线的L形波束调节片的俯视图；

图8(c)为本发明边缘增强型全向吸顶天线的L形波束调节片的正视图；

图9(a)为本发明边缘增强型全向吸顶天线的完整几何模型图正视图；

图9(b)为本发明边缘增强型全向吸顶天线的完整几何模型图立体图；

图9(c)为本发明边缘增强型全向吸顶天线的完整几何模型图俯视图；

图10为本发明边缘增强型全向吸顶天线的输入阻抗Z_in频率特性曲线；

图11为本发明边缘增强型全向吸顶天线的反射系数|S₁₁|曲线；

图12为本发明边缘增强型全向吸顶天线的驻波比VSWR曲线；

图13为本发明边缘增强型全向吸顶天线各频点E-面(竖直面)增益方向图；

图14(a)～14(c)为本发明边缘增强型全向吸顶天线各频点在θ＝30°、60°和85°的H-面(方位面)增益方向图；

图15为本发明边缘增强型全向吸顶天线E-面半功率波束宽度HBPW随频率f变化曲线；

图16为本发明边缘增强型全向吸顶天线最大增益的仰角θ(Theta)随频率f变化曲线；

图17为本发明边缘增强型全向吸顶天线的最大增益随频率f变化曲线；

图18为本发明边缘增强型全向吸顶天线的效率η_A随频率f变化曲线；

图19为本发明边缘增强型全向吸顶天线的θ＝85°水平切面方向图不圆度随频率f变化曲线。

【具体实施方式】

下面结合附图给出发明的较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。这里，将基于圆锥形地板来设计小型化边缘增强型全向吸顶天线，并给出相应附图对本发明进行详细说明。需要特别说明的是，这里所描述的优选实施例子仅用于说明和解释本发明，并不用于限制或限定本发明。

请参阅图1～9，本发明旨在为蜂窝移动通信的室内分布式覆盖系统提供一种超宽带、全向性、边缘覆盖效果增强/带内覆盖范围一致、高效率、小型化、低成本的边缘增强型全向吸顶天线，并为H/V双极化全向吸顶天线以及其他类型单/偶极子天线的优化设计提供有效的参考方法。

该边缘增强型全向吸顶天线包括自下而上设置的介质板4、地板3、馈电座5、介质圆环6、单锥体，该单锥体包括十字交叉连接的第一单锥辐射体1和第二单锥辐射体2，该地板3为锥顶朝上的阶梯状圆台面，地板顶部设有圆孔31，该馈电座为金属圆环5，馈电座和介质圆环6放置在该圆孔31上，馈电线缆穿过圆孔31、馈电座5、介质圆环6连接该单锥体的馈电点，该阶梯状地板外表面还设有6个以圆周方式排列的L形波束调节片8。该十字交叉单锥体、阶梯状地板3、馈电座5、介质圆环6、同轴线7和介质板4的中心线重合。

该第一单锥辐射体1和第二单锥辐射体2为长矩形片，四顶点处均倒圆角或直角，该长矩形片长度大于宽度，宽长比为0.75～0.95。

该第一单锥辐射体1自顶边中心朝下都开一竖直长缝12，底边中心则朝下突出为第一矩形馈电点11，该第二单锥辐射体底部突出设有第二矩形馈电点21，在该第二矩形馈电点底部中心朝上开一竖直短缝22，该第一单锥辐射体和第二单锥辐射体十字交叉连接时，两者的中心线重合，该竖直长缝12与竖直短缝22刚好吻合，合并为一个十字交叉单锥体，竖直长缝12与竖直短缝22总长等于单锥体高度，竖直长缝12与竖直短缝22的宽度等于该第一单锥辐射体1或第二单锥辐射体2的厚度

该阶梯状地板3的母线连续五次弯折，使该地板形成有自下而上的第一平台32、第一倾斜面33、第二平台34、第二倾斜面35、第三倾斜面36和第三平台37，该L形波束调节片8设置在该阶梯状地板的第二平台34内侧靠近第二斜面35处，该L形波束调节片的宽度中间、纵向开有窄槽81，该L形波束调节片外形呈倾斜的L形，弯折角范围90°-180°，圆锥角范围10°-45°，竖起部分长度为(0.02～0.06)·λ_L,。

构建本发明边缘增强型全向吸顶天线包括以下步骤：

步骤一，建立空间直角坐标系，见图1；

步骤二，构造第一单锥辐射体1：在XOZ平面，顺着Z轴方向画一个长矩形片，X轴为宽度方向，长度大于宽度，宽长比为0.75～0.95，四顶点处均倒圆角或直角；自顶边中心朝下都开一竖直长缝12，底边中心则朝下突出为一窄矩形以作第一矩形馈电点11，然后，将其变成有一定厚度的金属薄片，见图3(a)、3(b)的部分1；

步骤三，构造第二单锥辐射体2：按照步骤二方法，在XOZ平面，构造一个完全相同的单锥辐射体，但开缝方式是自底部窄矩形，也就是第二矩形馈电点21的中心朝上开一竖直短缝22，同样，也将其变成有一定厚度的金属薄片，见图4(a)、4(b)的部分2；

步骤四，第一单锥辐射体1和第二单锥辐射体2十字交叉放置：先将步骤三的第二单锥辐射体2绕Z轴旋转+90°/-90°，然后将其与第一单锥辐射体1相互正交、中心重合放置，竖直长缝12和竖直短缝22刚好吻合，合并为一个十字交叉单锥体，见图5(a)、5(b)、5(c)的部分1、2；

步骤五，构造阶梯状地板3：将一锥顶朝上、顶面开有圆孔31的圆台面进行几何赋形，构成一个母线连续五次弯折的阶梯形状地板，然后，将其变成有一定厚度的金属薄片，见图6(a)、6(b)的部分3；

步骤六，馈电布置方式：在步骤五的中心圆孔31上，依次同心叠放一个金属圆环5(馈电座)和介质圆环6(介质块)，见图7(a)、7(b)的部分5、6，然后，将一根50Ω同轴馈电线缆7自下而上穿过圆孔，外导体延伸至金属圆环顶面，内导体则穿过介质圆环，见图7(a)、7(b)的部分7；

步骤七，构造L形波束调节片8：在步骤五的阶梯状地板3的第二个平面34内侧靠近第二个斜面35处，加载6个按圆周方式排列的L形波束调节片，调节片的宽度中间、纵向开有窄槽81，见图8(a)、8(b)、8(c)；

步骤八，天线整体装配：将上述各步骤构造的部件垂直共轴排列，使步骤五的同轴电缆朝上延伸至十字交叉单锥体底部馈电点，见图9(a)、9(b)、图9(c)；

步骤九，放置介质平板：在圆锥地板3底部同心放置一块等直径的介质板4，使其底部平直以方便安装，见图9(a)、图9(b)、图9(c)的部分4。

本发明通过为十字交叉单锥辐射体选择合适的几何参数，如长宽比、倒角尺寸，将光滑圆锥地板连续弯折成阶梯形，并在该阶梯地板靠近上部斜面处加载一组圆周排列的波束波宽调节片，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边缘覆盖增强效果和带内覆盖一致性。然而，由于没有加载短路枝节以及地板朝下弯折，故尺寸稍大，但仍具有明显的尺寸优势。该小型化边缘增强型全向吸顶天线在0.80-2.70GHz频带内获得了良好的阻抗匹配(低频VSWR≤1.50，高频VSWR≤1.30)、理想的全向性(不圆度小于0.5dB)、较高的增益(低频1.13-1.33dBi，高频2.56-3.50dBi)、理想的边缘覆盖增强效果(θ＝85°增益G＝1.32-3.11dBi)、很高的效率(η_A≥95％)和较小的尺寸(直径-0.533·λ_L×高度-0.289·λ_L)。

如表1所示，表1为小型化边缘增强型全向吸顶天线带内各频点的主要辐射特性。由表1知，最大辐射方向：低频为θ＝79°～88°，高频为θ＝70°～79°，均靠近水平方向(θ＝90°)，且带内指向一致性很好；在θ＝85°处增益G＝1.32-3.11dBi，较最大增益下降小于1dBi，边缘增强效果非常理想。

表1.增强型吸顶带内各频点的主要辐射特性

图10为小型化边缘增强型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。由图知，天线具有明显的宽带阻抗特性。

图11为小型化边缘增强型全向吸顶天线的反射系数|S₁₁|曲线。其中，横轴(X轴)是频率f，单位为GHz；纵轴(Y轴)是S₁₁的幅度|S₁₁|，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(0.80-0.96GHz频段内，|S₁₁|≤-14.0dB；171-2.70GHz频段内，|S₁₁|≤-20.3dB)。

图12为小型化边缘增强型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(0.80-0.96GHz频段，VSWR≤1.50；1.71-2.70GHz频段，VSWR≤1.30)。

图13为小型化边缘增强型全向吸顶天线各频点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，点划线表示f₄＝2.70GHz。由图知，带内增益G＝1.13-3.50dBi；低频和高频最大方向分别出现在θ＝79°-88°和θ＝70°-79°，全频段内具有理想的半波振子方向图。

图14为小型化边缘增强型全向吸顶天线各频点在θ＝30°、60°和85°的H-面(方位面)增益方向图。其中，图14(a)、图14(b)和图14(b)分别表示θ＝30°、θ＝60°、θ＝85°；实线表示f₁＝0.8GHz，虚线表示f₂＝1.71GHz，点线表示f₃＝2.30GHz，点划线表示f₄＝2.70GHz。由图知，各仰角面不圆度均小于0.5dB，说明各仰角的方位面辐射具有良好的全向性和均匀性。

图15为小型化边缘增强型全向吸顶天线E-面半功率波束宽度HBPW随频率f变化曲线。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，低频和高频的E面波束宽度分别为HPBW＝104.1°-111.5°和HPBW＝48.9°-54.7°。

图16为小型化边缘增强型全向吸顶天线最大增益的仰角θ(Theta)随频率f变化曲线。其中，横轴(X轴)是频率f，单位为GHz；纵轴(Y轴)是角度，单位是度(deg)。由图知，低频和高频最大增益指向角分别为：θ＝79°-88°和θ＝70°-79°。，接近理想的θ＝90°。

图17为小型化边缘增强型全向吸顶天线的最大增益随频率f变化曲线。由图知，低频增益G＝1.13-1.33dBi，高频增益G＝2.56-3.50dBi。

图18为小型化边缘增强型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％(≥95％)。

图19为小型化边缘增强型全向吸顶天线的θ＝85°水平切面方向图不圆度随频率f变化曲线，带内不圆度小于0.52dB，方位面辐射均匀性很好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明技术方案上的等效变换或改进均属于本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种边缘增强型全向吸顶天线，其特征在于，其包括地板、连接于地板上的单锥体、馈电座、介质圆环，该单锥体包括十字交叉连接的第一单锥辐射体和第二单锥辐射体，第一单锥辐射体和第二单锥辐射体为长矩形片，长度大于宽度，宽长比为0.75～0.95，第一单锥辐射体和第二单锥辐射体的四顶点处均倒圆角；该地板为锥顶朝上的阶梯状圆台面，地板顶部设有圆孔，该馈电座、介质圆环放置在该圆孔上，馈电线缆穿过圆孔、馈电座、介质圆环连接该单锥体的馈电点；该地板的母线连续五次弯折，使该地板形成有自下而上的第一平台、第一倾斜面、第二平台、第二倾斜面；该地板外表面还设有 L形波束调节片，该L形波束调节片设置在该地板的第二平台内侧靠近第二斜面处；该L形波束调节片的宽度中间、纵向开有窄槽，L形波束调节片外形呈倾斜的L形，弯折角范围90°-180°，圆锥角范围10°-45°，竖起部分长度为(0.02～0.06)·λL。

2.如权利要求1所述的边缘增强型全向吸顶天线，其特征在于，该第一单锥辐射体自顶边中心朝下都开一竖直长缝，底边中心则朝下突出为第一矩形馈电点，该第二单锥辐射体底部突出设有第二矩形馈电点，在该第二矩形馈电点底部中心朝上开一竖直短缝，该第一单锥辐射体和第二单锥辐射体十字交叉连接时，两者的中心线重合，该竖直长缝与竖直短缝刚好吻合，合并为一个十字交叉单锥体。

3.如权利要求1所述的边缘增强型全向吸顶天线，其特征在于，该L形波束调节片设有至少三个，并以圆周方式排列在地板外表面。

4.如权利要求1所述的边缘增强型全向吸顶天线，其特征在于，所述的L形波束调节片为圆台状曲面或平直平面。

5.如权利要求1所述的边缘增强型全向吸顶天线，其特征在于，竖直长缝与竖直短缝总长等于单锥体高度，竖直长缝与竖直短缝的宽度等于该第一单锥辐射体或第二单锥辐射体的厚度。

6.如权利要求1所述的边缘增强型全向吸顶天线，其特征在于，其进一步包括有设置在该地板底部同心放置的介质板，该单锥体、地板、馈电座、介质圆环、同轴线和介质板的中心线重合。

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