CN106602230A - 小型化增强型双极化全向吸顶天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种小型化增强型双极化全向吸顶天线，其包括单锥体、水平极化单元、阶梯状地板，从上而下依次竖直共轴、中心重合排列，该单锥体包括十字交叉放置的第一单锥辐射体和第二单锥辐射体，单锥体底部设有馈电点，同轴馈电线缆自下而上穿过阶梯状地板、水平极化单元连接该单锥体底部的馈电点。本发明实现了0.8GHz‑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、较高的效率、较高的端口隔离度(优于‑24dB)，以及小尺寸和低剖面，是一种适合于室内覆盖的理想双极化全向吸顶天线方案。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，是取代常规双极化全向吸顶天线的优选方案，而且对于垂直极化增强型全向吸顶天线和平面阿尔福德环天线的设计和改进也是适用和有效的。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种蜂窝移动通信的室内分布式覆盖天线设备与技术，特别是涉及一种小型化增强型双极化全向吸顶天线及其技术。
【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更大，两类天线通常设计成宽频带。吸顶天线倒立安装于天花板，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。再者，为了提高数据传输率、增大通信系统的容量，吸顶天线常采用垂直/水平(V/H)双极化设计，且两者需要保持较高的端口隔离度。另外，考虑用户视觉和感受，吸顶天线宜小尺寸和低剖面。最后，吸顶天线通常需要大量部署，因此低成本也是吸顶天线设计的一个重要因素。
综合上述要求，单锥天线与平面阿尔福德环天线(Planar Alford LoopAntennas)的组合是设计V/H双极化全向吸顶天线的主流方案。单锥天线是适合宽带全向垂直极化天线的理想方案，而平面阿尔福德环天线则是设计宽带全向水平极化天线的少数几种可选方案之一。两者简单组合便可基本实现上述各项指标要求。然而，常规双极化吸顶天线，其单锥天线的地板一般为简单的平板或锥形，这会造成高频方向图会上翘较大的角度，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。相比之下，平面阿尔福德环天线通常是将3-6个半波阵子沿圆周方向排列，然后印制出功分馈电网络，整个天线采用印刷工艺印制在一块PCB基板上。同样，受限于尺寸要求，馈电网络不可能完全做到 圆对称，这会造成方位面辐射功率不均匀。另外，整个环天线天线平放在单锥天线的锥形地板上方，使得方向图同样会上翘一定的角度，也会造成覆盖范围小的问题。尽管，通过增加网络部署密度可解决上述两个问题，但是工程建设成本会成倍增加。因此，增强双极化全向吸顶天线的边缘覆盖效果和改善不圆度成为解决问题的关键。常规双极化全向吸顶天线采用圆锥形地板、杯状锥体和五单元阿尔福德环天线，如附图2、3的部分1、2和3所示，其V/H极化的低仰角增益都较低，不圆度也都较差。
【发明内容】
本发明的发明目的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、边缘增强效果/带内覆盖一致、高效率、小型化、低成本的H/V双极化全向吸顶天线，并为垂直极化增强型全向吸顶天线和平面阿尔福德环天线的优化设计提供有效的参考方法。
为实现本发明目的，提供以下技术方案：
本发明提供一种小型化增强型双极化全向吸顶天线，其包括单锥体、水平极化单元、阶梯状地板，它们从上而下依次竖直共轴、中心重合排列，该单锥体包括十字交叉放置的第一单锥辐射体和第二单锥辐射体，单锥体底部设有馈电点，同轴馈电线缆自下而上穿过阶梯状地板、水平极化单元连接该单锥体底部的馈电点。
优选的，该第一单锥辐射体自顶边中心朝下开一竖直长缝，另在中心两侧对称开设第一竖直槽，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，中心两侧自顶边朝下开设对称第二竖直槽，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，该第一矩形馈电点与第二矩形馈电点共同形成单锥体的馈电点。优选的，该十字交叉单锥体为薄金属片。
优选的，该阶梯状地板的母线连续五次弯折，使该地板形成有自上而下的第一平台、第一倾斜面、第二倾斜面、第二平台、第三倾斜面、第三平台，在该阶梯状地板的第二平台内侧靠近第三倾斜面处加载至少三个按圆周方式排列的H形波束调节片。
优选的，该H形波束调节片包括竖直U形片、水平H形片、倾斜U形片和斜向倒L形片四部分，竖直U形片、倾斜U形片连接在水平H形片两端，形成 共同的开槽，斜向倒L形片连接在倾斜U形片的U形口。
优选的，该斜向U形片的倾角范围为90°-180°，该倒L形片的弯折角范围为90°-180°，它与斜向U形片的夹角小于90°，该H形波束调节片整体呈内窄外宽的扇环形，其圆心角范围为10°-45°。
优选的，该阶梯状地板顶部设有圆孔，该圆孔处设置馈电座和介质块，优选采用圆形馈电座。同轴馈电线缆自下而上穿过圆孔、馈电座、介质块连接该单锥体底部的馈电点，同轴馈电线缆外导体延伸至馈电座顶面，内导体则穿过介质块，该单锥体、阶梯状地板、馈电座、介质块、水平极化单元竖直共轴、中心重合排列。
优选的，采用带SMA、BNC、TNC、N型等常见连接头的50Ω标准同轴线馈电。
优选的，该十字交叉单锥体和阶梯状地板之间留有一定高度的空隙，以放置圆形馈电座、介质圆环和同轴线。
优选的，该水平极化单元为顶底面分别印制出辐射单元与馈电网络的圆形介质基板，该水平极化单元包括等间隔、沿圆周方向排列的多个水平振子，该水平极化单元的每个水平振子外侧附加一个更长的寄生振子，两者同心排列且对称轴重合。优选的，该水平极化单元的水平振子数量为3-6个。
优选的，其还包括一块在阶梯状地板3底部同心放置的等直径的介质平板，使其底部平直以方便安装，该十字交叉单锥体、阶梯状地板、馈电座、介质块、同轴馈电线缆、水平极化单元和介质平板的中心线重合。
优选的，该水平极化单元的馈电网络由端口处的微带线逐渐过渡到水平振子处的共面带线，该水平极化单元的馈电网络有弧形段，在弧形段旁附加接地的圆弧形枝条。
优选的，第一单锥辐射体、第二单锥辐射体为长矩形片，宽长比为0.75～0.95，第一单锥辐射体、第二单锥辐射体的四顶点处均倒圆角或直角，该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，该阶梯状地板采用CNC或压铸工艺一体成型。
优选的，该单锥体、阶梯状地板、H形波束调节片和馈电座制作材料选用金属良导体，如紫铜(纯铜)、合金铜(如黄铜)、纯铝等。
优选的，该水平极化单元采用PCB印制工艺加工，基板材料选用FR4，Taconic、Rogers和Arlon等常见介质板材。
优选的，该地板底部的介质板选用PVC、PC、ABS、ASA、PTFE等常见材料制作。
对比现有技术，本发明具有以下优点：
本发明的积极进步效果在于：垂直极化，通过将十字交叉单锥辐射体变成十字交叉金属片并在金属片上开纵向槽，并为之选择合适的几何参数，如长宽比、倒角尺寸、纵向槽尺寸；将光滑圆锥地板连续弯折成阶梯状锥体，并在地板第二个台阶靠近外侧锥面位置加载至少三个中间开缝、沿圆周排列的H形波束调节片；水平极化，将多个水平半波振子按圆周方式等间隔排列后印制在介质基板的顶面，底面则印制出微带与共面带线馈电网络，并在馈电网络的弧形段旁边附加接地的圆弧形枝条，由此构成了平面阿尔福德环天线，改善了馈电网络非圆对称所造成的方向图不圆度差的问题。最后，在水平极化单元中心开圆槽，以便将垂直极化的单锥体同心地套入其中，将水平极化单元与垂直与极化单元同心排列，从而获得了：一、优于常规双极化全向吸顶天线的增益；二、优于常规双极化全向吸顶的全向性；三、优于常规双极化全向吸顶天线的边缘覆盖增强效果和带内覆盖一致性；四、优于常规双极化全向吸顶天线的紧凑尺寸。
该小型化低剖面增强型双极化全向吸顶天线在0.80-2.70GHz宽频内获得了良好的阻抗匹配(低频VSWR≤1.57，高频VSWR≤1.34)、理想的全向性(垂直极化不圆度小于0.97dB，水平极化不圆度优于2.41dB)、较高的增益(垂直极化低高频增益：1.13-1.35dBi、G＝3.51-5.05dBi，水平极化高频增益：4.32-5.14dBi)、理想的边缘覆盖增强效果(θ＝60°增益，垂直极化G＝0.46-0.48dBi(低频)/3.18-4.75dBi(高频)，水平极化G＝1.20-1.48dBi)、很高的效率(垂直极化ηA≥95％，水平极化ηA≥73％)、较好的带内指向一致性(最大辐射方向：垂直极化低频和垂直、水平极化高频分别为：θ＝93°-100°、θ＝56°-65°和θ＝31°-40°，均靠近θ＝60o低仰角方向)、较高的端口隔离度(优于-24dB)，以及较紧凑的尺寸(直径-0.517·λL×高度-0.281·λL)。
本发明实现了0.8GHz-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、较高的效率、较高的端口隔离度(优于-24dB)，以及小尺寸和低剖面，是一种适合于室内覆盖的理想双极化全向吸顶天线方案。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，是取代常规双极化全向吸顶天线的优选方案，而且对于垂直极化增强型 全向吸顶天线和平面阿尔福德环天线的设计和改进也是适用和有效的。
【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为现有技术双极化全向吸顶天线的几何模型正视图；
图3为现有技术双极化全向吸顶天线的几何模型侧视图；
图4为本发明小型化增强型双极化全向吸顶天线的第一单锥辐射体第一单锥辐射体的模型正视图；
图5本发明小型化增强型双极化全向吸顶天线的第一单锥辐射体的模型侧视图；
图6为本发明小型化增强型双极化全向吸顶天线的第二单锥辐射体的模型正视图；
图7为本发明小型化增强型双极化全向吸顶天线的第二单锥辐射体的模型侧视图；
图8为本发明小型化增强型双极化全向吸顶天线的十字单锥体模型正视图；
图9为本发明小型化增强型双极化全向吸顶天线的十字单锥体模型侧视图；
图10为本发明小型化增强型双极化全向吸顶天线的十字单锥体模型俯视图；
图11～12为本发明小型化增强型双极化全向吸顶天线的赋形地板的剖面图，其中图11表示赋形地板表面轮廓图，图12表示在图11基础上加厚后的正视图；
图13为本发明小型化增强型双极化全向吸顶天线的同轴馈线穿过地板的剖面图视图；
图14为该地板在馈电孔处的局部放大图；
图15为本发明小型化增强型双极化全向吸顶天线的波束调节片模型整体侧视图；
图16为本发明小型化增强型双极化全向吸顶天线的波束调节片模型俯视图；
图17为本发明小型化增强型双极化全向吸顶天线的波束调节片模型表示局部放大图。；
图18为本发明小型化增强型双极化全向吸顶天线的水平极化单元模型俯视图；
图19为本发明小型化增强型双极化全向吸顶天线的水平极化单元模型侧视图；
图20为本发明小型化增强型双极化全向吸顶天线的完整几何模型正视图；
图21为本发明小型化增强型双极化全向吸顶天线的完整几何模型侧视图；
图22为本发明小型化增强型双极化全向吸顶天线的完整几何模型俯视图；
图23～24为本发明小型化增强型双极化全向吸顶天线的斯密斯圆图，其中图23表示垂直极化的宽带阻抗特性，图24表示水平极化的宽带阻抗特性；
图25为本发明小型化增强型双极化全向吸顶天线的反射系数|S11|曲线；
图26、27为本发明小型化增强型双极化全向吸顶天线的驻波比VSWR曲线；
图28、29为本发明小型化增强型双极化全向吸顶天线垂直极化各频点竖直面(E-面)和θ＝60o仰角平面(H-面)增益方向图；
图30、31为本发明小型化增强型双极化全向吸顶天线水平极化各频点竖直面(E-面)和θ＝60o仰角平面(H-面)增益方向图，图30、31分别表示竖直面和θ＝60o仰角平面方向图；
图32、33为本发明小型化增强型双极化全向吸顶天线竖直面半功率波束宽度HBPW随频率f变化曲线，图32、33分别表示低频和高频E面半功率波宽；
图34、35为本发明小型化增强型双极化全向吸顶天线最大增益的仰角θ(Theta)随频率f变化曲线，图34、35分别表示低频和高频的最大增益仰角曲线；
图36、37为本发明小型化增强型双极化全向吸顶天线的最大增益随频率f变化曲线，图36、37分别表示低频和高频的最大增益；
图38、39为本发明小型化增强型双极化全向吸顶天线的效率ηA随频率f变化曲线，图38、39分别表示低频和高频的天线效率；
图40、41为本发明小型化增强型双极化全向吸顶天线的方向图不圆度随频率f变化曲线，图40、41分别表示低频和高频的θ＝60o水平切面不圆度。
本文附图是用来对本发明的进一步阐述和理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的具体实施例一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制或限定。
【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，将基于锥形地板和阿尔福德环天线来设计小型化增强型双极化全向吸顶天线，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。
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、边缘增强效果/带内覆盖一致、高效率、小型化、低成本的H/V双极化全向吸顶天线，并为垂直极化增强型全向吸顶天线和平面阿尔福德环天线的优化设计提供有效的参考方法。
请结合参阅图1、图4～22，本发明在图1直角坐标系的基础上构建该小型化增强型双极化全向天线模型，所述一种小型化增强型双极化全向吸顶天线的设计方法包括以下步骤：
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；自顶边中心朝下开一竖直长缝11，另在中心两侧开一对称第一竖直槽12，底边中心则朝下突出为一窄矩形以作第一矩形馈电点13，然后，将其变成有一定厚度的金属薄片，见图4、5；
步骤三，构造第二单锥辐射体2：按照步骤二方法，在YOZ平面，构造另一个单锥辐射体，底边中心则朝下突出为窄矩形作为第二矩形馈电点23，但中心开缝方式是自底部第二矩形馈电点23中心朝上开一竖直短缝21，中心两侧自顶边朝下开设对称第二竖直槽22，同样，也将其变成有一定厚度的金属薄片，见图6、7；
步骤四，第一单锥辐射体1、第二单锥辐射体2十字交叉放置成为单锥体：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11和竖直短缝21刚好吻合，合并为一个十字交叉单锥体，见图8、9、10；
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11、12的部分3；
步骤六，馈电布置方式：在步骤五的中心圆孔31上，依次同心叠放一个馈电座5(金属圆环)和介质块6(介质圆环)，见图13、14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，外导体延伸至馈电座5顶面，内导体则穿过介质块6，见图13、14的部分7；
步骤七，构造波束调节片8：在步骤五的阶梯状地板3的第二个平面35外边缘、靠近第三个斜面36处，加载一组按圆周方式排列的H形波束调节片8，它由竖直U形片81、水平H形片83、倾斜U形片82和斜向倒L形片84四部分组成，竖直U形片81、倾斜U形片82连接在水平H形片83两端，形成共同的开槽85，斜向倒L形片84连接在倾斜U形片82的U形口，见图15、16、17的部分8；
步骤八，构造水平极化单元4：在一块圆形介质基板的顶底面分别印制出辐射单元与馈电网络，见图18、19的部分4；
步骤九，天线整体装配：上述各步骤所构造的元部件，包括第一单锥辐射体1、第二单锥辐射体2十字交叉放置而成的单锥体、阶梯状地板3、圆形馈电座5、介质块6、水平极化单元4竖直共轴、中心重合排列，使步骤六的同轴馈电线缆7朝上延伸至十字交叉单锥体底部馈电点，见图20、21、图22；
步骤十，放置介质平板9：在阶梯状地板3底部同心放置一块等直径的介质板，使其底部平直以方便安装，见图20、21、22的部分9。
该实施例中所构建的小型化增强型双极化全向吸顶天线，其包括单锥体、水平极化单元4、阶梯状地板3，从上而下依次竖直共轴、中心重合排列，该单锥体包括十字交叉放置的第一单锥辐射体1和第二单锥辐射体2，单锥体底部设有馈电点，同轴馈电线缆7自下而上穿过阶梯状地板3、水平极化单元4连接该单锥体底部的馈电点。该十字交叉单锥体为薄金属片。
该第一单锥辐射体自顶边中心朝下都开一竖直长缝11，另在中心两侧对称开设第一竖直槽12，底边中心则朝下突出为第一矩形馈电点13，该第二单锥辐射体底部突出设有第二矩形馈电点23，在该第二矩形馈电点底部中心朝上开一竖直短缝21，中心两侧自顶边朝下开设对称第二竖直槽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，该竖直长缝与竖直短缝刚好吻合，合并为一个十字交叉单锥体，该第一矩形馈电点13 与第二矩形馈电点共同形成单锥体的馈电点。
该阶梯状地板3的母线连续五次弯折，使该地板形成有自上而下的第一平台32、第一倾斜面33、第二倾斜面34、第二平台35、第三倾斜面36、第三平台37，在该阶梯状地板的第二平台35内侧靠近第三倾斜面36处加载至少三个按圆周方式排列的H形波束调节片8。
该H形波束调节片8包括竖直U形片81、水平H形片83、倾斜U形片82和斜向倒L形片84四部分，竖直U形片81、倾斜U形片82连接在水平H形片83两端，形成共同的开槽85，斜向倒L形片84连接在倾斜U形片82的U形口，见图15、16、17的部分8。
该斜向U形片82的倾角范围为90°-180°，该倒L形片84的弯折角范围为90°-180°，它与斜向U形片82的夹角小于90°，该H形波束调节片整体呈内窄外宽的扇环形，其圆心角范围为10°-45°。
该阶梯状地板顶部设有圆孔，该圆孔处设置馈电座5和介质块6，同轴馈电线缆7(50Ω)自下而上穿过圆孔、馈电座、介质块连接该单锥体底部的馈电点，见图20、21、图22；同轴馈电线缆7外导体延伸至馈电座5顶面，内导体则穿过介质块6，见图13、14的部分7；该单锥体、阶梯状地板3、(圆形)馈电座5、介质块6、水平极化单元4竖直共轴、中心重合排列。该十字交叉单锥体和阶梯状地板之间留有一定高度的空隙，以放置圆形馈电座、介质圆环和同轴线。一般采用带SMA、BNC、TNC、N型等常见连接头的50Ω标准同轴线馈电。
该水平极化单元4为顶底面分别印制出辐射单元与馈电网络的圆形介质基板，见图18、19；该水平极化单元4在圆形介质基板45上包括等间隔、沿圆周方向排列的3-6个半波水平振子41，该水平极化单元的每个水平振子41外侧附加一个更长的寄生振子42，两者同心排列且对称轴重合；在该介质基板45上印制有馈电网络43，馈电网络43的馈线旁边设有圆弧枝节44。
其还包括一块在阶梯状地板3底部同心放置的等直径的介质平板9，使其底部平直以方便安装，见图20、21、22的部分9。该十字交叉单锥体、阶梯状地板、馈电座、介质块、同轴馈电线缆、水平极化单元和介质平板的中心线重合。
该水平极化单元的馈电网络由端口处的微带线逐渐过渡到水平振子处的共面带线，该水平极化单元的馈电网络有弧形段，在弧形段旁附加接地的圆弧形枝条。
第一单锥辐射体、第二单锥辐射体为长矩形片，宽长比为0.75～0.95，第一单锥辐射体、第二单锥辐射体的四顶点处均倒圆角或直角，该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。
该阶梯状地板采用CNC或压铸工艺一体成型。
该单锥体、阶梯状地板、H形波束调节片和馈电座制作材料选用金属良导体，如紫铜(纯铜)、合金铜(如黄铜)、纯铝等。
该水平极化单元采用PCB印制工艺加工，基板材料选用FR4，Taconic、Rogers和Arlon等常见介质板材。
该地板底部的介质板选用PVC、PC、ABS、ASA、PTFE等常见材料制作。
该小型化低剖面增强型双极化全向吸顶天线在0.80-2.70GHz宽频内获得了良好的阻抗匹配(低频VSWR≤1.57，高频VSWR≤1.34)、理想的全向性(垂直极化不圆度小于0.97dB，水平极化不圆度优于2.41dB)、较高的增益(垂直极化低高频增益:1.13-1.35dBi、G＝3.51-5.05dBi，水平极化增益4.32-5.14dBi)、理想的边缘覆盖增强效果(θ＝60°增益，垂直极化G＝0.46-0.48dBi(低频)/3.18-4.75dBi(高频)，水平极化G＝1.20-1.48dBi)、很高的效率(垂直极化ηA≥95％，水平极化ηA≥73％)、较好的带内指向一致性(最大辐射方向：垂直极化低频和垂直、水平极化高频分别为：θ＝93°-100°、θ＝56°-65°和θ＝31°-40°，均靠近θ＝60°低仰角方向)，以及较紧凑的尺寸(直径-0.517·λL×高度-0.281·λL)。
图23～24为本发明小型化增强型双极化全向吸顶天线的斯密斯圆图，其中图23表示垂直极化的宽带阻抗特性，图24表示水平极化的宽带阻抗特性；
其中，实线表示高频段(1.71-2.70GHz)，虚线表示低频段(0.80-0.96GHz)。由图知，垂直极化覆盖高低两个频段(0.80-0.96GHz/1.71-2.70GHz)，而水平极化仅覆盖高频段(1.71-2.70GHz)，两路极化均具有明显的宽带阻抗特性。
图25为本发明小型化增强型双极化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，垂直极化在高低频内(0.80-0.96GHz/1.71-2.70GHz)均实现了良好的阻抗匹配(0.80-0.96GHz，|S11|≤-13.13dB；171-2.70GHz，|S11|≤-16.65dB)，水平极化仅在高频段(1.710-2.70GHz)内实现了良好的阻 抗匹配(|S11|≤-16.78dB)；两端口的高频隔离度优于-24dB。
图26、27为本发明小型化增强型双极化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，垂直极化在高低频内(0.80-0.96GHz/1.71-2.70GHz)均实现了低驻波比(0.80-0.96GHz，VSWR≤1.57；171-2.70GHz，VSWR≤1.34)，水平极化仅在高频段(1.710-2.70GHz)内实现了低驻波比(VSWR≤1.27)。
图28、29为本发明小型化增强型双极化全向吸顶天线垂直极化各频点竖直面(E-面)和θ＝60°仰角平面(H-面)增益方向图；图28、29分别表示竖直面和θ＝60°仰角平面方向图。其中，实线表示f1＝0.8GHz，虚线表示f2＝1.71GHz，点线表示f3＝2.30GHz，点划线表示f4＝2.70GHz。由图知，带内增益G＝1.13-5.05dBi；低频和高频最大增益分别出现在θ＝93°-100°和θ＝56°-65°；全频段内具有理想的半波振子方向图，H面不圆度小于0.97dB。
图30、31为本发明小型化增强型双极化全向吸顶天线水平极化各频点竖直面(E-面)和θ＝60°仰角平面(H-面)增益方向图。图30、31分别表示竖直面和θ＝60°仰角平面方向图。其中，实线表示f1＝1.71GHz，虚线表示f2＝2.30GHz，点线表示f3＝2.50GHz，点划线表示f4＝2.70GHz。由图知，带内增益G＝4.32-5.14dBi；最大增益出现在θ＝31°-40°；全频段内具有较理想的半波振子方向图，H面不圆度小于2.41dB。
图32、33为小型化增强型双极化全向吸顶天线竖直面半功率波束宽度HBPW随频率f变化曲线，图32、33分别表示低频和高频E面半功率波宽；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)；实线表示垂直极化，虚线表示水平极化。由图知，垂直极化低频和垂直、水平极化高频E面波束宽度分别为：HPBW＝104.1°-112.6°、HPBW＝41.5°-62.0°和HPBW＝46.9°-57.8°。
图34、35为小型化增强型双极化全向吸顶天线最大增益的仰角θ(Theta)随频率f变化曲线，图34、35分别表示低频和高频的最大增益仰角曲线；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)；实线表示垂直极化，虚线表示水平极化。由图知，垂直极化低频和垂直、水平极化高频的最大增益指向角分别为：θ＝93°-100°、θ＝56°-65°和θ＝31°-40°。
图36、37为小型化增强型双极化全向吸顶天线的最大增益随频率f变化曲线，图36、37分别表示低频和高频的最大增益；其中，横轴(X轴)是 频率f，单位为GHz；纵轴(Y轴)是增益，单位是dBi；实线表示垂直极化，虚线表示水平极化。由图知，垂直极化低频和垂直、水平极化高频增益分别为：G＝1.13-1.35dBi、G＝3.51-5.05dBi和G＝4.32-5.14dBi。
图38、39为小型化增强型双极化全向吸顶天线的效率ηA随频率f变化曲线，图38、39分别表示低频和高频的天线效率；其中，横轴(X轴)是频率f，单位为GHz；纵轴(Y轴)是效率；实线表示垂直极化，虚线表示水平极化。由图知，垂直极化低频和垂直、水平极化高频效率分别大于：95％、97％和73％。
图40、41为小型化增强型双极化全向吸顶天线的方向图不圆度随频率f变化曲线，图40、41分别表示低频和高频的θ＝60°水平切面不圆度；其中，横轴(X轴)是频率f，单位为GHz；纵轴(Y轴)是不圆度，单位为dB；实线表示垂直极化，虚线表示水平极化。由图知，垂直极化低频和垂直、水平极化高频不圆度分别小于：0.05dB、0.97dB和2.41dB，说明方位面辐射均匀性很好。
表I为小型化增强型双极化全向吸顶天线各频点的主要辐射特性。由表1知，最大辐射方向，垂直极化低频和垂直、水平极化高频的分别为：θ＝93°-100°、θ＝56°-65°和θ＝31°-40°，均靠近低仰角θ＝60°方向，且带内指向一致性很好；在θ＝60°方向，垂直极化低频和垂直、水平极化高频的增益分别为：G＝0.46-0.48dBi、G＝3.18-4.75dBi和G＝1.20-1.48dBi；垂直极化较最大增益下降小于1dBi，边缘增强效果非常理想；水平极化则较最大增益下降小于4.77dBi，边缘增强效果较好。
表I.小型化增强型双极化全向吸顶天线的辐射特性
以上仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制或限定本发明。对于本领域的研究或技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明所声明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种小型化增强型双极化全向吸顶天线，其特征在于，其包括单锥体、水平极化单元、阶梯状地板，从上而下依次竖直共轴、中心重合排列，该单锥体包括十字交叉放置的第一单锥辐射体和第二单锥辐射体，单锥体底部设有馈电点，同轴馈电线缆自下而上穿过阶梯状地板、水平极化单元连接该单锥体底部的馈电点。
2.如权利要求1所述的小型化增强型双极化全向吸顶天线，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，另在中心两侧对称开设第一竖直槽，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，中心两侧自顶边朝下开设对称第二竖直槽，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，该第一矩形馈电点与第二矩形馈电点共同形成单锥体的馈电点。
3.如权利要求2所述的小型化增强型双极化全向吸顶天线，其特征在于，该阶梯状地板的母线连续五次弯折，使该地板形成有自上而下的第一平台、第一倾斜面、第二倾斜面、第二平台、第三倾斜面、第三平台，在该阶梯状地板的第二平台内侧靠近第三倾斜面处加载至少三个按圆周方式排列的H形波束调节片。
4.如权利要求3所述的小型化增强型双极化全向吸顶天线，其特征在于，该H形波束调节片包括竖直U形片、水平H形片、倾斜U形片和斜向倒L形片四部分，竖直U形片、倾斜U形片连接在水平H形片两端，形成共同的开槽，斜向倒L形片连接在倾斜U形片的U形口。
5.如权利要求4所述的小型化增强型双极化全向吸顶天线，其特征在于，该斜向U形片的倾角范围为90°-180°，该倒L形片的弯折角范围为90°-180°，它与斜向U形片的夹角小于90°，该H形波束调节片整体呈内窄外宽的扇环形，其圆心角范围为10°-45°。
6.如权利要求4所述的小型化增强型双极化全向吸顶天线，其特征在于，该阶梯状地板顶部设有圆孔，该圆孔处设置馈电座和介质块，同轴馈电线缆自下而上穿过圆孔、馈电座、介质块连接该单锥体底部的馈电点，同轴馈电线缆外导体延伸至馈电座顶面，内导体则穿过介质块，该单锥体、阶梯状地板、馈电座、介质块、水平极化单元竖直共轴、中心重合排列。
7.如权利要求1～6任一项所述的小型化增强型双极化全向吸顶天线，其特征在于，该水平极化单元为顶底面分别印制出辐射单元与馈电网络的圆形介质基板，该水平极化单元包括等间隔、沿圆周方向排列的多个水平振子，该水平极化单元的每个水平振子外侧附加一个更长的寄生振子，两者同心排列且对称轴重合。
8.如权利要求7所述的小型化增强型双极化全向吸顶天线，其特征在于，其还包括一块在阶梯状地板3底部同心放置的等直径的介质平板，使其底部平直以方便安装，该十字交叉单锥体、阶梯状地板、馈电座、介质块、同轴馈电线缆、水平极化单元和介质平板的中心线重合。
9.如权利要求7所述的小型化增强型双极化全向吸顶天线，其特征在于，该水平极化单元的馈电网络由端口处的微带线逐渐过渡到水平振子处的共面带线，该水平极化单元的馈电网络有弧形段，在弧形段旁附加接地的圆弧形枝条。
10.如权利要求2所述的小型化增强型双极化全向吸顶天线，其特征在于，第一单锥辐射体、第二单锥辐射体为长矩形片，宽长比为0.75～0.95，第一单锥辐射体、第二单锥辐射体的四顶点处均倒圆角或直角，该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。
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Denomination of invention: Miniaturized enhanced dual polarization omnidirectional ceiling antenna Effective date of registration: 20231206 Granted publication date: 20190618 Pledgee: China Co. truction Bank Corp Zhongshan branch Pledgor: TONGYU COMMUNICATION Inc. Registration number: Y2023980069635 |
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