CN115149238A - 一种面向城市地下综合管廊多网融合部署的多频天线 - Google Patents

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CN115149238A CN202210895664.3A CN202210895664A CN115149238A CN 115149238 A CN115149238 A CN 115149238A CN 202210895664 A CN202210895664 A CN 202210895664A CN 115149238 A CN115149238 A CN 115149238A
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李疆生
刘敏
张蒙晰
张霄
张文英
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Abstract

本发明涉及一种面向城市地下综合管廊多网融合部署的多频天线，包括：双层辐射单元，包括互为对称的第一电偶极子结构和第二电偶极子结构；η形馈电单元，间隔设置在第一电偶极子结构和第二电偶极子结构之间，且η形馈电单元底部与双层辐射单元内的馈电同轴接头的内导体探针相连，用于实现对双层辐射单元的耦合馈电；“凵”形地板单元，设置在η形馈电单元和双层辐射单元下方，用于对双层辐射单元辐射的电磁波进行反射，形成方向性辐射，同时与双层辐射单元连接构成磁偶极子结构，与双层辐射单元的第一～第二电偶极子结构辐射的电磁场在空间中形成互补，以改善天线工作带宽和辐射方向图的对称性。本发明可以广泛应用于电子技术领域。

Description

一种面向城市地下综合管廊多网融合部署的多频天线
技术领域
本发明属于电子技术领域，涉及一种面向城市地下综合管廊多网融合部署的多频天线，尤其是涉及一种基于磁电偶极子结构的方向性多频天线。
背景技术
新型数字化地下综合管廊中需要建设复杂的通信网络以支撑电力物联网数据采集、智慧移动巡检、地上地下实时通话等多种业务的实现，需要从4G、5G、WiFi/WiFi6、NB-IoT、LoRa、ZigBee、蓝牙、RFID等多种无线技术中选取符合业务需求的多种无线通信系统进行综合组网。因此，地下综合管廊的无线通信系统将是一个多网融合部署的综合通信网络。
目前，地下综合管廊内无线通信系统的收发天线普遍采用鞭状天线进行部署，鞭状天线为单极子天线，是一种窄带全向辐射天线，即使做了宽带化设计，也难以适应多网融合部署的多频段需求。另一方面，全向天线并不适合在管廊场景中使用，因为地下综合管廊环境为四面封闭，两端开口的隧道场景，无线信号在管廊中的传播特性显著区别于地上系统，管廊四壁对无线信号的多次反射，以及管廊内部部署的走线架、线缆等结构造成的散射，会形成显著的多径叠加效果，因此无线信号在管廊中的传播特性会呈现大尺度衰落上叠加严重的小尺度衰落，造成沿管廊延伸方向上周期性地存在覆盖较弱区域的现象。
发明内容
针对城市地下综合管廊的多网融合部署需求，以及管廊特殊场景的覆盖需求，本发明的目的是提供一种面向城市地下综合管廊多网融合部署的多频天线，满足了管廊中多系统共享通信天线，简化部署难度，提高资源利用率的需求，同时天线的方向性辐射特性也能有效降低管廊四壁反射所造成的覆盖恶化问题，具有重要的应用价值。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
一种面向城市地下综合管廊多网融合部署的多频天线，其包括：
双层辐射单元、η形馈电单元和“凵”形地板单元；
所述双层辐射单元包括互为对称的第一电偶极子结构和第二电偶极子结构，用于形成预设频率处的谐振，实现宽带工作频段；
所述η形馈电单元间隔设置在所述第一电偶极子结构和第二电偶极子结构之间，且所述η形馈电单元底部与所述双层辐射单元内的馈电同轴接头的内导体探针相连，用于实现对双层辐射单元的耦合馈电；
所述“凵”形地板单元设置在所述η形馈电单元和双层辐射单元下方，一方面用于对所述双层辐射单元辐射的电磁波进行反射，形成方向性辐射，另一方面用于与所述双层辐射单元连接形成凵型导电槽，构成磁偶极子结构，与所述双层辐射单元的第一～第二电偶极子结构辐射的电磁场在空间中形成互补，以改善天线工作带宽和辐射方向图的对称性。
进一步，所述第一电偶极子结构和第二电偶极子结构相同，均包括上层电偶极子和下层电偶极子；
所述上层电偶极子和下层电偶极子平行设置，且所述上层电偶极子和下层电偶极子一端经竖直连接壁结构与所述“凵”形地板单元固定连接；所述上层电偶极子和下层电偶极子一端另一端经非金属支撑柱与所述“凵”形地板单元固定连接，用于形成预设频率处的谐振，实现宽带工作频段。
进一步，所述上层电偶极子采用对称“E”形结构，其包括第一中间辐射阵子和位于所述第一中间辐射阵子两侧的两个第一边缘辐射阵子，所述第一中间辐射阵子的长度小于两所述第一边缘辐射阵子的长度，各辐射阵子一端连接后经所述竖直连接壁结构固定在所述“凵”形地板单元上，各辐射阵子另一端分别经非金属支撑柱固定在所述“凵”形地板单元上。
进一步，所述下层电偶极子采用对称“山”形结构，其包括第二中间辐射阵子和位于所述第二中间辐射阵子两侧的两个第二边缘辐射阵子，且所述第二中间辐射阵子长度大于两所述第二边缘辐射阵子的长度，各辐射阵子一端连接后经所述竖直连接壁结构固定在“凵”形地板单元上，各辐射阵子另一端分别经非金属支撑柱固定在所述“凵”形地板单元上。
进一步，所述第二中间辐射阵子由相互连接的矩形辐射阵子和梯形辐射阵子构成，且所述矩形辐射阵子的长度与所述第二边缘辐射阵子长度相同。
进一步，所述η形馈电单元包括矩形结构金属片、第一梯形结构金属片和第二梯形结构金属片；
所述矩形结构金属片通过非金属支撑柱固定设置在所述“凵”形地板单元的预设位置，所述第一梯形结构金属片和第二梯形结构金属片垂直设置在所述矩形结构金属片两端并向下延伸，且所述第一梯形结构金属片和第二梯形结构金属片的上底分别与矩形结构金属片的两边相连形成η形结构；
所述第一梯形结构金属片底部与同轴馈电接头的内导体探针相连，且所述第一梯形结构金属片与内导体探针连接处与所述“凵”形地板单元之间的距离为预设第一高度；
所述第二梯形结构金属片底部悬空，且所述第二梯形结构金属片底部与所述“凵”形地板单元之间的距离为预设第二高度。
进一步，所述第一预设高度为1mm。
进一步，所述第一梯形结构金属片和第二梯形结构金属片的上底边与所述矩形结构金属片的短边长度相同；所述第一梯形结构金属片的下底边长度小于所述第二梯形结构金属片的下底边长度。
进一步，所述“凵”形地板单元包括一矩形底板和两侧板，两所述侧板设置在所述矩形底板两侧，形成“凵”形金属地。
进一步，所述两侧板尺寸相同。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、本发明设计的多频天线，可以根据实际需要设计不同的尺寸，以满足不同工作频段的覆盖，能够支持从2G到5G移通信系统、WiFi、Lora、Zigbee等多种通信系统的融合组网部署。提高了资源利用率，降低管廊中网络部署复杂度。
2、本发明设计的多频天线在各工作频段呈现方向性辐射特性，管廊中部署该多频天线，能够有效缓解天线附近区域多径效应造成的周期性弱覆盖，改善管廊较长区域内的无线覆盖。
本发明所设计的天线单元结构简单，仅用馈电结构和双层辐射结构形成磁电偶极子天线，形成四个工作频段的特性，支持多种可能在管廊中进行部署的通信系统的应用。因此，本发明可以广泛应用于电子技术领域。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的面向城市地下综合管廊多网融合部署的多频天线的立体结构图；
图2是本发明实施例提供的未添加非金属支撑结构时多频天线的俯视图；
图3是本发明实施例提供的未添加非金属支撑结构时多频天线的主视图；
图4是本发明实施例提供的未添加非金属支撑结构时多频天线的侧视图；
图5是本发明实施例提供的反射损耗图；
图6是本发明实施例提供的在Lora、2G、NB-IoT频段780MHz处的Phi＝0°和Phi＝90°的方向图；
图7是本发明实施例提供的在2G、4G频段1800MHz处的Phi＝0°和Phi＝90°的方向图；
图8是本发明实施例提供的在4G、5G、WiFi等频段2400MHz处的Phi＝0°和Phi＝90°的方向图；
图9是本发明实施例提供的在WiFi频段5800MHz处的Phi＝0°和Phi＝90°的方向图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
本发明的一些实施例中提供一种面向城市地下综合管廊多网融合部署的多频天线，η形馈电单元、双层辐射单元和“凵”形地板单元。其中，双层辐射单元包括对称设置的为对称的第一电偶极子结构和第二电偶极子结构，用于形成预设频率处的谐振，实现宽带工作频段；η形馈电单元间隔设置在第一电偶极子结构和第二电偶极子结构之间，且η形馈电单元底部与双层辐射单元内的馈电同轴接头的内导体探针相连，用于实现对双层辐射单元的耦合馈电；“凵”形地板单元设置在η形馈电单元和双层辐射单元下方，一方面用于对双层辐射单元辐射的电磁波进行反射，形成方向性辐射，另一方面用于与双层辐射单元内壁连接形成凵型导电槽，构成磁偶极子结构，与双层辐射单元的第一～第二电偶极子结构辐射的电磁场在空间中形成互补，改善天线工作带宽和辐射方向图的对称性。本发明具备多频段宽带工作效果，能够支持多个通信系统的融合部署，实现资源复用，提高了资源利用率，降低管廊中网络部署复杂度。另一方面，本发明设计的天线具有很好的方向性，在管廊中部署，可以实现对管廊走向空间的无线覆盖，降低了管廊四壁对信号的反射，能够有效缓解管廊中多径效应造成的周期性弱覆盖现象，改善管廊较长区域内的无线覆盖。本发明可以广泛应用于电子技术领域。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种面向城市地下综合管廊多网融合部署的多频天线，其包括：双层辐射单元1、η形馈电单元2和“凵”形地板单元3。其中，双层辐射单元1包括对称设置的为对称的第一电偶极子结构11和第二电偶极子结构12，用于形成预设频率处的谐振，实现宽带工作频段；η形馈电单元2间隔设置在第一电偶极子结构11和第二电偶极子结构12之间，且η形馈电单元2底部与双层辐射单元1内的馈电同轴接头的内导体探针相连，用于实现对双层辐射单元1的耦合馈电；“凵”形地板单元3设置在η形馈电单元2和双层辐射单元1下方，一方面用于对双层辐射单元1辐射的电磁波进行反射，形成方向性辐射，另一方面用于与双层辐射单元1内壁连接形成凵型导电槽，构成磁偶极子结构，与双层辐射单元1的第一～第二电偶极子结构辐射的电磁场在空间中形成互补，改善天线工作带宽和辐射方向图的对称性。
在一个优选的实施例中，如图2所示，双层辐射单元1中，第一电偶极子结构11和第二电偶极子12结构相同，均包括上层电偶极子111和下层电偶极子112，其中，上层电偶极子111和下层电偶极子112平行设置，且上层电偶极子111和下层电偶极子112一端经竖直连接壁结构113与“凵”形地板单元3固定连接；上层电偶极子111和下层电偶极子112另一端经非金属支撑柱114与“凵”形地板单元3固定连接，用于形成预设频率处的谐振，实现宽带工作频段。
在一个优选的实施例中，上层电偶极子111采用对称“E”形结构，其包括第一中间辐射阵子和位于第一中间辐射阵子两侧的两个第一边缘辐射阵子，第一中间辐射阵子的长度小于两第一边缘辐射阵子的长度，各辐射阵子一端连接后经竖直连接壁结构固定在“凵”形地板单元上，各辐射阵子另一端分别经非金属支撑柱固定在“凵”形地板单元上；第一中间位置辐射振子和两第一边缘辐射振子分别用于形成1.70GHz-1.96GHz中低频和高频两个位置的谐振，形成宽带工作频段。
在一个优选的实施例中，下层电偶极子112采用对称“山”形结构，其包括第二中间辐射阵子和位于第二中间辐射阵子两侧的两个第二边缘辐射阵子，且第二中间辐射阵子长度大于两第二边缘辐射阵子的长度，各辐射阵子一端连接后经竖直连接壁结构固定在“凵”形地板单元上，各辐射阵子另一端分别经非金属支撑柱固定在“凵”形地板单元上；第二中间辐射振子与两个第二边缘辐射振子分别用于实现800MHz频段和1800MHz频段的谐振，实现2个工作频段。
在一个优选的实施例中，第二中间辐射阵子由相互连接的矩形辐射阵子和梯形辐射阵子构成，且矩形辐射阵子的长度与第二边缘辐射阵子长度相同。
在一个优选的实施例中，如图3、图4所示，η形馈电单元2包括矩形结构金属片21、第一梯形结构金属片22和第二梯形结构金属片23。其中，矩形结构金属片21通过非金属支撑柱24固定设置在“凵”形地板单元3的预设位置，第一梯形结构金属片22和第二梯形结构金属片23垂直设置在矩形结构金属片21两端并向下延伸，且第一梯形结构金属片22和第二梯形结构金属片23的上底分别与矩形结构金属片21的两边相连形成η形结构；第一梯形结构金属片22底部与同轴馈电接头的内导体探针相连，且第一梯形结构金属片22与内导体探针连接处与”凵”形地板单元3之间的距离为预设第一高度，例如可以为1mm；第二梯形结构金属片23底部悬空，且其与”凵”形地板单元3之间的距离为预设第二高度。
在一个优选的实施例中，η形馈电单元中，第一梯形结构金属片22和第二梯形结构金属片23的上底边与矩形结构金属片21的短边长度相同；第一梯形结构金属片22的下底边长度小于第二梯形结构金属片23的下底边长度；η形馈电单元2顶部矩形结构金属片21用于实现5.8GHz频段的谐振，实现在5.8GHz的工作频段。
在一个优选的实施例中，“凵”形地板单元3包括一矩形底板31和两侧板32，两侧板32设置在矩形底板31两侧，形成“凵”形金属地。
在一个优选的实施例中，“凵”形地板单元3的两侧板32尺寸相同。
实施例2
本实施例利用射频全波仿真软件Ansoft HFSS对多频天线进行仿真。
其中，η形馈电单元中，矩形结构金属片的长和宽分别记为L2和W1；第一梯形结构金属片的上底边长度为W1，下底边长度为W2，高度为H2；第二梯形结构金属片的上底边长度为W1，下底边长度为W3；第二梯形结构金属片底部与”凵”形地板单元之间的距离为H4；η形馈电单元与双层辐射单元间距为g1；
双层辐射单元中，上层电偶极子和下层电偶极子与”凵”形地板单元之间的距离分别为H3和H1；第一中间辐射阵子的长为L6，宽为W7；第一边缘辐射阵子的长为L7，宽为W8；第一中间辐射阵子与两第一边缘辐射阵子的间距为g4；第一中间辐射阵子和第一边缘辐射阵子的连接端长度为g2；第一中间辐射振子和两第一边缘辐射振子分别用于形成1.70GHz-1.96GHz中低频和高频两个位置的谐振，形成宽带工作频段；第二中间辐射阵子中，矩形辐射阵子的长为L3，宽为W5，梯形辐射阵子的上底边为W3，下底边为W6，高为L4；第二边缘辐射阵子的长为L3，宽为W4；第二中间辐射阵子与两第二边缘辐射阵子的间隔为g3；第二中间辐射阵子和第二边缘辐射阵子的连接端长度为L5；第二中间辐射振子与两第二边缘辐射振子分别用于实现800MHz频段和1800MHz频段的谐振，实现2个工作频段；
“凵”形地板单元中，矩形底板的长为Lg，宽为Wg；两侧板的长为Lg，高为H5。
具体结构参数如下表1所示。
表1天线结构尺寸数值
Figure BDA0003766772530000061
Figure BDA0003766772530000071
如图5所示，本实施例提供的多频天线能够涵盖四个工作频段：0.72GHz-0.96GHz(Lora频段和2G频段)、1.70GHz-1.96GHz(2G频段和4G频段)、2.05GHz-2.76GHz、(4G、5G、WiFi、Zigbee等频段)、5.76GHz-6.12GHz(WiFi频段)四个频段，能够支持NB-IoT、ZigBee、蓝牙、RFID、WiFi等多种通信网络共享同一天线，提高了资源利用率，降低管廊中网络部署复杂度。
如图6～图9所示，分别给出了多频天线在Lora、2G、NB-IoT频段780MHz处，2G、4G频段1800MHz处，4G、5G、WiFi等频段2400MHz处以及WiFi频段5800MHz处四个频率的辐射方向图，从图中可以看出天线在这四个频率处均具有较好的方向性，且对称性好。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种面向城市地下综合管廊多网融合部署的多频天线，其特征在于，包括：
双层辐射单元、η形馈电单元和“凵”形地板单元；
所述双层辐射单元包括互为对称的第一电偶极子结构和第二电偶极子结构，用于形成预设频率处的谐振，实现宽带工作频段；
所述η形馈电单元间隔设置在所述第一电偶极子结构和第二电偶极子结构之间，且所述η形馈电单元底部与所述双层辐射单元内的馈电同轴接头的内导体探针相连，用于实现对双层辐射单元的耦合馈电；
所述“凵”形地板单元设置在所述η形馈电单元和双层辐射单元下方，一方面用于对所述双层辐射单元辐射的电磁波进行反射，形成方向性辐射，另一方面用于与所述双层辐射单元连接形成凵型导电槽，构成磁偶极子结构，与所述双层辐射单元的第一～第二电偶极子结构辐射的电磁场在空间中形成互补，以改善天线工作带宽和辐射方向图的对称性。
2.如权利要求1所述的一种面向城市地下综合管廊多网融合部署的多频天线，其特征在于，所述第一电偶极子结构和第二电偶极子结构相同，均包括上层电偶极子和下层电偶极子；
所述上层电偶极子和下层电偶极子平行设置，且所述上层电偶极子和下层电偶极子一端经竖直连接壁结构与所述“凵”形地板单元固定连接；所述上层电偶极子和下层电偶极子一端另一端经非金属支撑柱与所述“凵”形地板单元固定连接，用于形成预设频率处的谐振，实现宽带工作频段。
3.如权利要求2所述的一种面向城市地下综合管廊多网融合部署的多频天线，其特征在于，所述上层电偶极子采用对称“E”形结构，其包括第一中间辐射阵子和位于所述第一中间辐射阵子两侧的两个第一边缘辐射阵子，所述第一中间辐射阵子的长度小于两所述第一边缘辐射阵子的长度，各辐射阵子一端连接后经所述竖直连接壁结构固定在所述“凵”形地板单元上，各辐射阵子另一端分别经非金属支撑柱固定在所述“凵”形地板单元上。
4.如权利要求2所述的一种面向城市地下综合管廊多网融合部署的多频天线，其特征在于，所述下层电偶极子采用对称“山”形结构，其包括第二中间辐射阵子和位于所述第二中间辐射阵子两侧的两个第二边缘辐射阵子，且所述第二中间辐射阵子长度大于两所述第二边缘辐射阵子的长度，各辐射阵子一端连接后经所述竖直连接壁结构固定在“凵”形地板单元上，各辐射阵子另一端分别经非金属支撑柱固定在所述“凵”形地板单元上。
5.如权利要求4所述的一种面向城市地下综合管廊多网融合部署的多频天线，其特征在于，所述第二中间辐射阵子由相互连接的矩形辐射阵子和梯形辐射阵子构成，且所述矩形辐射阵子的长度与所述第二边缘辐射阵子长度相同。
6.如权利要求1所述的一种面向城市地下综合管廊多网融合部署的多频天线，其特征在于，所述η形馈电单元包括矩形结构金属片、第一梯形结构金属片和第二梯形结构金属片；
所述矩形结构金属片通过非金属支撑柱固定设置在所述“凵”形地板单元的预设位置，所述第一梯形结构金属片和第二梯形结构金属片垂直设置在所述矩形结构金属片两端并向下延伸，且所述第一梯形结构金属片和第二梯形结构金属片的上底分别与矩形结构金属片的两边相连形成η形结构；
所述第一梯形结构金属片底部与同轴馈电接头的内导体探针相连，且所述第一梯形结构金属片与内导体探针连接处与所述“凵”形地板单元之间的距离为预设第一高度；
所述第二梯形结构金属片底部悬空，且所述第二梯形结构金属片底部与所述“凵”形地板单元之间的距离为预设第二高度。
7.如权利要求6所述的一种面向城市地下综合管廊多网融合部署的多频天线，其特征在于，所述第一预设高度为1mm。
8.如权利要求6所述的一种面向城市地下综合管廊多网融合部署的多频天线，其特征在于，所述第一梯形结构金属片和第二梯形结构金属片的上底边与所述矩形结构金属片的短边长度相同；所述第一梯形结构金属片的下底边长度小于所述第二梯形结构金属片的下底边长度。
9.如权利要求1所述的一种面向城市地下综合管廊多网融合部署的多频天线，其特征在于，所述“凵”形地板单元包括一矩形底板和两侧板，两所述侧板设置在所述矩形底板两侧，形成“凵”形金属地。
10.如权利要求1所述的一种面向城市地下综合管廊多网融合部署的多频天线，其特征在于，所述两侧板尺寸相同。
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