低剖面室內覆蓋增強型單極化全向吸頂天線的制作方法

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本實用新型涉及天線領域，特別是涉及一種低剖面室內覆蓋增強型單極化全向吸頂天線。

背景技術：

目前，人類已經全面進入信息時代，獲取資訊成為人們日常生活不可或缺的組成部分。移動通信以其特有的便捷性，已成為人們隨時隨地獲取信息和彼此通信的主要方式。天線則是無線通信系統關鍵子部件，它的性能優劣對整個系統的影響是決定性的。隨著移動通信技術的發展，家庭、辦公室、商場、候機樓、教室、圖書館等室內環境已成為話務和數據流量的熱點區域。室外宏基站由于考慮覆蓋范圍、選址、成本等實際因素，天線尺寸大、增益高、發射功率大、架設高度高，以實現信號廣域連續覆蓋，卻難以對建筑物內部進行深度、精確覆蓋。自然地，人們將室外基站小型化后部署于樓宇內部各處，形成了室內分布式覆蓋系統。綜合考慮到容量、選址、成本等方面因素，室分小基站必須支持多制式(GSM 2G/CDMA-3G/LTE-4G)、全頻段(0.80-0.96GHz/1.71-2.70GHz)，而且水平面需覆蓋較大區域。受制于安裝位置，室分天線通常有定向壁掛和全向吸頂兩大類。由于多頻段技術上實現較難，兩類天線通常設計成寬頻帶。吸頂天線安裝于樓層天花板，要求方向圖在不同仰角的方位面內必須是均勻全向的(不圓度)，且低俯角方向仍需保持較高增益，這樣才能保證覆蓋較大的范圍。另外，考慮用戶視覺和感受，吸頂天線宜小尺寸和低剖面。

綜合上述要求，單錐是適合設計全向吸頂天線的優選形狀，它具有寬頻帶、全向性的特點，而且高度較僅為雙錐天線的一半。然而，由于單錐天線是將雙錐的傾斜下臂變成平直地板的緣故，其高頻最大輻射方向會上翹較大的角度，致使低仰角增益較低，而低頻最大增益則跟雙錐天線一樣是在水平方向。這會造成低頻覆蓋范圍寬、高頻覆蓋范圍小的現象。雖然，通過增加網絡部署密度可以使高低頻覆蓋范圍較為一致，但是建設成本會成倍增加。因此，全向吸頂天線的邊緣覆蓋效果增強成為解決問題的關鍵。如圖2和圖3所示，常規全向吸頂單錐天線采用平直圓盤地板2、杯狀錐體1和短路枝條3，它的低仰角增益低、方位面不圓度差。

技術實現要素：

本實用新型提供一種低剖面室內覆蓋增強型單極化全向吸頂天線，能夠解決現有技術存在的在低剖面情況下難以增強低仰角增益的問題。

為解決上述技術問題，本實用新型采用的一個技術方案是：提供一種低剖面室內覆蓋增強型單極化全向吸頂天線，該天線包括地板、輻射體和圓環輻射組件；所述地板為以其中心線為軸線的回轉體；所述輻射體設置在所述地板的上方，所述輻射體包括由上往下依次相接的兩個直徑不同的空心的圓柱和兩個空心的圓臺，且所述輻射體的直徑朝地板方向逐漸減小，所述圓柱和所述圓臺的中心線重合，兩個所述圓柱的相接處、所述圓柱和所述圓臺的相接處以及兩個所述圓臺的相接處均由于直徑突變而形成臺階部；所述圓環輻射組件設置在所述輻射體的頂部，所述圓環輻射組件的最大直徑與所述輻射體頂部的圓柱的直徑相等，以使所述天線內最大輻射方向靠近水平方向，從而增強低仰角增益；所述地板、所述輻射體和所述圓環輻射組件的中心線重合。

其中，所述圓環輻射組件包括第一圓環、第二圓環、支撐片及支撐柱；所述第一圓環通過所述支撐片固定并連接在所述輻射體頂部；所述第二圓環通過所述支撐柱固定并連接在所述第一圓環之上；所述第一圓環的部分圓弧在兩個正交直徑的方向朝內部凹陷形成四個凹陷區，所述第二圓環與所述第一圓環呈45°旋轉對稱。

其中，所述凹陷區包括兩個折角，所述支撐柱設置在第一圓環內、與所述第二圓環的折角所對應的位置處。

其中，所述支撐片設置在輻射體上、與所述第一圓環的未凹陷的圓弧所對應的位置處。

其中，所述支撐片有八個，且兩兩一組，組與組之間的間隔均勻，同一組的兩個所述支撐片對應于相鄰的兩個所述凹陷區之間的未凹陷的圓弧。

其中，所述地板包括圓柱體部分和在所述圓柱體上方的圓臺，所述圓臺的底面的直徑與所述圓柱體部分的直徑相同，所述地板中心設有饋電孔，以便同軸電纜穿過。

其中，所述饋電孔上設置有圓柱狀的饋電座，所述饋電座中心設有圓孔，同軸電纜依次穿過所述饋電孔和所述饋電座，其外導體與所述饋電座平齊，其內導體則朝上延伸至所述輻射體的底部并與所述輻射體連接。

其中，所述地板的底部還設有圓盤介質板，所述圓盤介質板的底部平整。

其中，所述圓盤介質板的制作材料選自PVC、PC、ABS和PTFE中的至少一種。

其中，所述地板、所述輻射體和所述圓環輻射組件的制作材料選自紫銅、合金銅或者純鋁中的至少一種。。

本實用新型的有益效果是：區別于現有技術的情況，本實用新型通過采用不同直徑的兩個圓柱和兩個圓臺形成輻射體，即對輻射體的錐面進行賦形設計，并在其頂部加載圓環輻射組件，使得天線帶內最大輻射向始終靠近水平方向，由于豎直面波束寬度較寬，增益在偏離最大輻射方向后緩慢下降，這樣低仰角方向增益仍能保持較高值，從而保證全頻段內覆蓋范圍大致相同，本實用新型實現了單錐吸頂天線良好的水平全向性、邊緣覆蓋效果增強，以及低剖面和小型化。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為天線模型所采用的直角坐標系定義的示意圖；

圖2為常規單錐全向吸頂天線的正視圖；

圖3為常規單錐全向吸頂天線的側視圖。

圖4是輻射體的縱剖面輪廓圖；

圖5是輻射體的3D側視圖；

圖6是輻射體表面加厚側視圖；

圖7是輻射體表面加厚俯視圖；

圖8是地板縱剖面輪廓圖；

圖9是地板3D俯視圖；

圖10是地板3D側視圖；

圖11是地板表面加厚3D側視圖；

圖12是圓盤介質板的俯視圖；

圖13是圓盤介質板的正視圖；

圖14是圓盤介質板的側視圖；

圖15是支撐片的俯視圖；

圖16是支撐片的正視圖；

圖17是支撐片的側視圖；

圖18是第二圓環的俯視圖；

圖19是第二圓環的正視圖；

圖20是第二圓環的側視圖；

圖21是支撐柱的俯視圖；

圖22是支撐柱的正視圖；

圖23是支撐柱的斜視圖；

圖24是第一圓環、第二圓環和支撐柱組合后的俯視圖；

圖25是第一圓環、第二圓環和支撐柱組合后的正視圖；

圖26是第一圓環、第二圓環和支撐柱組合后的側視圖；

圖27是圓環輻射組件整體的側視圖。

圖28是本實用新型低剖面室內覆蓋增強型單極化全向吸頂天線實施例的正視圖；

圖29是圖28的俯視圖；

圖30是圖28的側視圖。

圖31為低剖面室內覆蓋增強型單極化全向吸頂天線的輸入阻抗Zin頻率特性曲線。其中，橫軸(X軸)是頻率f，單位為GHz；縱軸(Y軸)是輸入阻抗Zin，單位為Ω；實線表示實部Rin，虛線表示虛部Xin。

圖32為低剖面室內覆蓋增強型單極化全向吸頂天線的反射系數|S11|曲線。其中，橫軸(X軸)是頻率f，單位為GHz；縱軸(Y軸)是S11的幅度|S11|，單位為dB。由圖知，天線在0.80-2.70GHz頻段內實現了良好的阻抗匹配(|S11|≤-12.80dB，1.71-2.70GHz頻段內，|S11|≤-13.16dB)。

圖33為低剖面室內覆蓋增強型單極化全向吸頂天線的駐波比VSWR曲線。其中，橫軸(X軸)是頻率f，單位為GHz；縱軸(Y軸)是VSWR。由圖知，天線在0.80-2.70GHz頻段內實現了良好的阻抗匹配(VSWR≤1.59，1.71-2.70GHz頻段內，VSWR≤1.57)。

圖34為低剖面室內覆蓋增強型單極化全向吸頂天線的各頻點E-面(豎直面)歸一化增益方向圖。其中，其中，實線表示f1＝0.8GHz，虛線表示f2＝1.71GHz，點線表示f3＝2.30GHz，點劃線線表示f4＝2.70GHz。由圖知，低頻最大方向出現在Theta＝73o-84o，高頻則出現在Theta＝36o-63o；全頻段內具有理想的半波陣子方向圖。

圖35、圖36和圖37為低剖面室內覆蓋增強型單極化全向吸頂天線的各頻點在不同Theta值處的H-面(方位面)歸一化增益方向圖。其中，實線表示f1＝0.8GHz，虛線表示f2＝1.71GHz，點線表示f3＝2.30GHz，點劃線線表示f4＝2.70GHz。圖35表示Theta＝30o，圖36表示Theta＝60o，圖37表示Theta＝85o。由圖知，Theta＝30o、60o和85o的不圓度分別小于0.15dB、0.14dB、0.20dB，各仰角均具有理想的水平全向性、均勻性。

圖38為低剖面室內覆蓋增強型單極化全向吸頂天線的帶內E-面半功率波束寬度隨頻率f變化曲線。其中，橫軸(X軸)是頻率f，單位為GHz；縱軸(Y軸)是波束寬度，單位是度(deg)。由圖知，低頻波束寬度在101.2o-104.6o，高頻在43.1o-51.7o。

圖39為低剖面室內覆蓋增強型單極化全向吸頂天線的最大增益仰角隨頻率f變化曲線。其中，橫軸(X軸)是頻率f，單位為GHz；縱軸(Y軸)是波束寬度，單位是度(deg)。由圖知，低頻最大增益仰角Theta＝72.2o-84.0o，高頻最大增益仰角Theta＝35.2o-50.0o。

圖40為低剖面室內覆蓋增強型單極化全向吸頂天線的實增益隨頻率f變化曲線。由圖知，低頻增益G＝1.78-2.04dBi，高頻增益G＝2.55-4.0dBi。

圖41為低剖面室內覆蓋增強型單極化全向吸頂天線的效率ηA隨頻率f變化曲線。由圖知，整個頻帶內天線效率ηA>94％。

具體實施方式

下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本實用新型的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。

請參閱圖28、圖29和圖30，本實用新型提供了一種低剖面室內覆蓋增強型單極化全向吸頂天線，該天線包括地板2、輻射體1和圓環輻射組件。

其中，地板2為以其中心線為軸線的回轉體。

輻射體1設置在所述地板的上方，所述輻射體2包括由上往下依次相接的兩個直徑不同的空心的圓柱和兩個空心的圓臺，且所述輻射體1的直徑朝地板方向逐漸減小，所述圓柱和所述圓臺的中心線重合，兩個所述圓柱的相接處、所述圓柱和所述圓臺的相接處以及兩個所述圓臺的相接處均由于直徑突變而形成臺階部。

具體而言，輻射體1整體呈類似倒立的錐體的形狀，具體為內部空心的薄壁錐面，并在錐面進行連續幾何彎折賦形。例如，本實施例中，是將錐面母線為先4次鈍折后，再進行3次直折的連續折線。

圓環輻射組件設置在所述輻射體1的頂部，所述圓環輻射組件的最大直徑與所述輻射體1頂部的圓柱的直徑相等，以使所述天線內最大輻射方向靠近水平方向，從而增強低仰角增益。

具體地，地板2、所述輻射體1和所述圓環輻射組件的中心線重合，從而保證帶內方向性一致圓對稱。

區別于現有技術，本實用新型通過采用不同直徑的兩個圓柱和兩個圓臺形成輻射體1，即對輻射體1的錐面進行賦形設計，并在其頂部加載圓環輻射組件，使得天線帶內最大輻射向始終靠近水平方向，由于豎直面波束寬度較寬，增益在偏離最大輻射方向后緩慢下降，這樣低仰角方向增益仍能保持較高值，從而保證全頻段內覆蓋范圍大致相同，本實用新型實現了單錐吸頂天線良好的水平全向性、邊緣覆蓋效果增強，以及低剖面和小型化。

具體而言，如圖15至圖27所示，本實施例中的圓環輻射組件包括第一圓環4、第二圓環5、支撐片3及支撐柱6。所述第一圓環4通過所述支撐片3固定并連接在所述輻射體1頂部。所述第二圓環5通過所述支撐柱6固定并連接在所述第一圓環4之上。所述第一圓環4的部分圓弧在兩個正交直徑的方向朝內部凹陷形成四個凹陷區，第一圓環4的部分圓弧凹陷之后，形成了關于兩個正交直徑方向的對稱結構。所述第二圓環5與所述第一圓環4呈45°旋轉對稱，即，第二圓環5的形狀與第一圓環4的形狀相同，具體地，將另一個第一圓環4旋轉±45°之后，固定在支撐柱6上即形成了第二圓環5。

所述凹陷區包括兩個折角，所述支撐柱6設置在第一圓環4內、與所述第二圓環5的折角所對應的位置處。具體而言，凹陷區為方形的凹陷，其內端部形成了兩個直角。支撐柱6則在直角的位置處對第二圓環進行支撐，同時，支撐柱6作為導體將將第一圓環4與第二圓環5連接。因此，該支撐柱6有八個，該八個支撐柱6均勻分布在一個圓周上。

所述支撐片3設置在輻射體1上、與所述第一圓環4的未凹陷的圓弧所對應的位置處。所述支撐片3有八個，且兩兩一組，組與組之間的間隔均勻，同一組的兩個所述支撐片3對應于相鄰的兩個所述凹陷區之間的未凹陷的圓弧。

請參閱圖8至圖11，地板2包括圓柱體部分和在所述圓柱體上方的圓臺，所述圓臺的底面的直徑與所述圓柱體部分的直徑相同，所述地板2中心設有饋電孔，以便同軸電纜穿過。

該地板2整體呈類似錐形，并將錐面進行賦形，該錐形地板的母線為先2次鈍折后2次直折的連續折線。

所述饋電孔上設置有圓柱狀的饋電座8，所述饋電座8中心設有圓孔，同軸電纜9依次穿過所述饋電孔和所述饋電座8，其外導體與所述饋電座8平齊，其內導體則朝上延伸至所述輻射體1的底部并與所述輻射體1連接。本實施例中，所述圓孔的孔徑與所述饋電座8的圓孔的孔徑相同。

本實用新型的天線采用帶SMA、BNC、TNC、N型等常見連接頭的50Ω標準同軸纜線9。

具體地，本實施例中的地板2的底部還設有圓盤介質板7，所述圓盤介質板7的底部平整，以方便天線倒置平齊安裝于天花板。該圓盤介質板7的制作材料選自PVC、PC、ABS和PTFE中的至少一種。

本實用新型中的所述地板2、所述輻射體1和所述圓環輻射組件的制作材料選自紫銅、合金銅或者純鋁中的至少一種。

本實用新型通過采用不同直徑的兩個圓柱和兩個圓臺形成輻射體1，即對輻射體1的錐面進行賦形設計，并采用圓柱和圓臺形成地板2，從而對地板2的錐面進行賦形設計，還在輻射體頂部加載由兩個內凹的第一圓環4和第二圓環4等形成的圓環輻射組件，并在地板2中心饋電孔處設置饋電座8，獲得了優于常規單錐全向吸頂天線的寬帶性，理想的全向性，邊緣增益增強、帶內覆蓋一致性高以及較小的剖面高度及較小的總體尺寸。

以下為本實用新型的低剖面室內覆蓋增強型單極化全向吸頂天線的設計方法，通過該設計方法可以更容易地理解本實用新型的結構。

步驟一，在水平面XOY建立直角坐標系，見圖1。

步驟二，在XOZ平面，從左下至右上畫一連續彎折斜線，先緩彎折4次、后直彎折3次，然后左右對稱復制，構成V形單錐輪廓，如圖4所示。單錐邊緣賦形可以延長電流路徑降低工作頻率，并改善方向圖低仰角增益。

然后，將V形斜線繞Z軸旋轉180°形成單錐錐面，然后將錐面變成有一定厚度的薄片，單錐高度和直徑分別為H_c、D_c，從而形成輻射體1，如圖5、圖6和圖7所示。

步驟三，在XOZ平面，自左上朝右下畫一連續彎折斜線，先緩彎折2次、后直彎折2次，然后左右對稱復制呈等腰梯形，構成單錐地板2邊緣輪廓，如圖8所示。地板2邊緣賦形同樣是為了延長電流路徑降低工作頻率，并改善方向圖低仰角增益。然后，將等腰梯形繞Z軸旋轉180°形成賦形錐面，再將錐面變成有一定厚度的薄片，地板2的高度和直徑分別為H_g、D_g，如圖9、圖10和圖11所示。

步驟四，在步驟三的賦形錐形地板2的底部，畫一直徑D_p等于地板直徑D_g、厚度為T_p的圓盤介質板7，以方便天線倒置平齊安裝于天花板，如圖12、圖13和圖14所示。

步驟五，在步驟二的賦形單錐輻射體1的頂部，沿圓周方向畫兩兩一組、四組共8個豎直圓柱面薄片支撐片3，它們的排列關于X/Y軸對稱，高度和弧度分別為Ha、βa，如圖15、圖16和圖17所示。

步驟六，在距離步驟五的支撐片3頂端H_T處，畫一X/Y軸方向弧段朝內凹陷的第二圓環5，其直徑D_L與輻射體1的直徑D_c相等，如圖18、圖19和圖20所示。

步驟七，在步驟六的第二圓環5內凹段的8個折角中心分別畫8個豎直排列的圓柱體支撐柱6，直徑和高度分別為D_s、H_s，如圖21、圖22和圖23所示。

步驟八，將步驟六的第二圓環5復制一個，然后繞Z軸旋轉+45°或-45°形成第一圓環4，再朝-Z軸移動距離D_m＝H_T。最后，將其與步驟七的圓柱支撐柱和步驟六的第二圓環5合并為一體，以降低天線高度和增強低仰角增益，如圖24、圖25、圖26和圖27所示。

步驟九，在地板中心直徑為D_H的饋電孔位置，畫一個內、外徑和高度分別為D_FI、D_FO、H_F的圓柱饋電座8，以便焊接電纜9和調節阻抗；

然后，將外徑D_CO＝D_FI的50Ω同軸電纜9孔和饋電座8的外導體與饋電座8的頂面平齊，而內導體則朝上延伸至輻射體1的底部，如圖28、圖29和圖30所示。

步驟十，將以上各步驟所述部件按照水平同心和豎直對齊的原則依次合并組合，以實現天線理想全向輻射特性。至此，所有部件組裝為一個完整的全向吸頂天線整體，如圖28、圖29和圖30所示。天線整體尺寸為：高度H＝T_p+H_g+H_c+H_a+H_T，直徑D＝D_g。

請參閱圖31至圖41以及表1，其中：

圖40為低剖面室內覆蓋增強型單極化全向吸頂天線的實增益隨頻率f變化曲線。由圖知，低頻增益G＝1.78-2.04dBi，高頻增益G＝2.55-4.0dBi。

圖41為低剖面室內覆蓋增強型單極化全向吸頂天線的效率ηA隨頻率f變化曲線。由圖知，整個頻帶內天線效率ηA>94％。

表1是各頻點在不同θ值處的相對增益值(歸一化到最大值)。

表1.各頻點在不同θ值處的相對增益值(歸一化到最大值)

由表1可知，從最大輻射往水平方向(θ＝90°)，增益緩慢下降，在低仰角方向仍保持較高增益值，邊緣增強效果明顯；高仰角(靠近θ＝0°兩側)方向也保持較高增益，近區覆蓋效果也較佳。

結合圖31至圖41以及表1可知，本實用新型通過采用不同直徑的兩個圓柱和兩個圓臺形成輻射體，即對輻射體的錐面進行賦形設計，并采用圓柱和圓臺形成地板，從而對地板的錐面進行賦形設計，還在輻射體頂部加載由兩個內凹的第一圓環和第二圓環等形成的圓環輻射組件，并在地板中心饋電孔處設置饋電座，獲得了：一、優于常規單錐全向吸頂天線的寬帶性，0.80-2.70GHz頻帶內低頻VSWR≤1.59、高頻VSWR≤1.57；二、理想的全向性，帶內各仰角不圓度小于0.20dBi；三、邊緣增益增強、帶內覆蓋一致性(增益低頻、高頻分別為2dBi左右和255-4.00dBi；低頻增益仰角θ＝72.2°-84.0°，半功率波寬HPBW＝101.2°-104.6°；高頻增益仰角θ＝35.2°-50.0°，半功率波寬HPBW＝43.1°-51.7°)；四、較小的剖面高度及總體尺寸(地板直徑-0.493·λL×單錐直徑-0.179λL×高度-0.259·λL)；五、接近于理想100％的工作效率(ηA>94％)。

以上所述僅為本實用新型的實施方式，并非因此限制本實用新型的專利范圍，凡是利用本實用新型說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本實用新型的專利保護范圍內。

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