CN104037487B - 全向吸顶天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种全向吸顶天线，包括呈锥柱状的辐射振子、呈锥柱状的反射器、呈盘柱状的底板和绝缘介质环；其中，反射器包括第一空心圆锥和第一圆柱环，第一空心圆锥的扩口端连接第一圆柱环，且第一圆柱环外径小于第一空心圆锥的扩口端外径；底板上设置有第二圆柱环，第二圆柱环与第一圆柱环套接，形成空间隔离的耦合结构；绝缘介质环设置在第二圆柱环与第一圆柱环之间，以实现反射器与底板之间的隔离和支撑固定。本发明解决了超宽带室内全向天线高频信号向下聚集的问题，不仅扩大了高频段信号的有效覆盖范围，使室内信号分布更均匀，还有效降低了天线底下电磁辐射强度，保证了室内电磁环境的安全。
Description
技术领域
本发明涉及移动通信技术，尤其涉及一种全向吸顶天线。
背景技术
移动通信室内全向吸顶天线广泛用于室内分布***中，是用于室内无线信号覆盖的主要天线类型，其性能和质量直接影响室内无线通信质量和室内分布***投资效率。全向吸顶天线一般运用半波振子原理，采用锥形振子加反射板结构。锥形振子可以展宽天线的阻抗宽带，国内现有的全向吸顶天线通常还通过辐射振子和反射地板之间连接阻抗匹配线(片)，缩小体积和进一步扩展频率低端的带宽，满足806～960MHz(低频段)和1710～2500MHz频段或更宽频率范围内电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio；简称：VSWR)小于1.5的要求。但是，现有全向吸顶天线产品均没有考虑方向图带宽特性，在1710～2500MHz频段，普遍存在信号向下聚集和方向图圆度差等技术缺陷，低辐射角增益高、高辐射角增益低，结合无线信号随频率和传播距离衰减的损耗特性，导致3G、4G等高频段信号在天线底下电磁辐射强、而覆盖范围远小于2G低频段信号。事实上，对室内吸顶全向天线，85°高辐射角(以垂直向下为0°，下同)一般对应最大覆盖半径边缘，30°低辐射角以内对应天线底下近处很小范围。在室内场景中，信号覆盖希望在覆盖半径边缘信号足够强，增强覆盖效果；天线底下希望信号尽量弱，减小电磁辐射。因此，室内全向天线增益须加上辐射角限定，才能更准确说明其性能优劣，高辐射角增益高才意味着覆盖能力强，而低辐射角增益高则意味着辐射强，反之，高辐射角增益低意味着覆盖能力弱，而低辐射角增益低则意味着电磁辐射弱。
为了解决上述问题，已有改进技术，采用具有锥柱结构的单臂振子和盘锥结构的反射盘的特殊结构和一定尺寸比例的全向吸顶天线，改善了高频信号的辐射特性，并取消阻抗匹配连接线，保证天线完全轴对称，解决了1710～2500MHz频段信号向下聚集和方向图圆度差等问题，30°低辐射角增益大幅降低7～15dB，85°高辐射角增益提高3～6dB，方向图带宽和阻抗带宽同时超过102％，从而大幅提高了3G等高频信号的覆盖效率。
但是，随着LTE/4G等更高频率网络部署，上述技术改进的全向吸顶天线没考虑LTE/4G等更高频率信号向下聚集问题，对2500MHz以上频率最大增益方向约在60°辐射角，85°方向增益衰减达到2dB左右，信号向下聚集仍然非常明显，使得LTE/4G等更高频信号覆盖效率仍然较低、天线底下辐射强度仍然较高。
发明内容
本发明提供一种全向吸顶天线，同时考虑阻抗带宽和方向图带宽的超宽带特性，解决包括移动通信2G、3G和4G在内的整个高频段(1710-2700MHz)信号向下聚集的问题，不仅扩大了高频段信号的有效覆盖范围，使室内信号覆盖更均匀，还有效地降低了天线底下电磁辐射，保证了室内电磁环境的安全。
本发明提供一种全向吸顶天线，包括呈锥柱状的辐射振子、呈锥柱状的反射器、呈盘柱状的底板、呈空心管状接线柱、绝缘介质环和馈电电缆；其中，所述反射器的尖端朝向所述辐射振子的尖端，所述辐射振子的尖端与所述馈电电缆的内导体连接，所述反射器的尖端通过所述接线柱与所述馈电电缆的外导体连接；
所述反射器包括第一空心圆锥和第一圆柱环，所述第一空心圆锥的扩口端连接所述第一圆柱环，且所述第一圆柱环外径小于所述第一空心圆锥的扩口端外径；
所述底板上设置有第二圆柱环，所述第二圆柱环与所述第一圆柱环套接，形成空间隔离的耦合结构；
所述绝缘介质环设置在所述第二圆柱环与所述第一圆柱环之间，以实现所述反射器与所述底板之间的隔离和支撑固定。
本发明提供的全向吸顶天线，通过改变反射器的结构，即反射器中的第一圆柱环外径小于该反射器中的第一空心圆锥的扩口端外径，进一步扩展方向图带宽和阻抗带宽，从而解决了整个高频段(1710～2700MHz)，尤其是2500～2700MHz频段信号向下聚集的问题，将最大增益辐射角调整到80°左右，扩大了天线对高频段信号的有效覆盖范围，使室内信号覆盖更均匀。同时，该天线增加了盘柱结构的底板，并将该底板的第二柱圆环与反射器中第一圆柱环套接，形成空间隔离的耦合结构，从而增加了反射器底部容抗，并改变了反射器表面电流分布，使反射器与底板分布电流反相，进而使得高频信号在低辐射角方向电磁波相互抵消，有效地降低了天线底下电磁辐射，保证了室内电磁环境的安全。
附图说明
图1为本发明全向吸顶天线的一个实施例结构的示意图；
图2为低频段806、870和960MHz频点的E面方向图；
图3为高频段1710、1795和1880MHz频点的E面方向图；
图4为高频段1920、1990和2170MHz频点的E面方向图；
图5为高频段2300、2400和2500MHz频点的E面方向图；
图6为高频段2600频点和2700MHz频点的E面方向图；
图7为全向吸顶天线的电压驻波比-频率曲线图；
图8为图1沿A-A向的剖视图；
图9a和图9b分别为本发明全向吸顶天线的又一个实施例的局部示意图。
图10a和图10b分别为本发明全向吸顶天线的还一个实施例的局部示意图。
具体实施方式
图1为本发明全向吸顶天线的一个实施例结构的示意图，即主视图，如图1所示，本实施例的全向吸顶天线包括：呈锥柱状的辐射振子1、呈锥柱状的反射器2、呈盘柱状的底板4、呈空心管状的接线柱7和馈电电缆3；该反射器2的尖端2a朝向该辐射振子1的尖端1a，该辐射振子1的尖端1a中心与该馈电电缆3的内导体连接，该反射器2的尖端2a中心孔固定接线柱7，并通过接线柱7与该馈电电缆3的外导体连接。该天线还包括：绝缘介质环5。该反射器2包括第一空心圆锥21和第一圆柱环22，该第一空心圆锥21的扩口端连接该第一圆柱环22，且该第一圆柱环22外径小于该第一空心圆锥21的扩口端外径；该底板4上设置有第二圆柱环(图1未画出，并请参见图8)，该第二圆柱环与该第一圆柱环22套接，形成空间隔离的耦合结构；该绝缘介质环5设置在该第二圆柱环与该第一圆柱环22之间，以实现该反射器2与该底板4之间的隔离和支撑固定。
可选地，该天线还可以包括：安装固定套件(图中未标出)和塑料外罩等。
在本实施例中，辐射振子1、反射器2和底板4构成天线的信号辐射体，射频信号从馈电电缆3馈入后，经接线柱7，从辐射振子1的尖端1a和反射器2的尖端2a之间发射出来，向四周空间辐射。对于低频信号(806～960MHz)，具有锥柱结构的辐射振子1与反射器2、底板4构成非对称半波振子，方向图呈最大增益辐射角为90°(水平)方向；对高频段信号(1710～2700MHz)，非对称振子相对电长度超过1/2波长，方向图波瓣通常会出现***，最大增益辐射角随频率的提高而降低，使得高频信号向天线底下聚集。但是，由于本发明中该反射器2和该辐射振子1的锥形部分的尖端相对设置，高频信号相当于双锥天线，因此，改变了常规全向吸顶天线高频信号向下聚集的问题，提高了高辐射角的增益，将最大增益辐射角调整到80°左右，扩大了高频段信号的有效覆盖范围，使室内信号覆盖更均匀，从而形成工作频率覆盖高、低两个频段的方向图基本一致的超宽带天线。
另外，在本实施例天线中，增加了盘柱结构的底板4，并将该底板4的第二柱圆环与反射器2的第一圆柱环22套接，形成空间隔离的耦合结构，从而增加了反射器2底部容抗，并改变了反射器2表面电流分布，使反射器2与底板4上的分布电流反相，使得高频信号在低辐射角方向电磁波相互抵消，有效地降低了天线底下电磁辐射，保证了室内电磁环境的安全。通过改变底板4上的第二圆柱环的高度，和/或反射器2与底板4套接方式以及它们之间的间隙，以调整反射器2与底板4之间的耦合度，从而调整天线高频段不同频点的低辐射角增益，实现优化整个高频段低辐射角增益的作用。
为进一步说明本发明的全向吸顶天线的带来的有益效果，在本实施例中，详细给出了本实施例样品在806MH、870MH、960MH、1710MH、1795MHz、1880MHz、1920MHz、1990MHz、2170MHz、2300MHz、2400MHz、2500MHz、2600MHz和2700MHz等频点实测增益、方向图圆度、E面方向图和电压驻波比、三阶互调等主要技术指标，其中，图2为低频段806、870和960MHz频点的E面方向图，图3为高频段1710、1795和1880MHz频点的E面方向图，图4为高频段1920、1990和2170MHz频点的E面方向图，图5为高频段2300、2400和2500MHz频点的E面方向图，图6为高频段2600频点和2700MHz频点的E面方向图。图7为全向吸顶天线的电压驻波比-频率曲线图。
各频点增益(30°和85°)、方向图圆度(85°)、电压驻波比、三阶互调等主要技术指标实测结果见表一：
表一
实施例样品检测结果表明，相较于现有技术中的全向吸顶天线，本发明全向吸顶天线最大增益辐射角在80°左右，在辐射角θ＝85°，低频段(806～960MHz)信号增益基本保持不变；高频段(1710～2700MHz)信号增益显著提高，同时降低高频段(1710～2700MHz)在30°以内低辐射角增益，达到了提高高频信号的覆盖效率，同时降低室内电磁辐射强度的目的，并且在806～960MHz和1710～2700MHz频段范围内电压驻波比均小于1.5，实现了方向图带宽和阻抗带宽的超宽带特性，相对带宽达到108％，显著提高了2500～2700MHz频段信号高辐射角方向的增益，并且进一步降低低频段尤其是1710～2170MHz频段信号在低辐射角方向的增益，可实现2G、3G和LTE/4G信号的一致覆盖和有效降低了室内电磁环境辐射强度。
在本实施例中，通过缩小反射器圆柱环(即反射器第一圆柱环外径小于第一空心圆锥的扩口端外径)，进一步扩展方向图带宽和阻抗带宽，解决了整个高频段(1710～2700MHz)，尤其是2500～2700MHz频段信号向下聚集的问题，将最大增益辐射角调整到了80°左右，扩大天线对高频段信号的有效覆盖范围，使室内信号覆盖更均匀。同时，在该天线上增加了底板，并将该底板上的第二柱圆环与反射器中第一圆柱环套接，以形成空间隔离的耦合结构，从而增加了反射器底部容抗，改变了反射器表面电流分布，使得反射器与底板分布电流反相，进而使得高频信号在低辐射角方向电磁波相互抵消，有效地降低了天线底下电磁辐射，保证了室内电磁环境的安全。
进一步的，在本发明的另一个实施例中，在上述1所示实施例一的基础上，如图8所示，图8为图1沿A-A向的剖视图；在本实施例中，该辐射振子1包括：第三圆柱环11和第三空心圆锥12，该第三空心圆锥12的扩口端连接该第三圆柱环11，即该第三圆柱环11的外径与第三空心圆锥12的扩口端底面圆外径相同。
另外，可选地，该天线还可以包括：绝缘介质套6，设置在该辐射振子1的尖端1a与该反射器2的尖端2a之间，以实现该辐射振子1与该反射器2的隔离和支撑固定。
可选地，该第一空心圆锥21的扩口端连接该第一圆柱环22，且该第一空心圆锥21的扩口端底面圆外径大于第一圆柱环22的外径。
该底板4边缘设置有一圆盘环42，该圆盘环42内边缘连接该第二圆柱环41。该第二圆柱环41与反射器2的第一圆柱环22套接，通过绝缘介质环5隔离和固定，形成空间隔离耦合结构。
可选地，为便于一次冲压成形，且有效地降低了生产成本，底板4为中间凸起圆盘状，其包括：第二圆柱环41、圆盘环42、倒角43和圆盘底44，圆盘底44的中心开孔，用于连接塑料安装固定套件8，并便于馈电电缆3穿过。
另外，辐射振子1的尖端1a的中心与馈电电缆3的内导体31连接，接线柱7的一端穿入反射器2的尖端2a的中心孔，并与反射器2的尖端2a通过固定螺母71进行紧密连接，接线柱7的另一端与馈电电缆3的外导体32连接。
更为具体的，馈电电缆3可以采用50欧姆的同轴电缆，馈电电缆3从安装固定套件8的中心孔穿入，剥开电缆塑料保护外层和外导体层，绝缘层和内导体31穿入空心接线柱，内导体31与辐射振子1焊接，馈电电缆3的外导体32与接线柱7的另一端电性连接。
在本实施例中，通过缩小反射器圆柱环(即反射器中的第一圆柱环外径小于该反射器中的第一空心圆锥的扩口端外径)，以及在该天线上增加了底板，并将该底板上的第二柱圆环与反射器中第一圆柱环套接，形成空间隔离的耦合结构，进一步扩展方向图带宽和阻抗带宽，解决了现有传统全向吸顶天线和已有改进技术的室内全向吸顶天线在高频段尤其是2500～2700MHz频段信号向下聚集的问题，方向图带宽和阻抗带宽同时达108％，并进一步提高了1710～2500MHz频段信号高辐射角增益。对比现有技术中的常用全向吸顶天线，在低频段(806～960MHz)，85°辐射角增益基本相同；在高频段(1710～2700MHz)，85°辐射角增益明显提高，30°低辐射角以内增益显著降低，并改善了天线方向图圆度，使信号覆盖更加均匀，扩大高频信号的有效覆盖范围，可实现2G、3G和LTE/4G信号的一致覆盖，同时，有效降低了室内电磁环境辐射强度。
还需要说明的是，本发明的天线还实现了806～2700MHz全频段超宽带阻抗带宽特性；通过缩小反射器圆柱环(即反射器中的第一圆柱环外径小于该反射器中的第一空心圆锥的扩口端外径)，以及在该天线上增加了底板，并将该底板上的第二柱圆环与反射器中第一圆柱环套接，以形成空间隔离的耦合结构，实现了超宽带方向图带宽特性和有效地降低天线底下电磁辐射的特性。同时，由于该天线取消了阻抗匹配线(片)，结构上完全轴对称，因此保证了方向度圆度良好。
另外，该天线的结构简单，整体性好，即辐射振子1、反射器2和底板4等均可一体成型，易于冲压制作，具有结构紧凑、装配简单、焊接点少、免调试等优点，在移动通信网络室内分布***中具有广泛的应用前景。
图9a和图9b分别为本发明全向吸顶天线的又一个实施例的局部示意图，在上述图8所示实施例的基础上，本实施例与上述图8所示实施例的区别在于，圆盘底44与第二圆柱环41之间没有倒角43进行过渡。
具体的，如图9a所示，底板4包括圆盘底44和连接在圆盘底44上的第二圆柱环41两部分。其中，第二圆柱环41套接在第一圆柱环22的内侧，通过绝缘介质环5空间隔离。圆盘底44的中心开孔45，用于连接塑料安装固定套，并便于馈电电缆3穿过。
如图9b所示，底板4包括圆盘底44和连接在圆盘底44上的第二圆柱环41两部分。其中，第二圆柱环41套接在第一圆柱环22的外侧，通过绝缘介质环5空间隔离。圆盘底44的中心开孔45，用于连接塑料安装固定套，并便于馈电电缆3穿过。
图10a和图10b分别为本发明全向吸顶天线的还一个实施例的局部示意图，在上述图8所示实施例的基础上，本实施例与上述图8所示实施例的区别在于，底板4呈圆环形，且由第二圆柱环41和相接的圆盘环42组成。
具体的，如图10a所示，第二圆柱环41套接于第一圆柱环22的内侧，且通过绝缘介质环5空间隔离。
如图10b所示，第二圆柱环41套接于第一圆柱环22的外侧，且通过绝缘介质环5空间隔离。
进一步的，在本发明的再一个实施例中，在上述各个实施例的基础上，该辐射振子1的高度为35～45mm，其中，第三圆柱环11的高度和第三空心圆锥12的高度各占该辐射振子1的高度的一半。另外，第三空心圆锥12的锥角为30～35度。另外，第三空心圆锥12顶尖中心开孔，孔直径为0.5～2mm。
可选地，该反射器2的高度为53～55mm，直径为170～178mm。该第一空心圆锥21的顶尖中心开孔，其底部外径为170～173mm；该第一圆柱环22的外径为160～163mm，且高度为5～7mm。
可选地，底板4为空心盘锥结构，台锥段从盘中间凸起，中心开孔，孔直径为4～6mm，与馈电电缆3的外导体32进行紧密连接，凸起台锥外径略小于反射器2空心柱(即第一圆柱环22)内径，约为150～153mm。
可选地，在本实施例中，该天线的外罩可以采用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(Acrylonitrile butadiene Styrene copolymers；简称：ABS)材料模具加工而成，与该天线底板之间采用卡扣连接，从而实现安装简单，连接牢固。
另外，可选地，辐射振子1可以采用厚度为0.5～2mm的铝板模具加工而成，绝缘介质环5也可以采用ABS材料模具加工而成。
还需要说明的是，为了减少加工成本，其他金属部件也可以采用铝板冲压而成。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种全向吸顶天线，其特征在于，包括：呈锥柱状的辐射振子、呈锥柱状的反射器、呈盘柱状的底板、呈空心管状的接线柱、绝缘介质环和馈电电缆；
其中，所述反射器的尖端朝向所述辐射振子的尖端，所述辐射振子的尖端与所述馈电电缆的内导体连接，所述反射器的尖端通过所述接线柱与所述馈电电缆的外导体连接；
所述反射器包括第一空心圆锥和第一圆柱环，所述第一空心圆锥的扩口端连接所述第一圆柱环，且所述第一圆柱环外径小于所述第一空心圆锥的扩口端外径；
所述底板上设置有第二圆柱环，所述第二圆柱环与所述第一圆柱环套接，形成空间隔离的耦合结构，所述底板边缘设置有一圆盘环，所述圆盘环内边缘连接所述第二圆柱环；
所述绝缘介质环设置在所述第二圆柱环与所述第一圆柱环之间，以实现所述反射器与所述底板之间的隔离和支撑固定。
2.根据权利要求1所述的全向吸顶天线，其特征在于，所述底板还包括：倒角和圆盘底；其中，所述圆盘底的边缘连接所述倒角的一端，所述倒角的另一端与所述第二圆柱环连接。
3.根据权利要求1或2所述的全向吸顶天线，其特征在于，还包括：绝缘介质套，设置在所述辐射振子与所述反射器之间，以实现所述辐射振子与所述反射器之间通过所述绝缘介质套隔离和支撑固定。
4.根据权利要求1所述的全向吸顶天线，其特征在于，所述辐射振子包括第三空心圆锥和第三圆柱环，所述第三空心圆锥的扩口端连接所述第三圆柱环。
5.根据权利要求4所述的全向吸顶天线，其特征在于：
所述辐射振子的高度为35～45mm，所述第三空心圆锥的锥角为30～35度。
6.根据权利要求1所述的全向吸顶天线，其特征在于：
所述第一空心圆锥底部外径为170～173mm；所述第一圆柱环的外径为160～163mm，且高度为5～7mm。
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