室内全向吸顶天线的制作方法

本实用新型涉及通信领域，尤其是涉及一种室内边缘覆盖增强型全向吸顶天线。

背景技术：

目前，人类已经全面进入信息时代，获取资讯成为人们日常生活不可或缺的组成部分。移动通信以其特有的便捷性，已成为人们随时随地获取信息和彼此通信的主要方式。天线则是无线通信系统的关键子部件，它的性能优劣对整个系统的影响是决定性的。随着移动通信技术的发展，家庭、办公室、商场、候机楼、教室、图书馆等室内环境已成为话务和数据流量的热点区域。室外宏基站由于考虑覆盖范围、选址、成本等实际因素，天线尺寸大、增益高、发射功率大、架设高度高，以实现信号广域连续覆盖，却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(GSM 2G/CDMA-3G/LTE-4G)、全频段(0.80-0.96GHz/1.71-2.70GHz)，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。由于多频段技术上实现较难，两类天线通常设计成宽频带。吸顶天线安装于楼层天花板，要求方向图在不同仰角的方位面内必须是均匀全向的(不圆度)，且低俯角方向仍需保持较高增益，这样才能保证覆盖较大的范围。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，由于单锥天线是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，而低频最大增益则跟双锥天线一样是在水平方向。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，全向吸顶天线的边缘覆盖效果增强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，它的低仰角增益低、方位面圆度差。

针对上述应用场景，设计一种全频段、全向性、边缘增益增强、带内覆盖范围一致、高效率、小型化、低剖面、低成本的单极化全向吸顶天线显得十分必要。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于为室内分布式覆盖系统提供一种全频段、全向性、边缘增益增强、带内覆盖范围一致、高效率、小型化、低剖面、低成本的室内全向吸顶天线。

为实现本实用新型目的，提供以下技术方案：

本实用新型提供一种室内全向吸顶天线，其包括四个分体式设置并沿圆周排列的单锥单元，以及连接该四个单锥单元的馈电底座；每个所述单锥单元包括有锥体结构；该锥体结构包括两个镜像对称设置并彼此相连的锥壁，每个锥壁由直角多边形板沿与竖直方向平行的直角边方向弯折成型，两个锥壁沿该直角边连接一体；两个锥壁弯折后顶端围合成有开口的四边形；馈电线缆连接馈电底座。

本实用新型室内全向吸顶天线采用四个分体式排列在一起的单锥单元，通过馈电底座连接于一起，该单锥单元的锥体结构进行连续弯折赋形，从而获得了优于常规单锥全向吸顶天线的宽带性、全向性、边缘增益增强、带内覆盖一致性、良好的阻抗匹配，以及低剖面和小尺寸。

优选的，该锥体结构的每个锥壁由直角多边形板沿平行直角边方向二次90°弯折和一次45°弯折成型，然后两个锥壁45°斜向镜像对称设置并彼此相连构建成该锥体结构。优选的，该直角多边形板斜边为连续变化的非直线。优选的，该直角三角板包括有突片，该直角三角板沿平行直角边方向的45°弯折在突片处发生。

优选的，该四个单锥单元几何结构关于±45°斜线对称设置。

优选的，该锥体结构的锥壁顶端设有朝下的凹陷。该凹陷结构可延长电流路径，从而降低工作频率。

优选的，该室内全向吸顶天线进一步包括直角加载单元，该直角加载单元包括两个加载片，该加载片竖直放置并作蛇形弯折，其弯折外轮廓为直角三角形，两个弯折的加载片沿该直角三角形的斜边镜像对称设置，该直角加载单元加载在所述锥体结构的顶端，并且在该锥体结构的外侧对角点部分连接在一起。该顶端加载结构主要作用是降低工作频率，也可使最大辐射偏向低仰角方向。

优选的，该加载片弯折外轮廓为等边直角三角形。

优选的，该锥体结构的两侧边缘上加载有水平短桩。

优选的，该水平短桩设有多个，其宽度沿竖直方向设置，并横向交错加载在该锥体结构两侧边缘的不同高度位置。优选的，该多个水平短桩的长度不同，根据需要，可设置为由上而下所排布的水平短桩的长度逐渐减小。

优选的，该馈电底座为倒圆台体，其顶部开设有十字型凹槽，该四个单锥单元连接于该十字型凹槽，该馈电底座中心有上下贯穿的圆孔，馈电线缆内导体穿过该圆孔连接于馈电底座上表面。

优选的，该室内全向吸顶天线进一步包括有地板，该地板中间设有馈电孔，该馈电底座以及单锥单元设置于地板上。

优选的，该地板、馈电底座、四个单锥单元的中心重合。

优选的，该地板上加载有L形短桩，该L形短桩底部通过加载环连接为短桩阵列。

优选的，所述L形短桩数量N≥3(N＝3,4,5,6,7,8,....)，并均匀排布在加载环上，短桩呈倒L形，顶部朝内弯折，底部则通过加载环连接为一体。

上述在锥体结构顶部加载直角加载单元、在侧边加载水平短桩，以及在地板加载倒L形短桩，均使得其获得了优于常规单锥全向吸顶天线的宽带性、全向性、边缘增益增强、带内覆盖一致性，以及低剖面和小尺寸。

优选的，该地板为圆形或方形，该加载环为圆环形或方框形，对应地板形状。

优选的，馈电线缆外导体连接于地板上，内导体连接于馈电底座上表面。

优选的，该室内全向吸顶天线进一步包括设置在地板和馈电底座之间的绝缘垫块。

优选的，该地板、绝缘垫块、短桩阵列、馈电底座、馈电线缆、四个单锥单元的中心重合，从而保证带内方向性一致圆对称。

优选的，该馈电线缆采用带SMA、BNC、TNC、N型连接头的50Ω标准同轴线。50Ω馈电同轴线穿过地板馈电孔后，其外导体连接地板，内导体则朝上穿过绝缘垫块和馈电底座，并在顶端与馈电底座连接。

优选的，该单锥单元、直角加载单元、水平短桩、地板、L形短桩和馈电底座均选用金属良导体材料，如紫铜(纯铜)、合金铜(如黄铜)、纯铝等。

优选的，该绝缘垫块材料为PVC、PC、ABS、PTFE等常见介质材料。

对比现有技术，本实用新型具有以下优点：

综合单锥天线优缺点，本实用新型独特地设计了一种改进型单锥天线，即在平直地板内侧沿圆周方向加载四个倒L形短桩；将上部的锥状辐射体变成分体式四单元，并分别对它们进行顶部加载以实现小型化；同时对单元的边缘进行连续几何弯折赋形，以及加载水平短桩，从而实现了单锥吸顶天线的小型化和边缘覆盖效果增强。使单锥天线带内最大辐射方向始终靠近水平方向，由于竖直面波束宽度较宽，增益在偏离最大辐射方向后缓慢下降，这样低仰角方向增益仍能保持较高值，从而保证全频段内覆盖范围大致相同。

本实用新型设计实现了室内吸顶天线在0.80-2.70GHz超宽频带内良好的阻抗匹配、理想全向性、垂直极化、边缘覆盖效果增强、带内覆盖范围一致、高效率，以及小尺寸和低剖面，是一种适合室内覆盖的理想单极化全向天线方案。另外，该方法还具有思路新颖、原理清晰、方法普适、实现简单等特点，对于双极化吸顶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(a)为常规单锥全向吸顶天线的几何模型的正视图；

图2(b)为常规单锥全向吸顶天线的几何模型的立体图；

图3(a)为本实用新型中构建锥体结构的直角多边形板示意图；

图3(b)为该直角多边形板弯折示意图；

图3(c)为本实用新型中锥体结构由图3(b)的两个弯折多边形板+45°斜向对称构建的示意图；

图3(d)为由图3(c)加厚所得的锥体结构示意图；

图4(a)为本实用新型中直角加载单元的俯视图；

图4(b)为本实用新型中直角加载单元的立体图；

图5(a)为本实用新型中直角加载单元加载于锥体结构时的立体图；

图5(b)为本实用新型中直角加载单元加载于锥体结构时的俯视图；

图6(a)为本实用新型中设有直角加载单元和水平短桩的单锥单元的透视图；

图6(b)为本实用新型中设有直角加载单元和水平短桩的单锥单元的立体图；

图7(a)为本实用新型中四个单锥单元排布一起并加载水平短桩的正视图；

图7(b)为本实用新型中四个单锥单元排布一起并加载水平短桩的俯视图；

图8(a)为本实用新型中馈电底座的俯视图；

图8(b)为本实用新型中馈电底座的透视图；

图8(c)为本实用新型中四个单锥单元排布连接于馈电底座的俯视图；

图9(a)为本实用新型中短桩阵列的俯视图；

图9(b)为本实用新型中短桩阵列的侧视图；

图9(c)为本实用新型中短桩阵列的立体图；

图9(d)为本实用新型中短桩阵列设置于地板并设有所述馈电底座的俯视图；

图10(a)为本实用新型室内全向吸顶天线的完整模型图的透视图；

图10(b)为本实用新型室内全向吸顶天线的完整模型图的正视图；

图10(c)为本实用新型室内全向吸顶天线的完整模型图的俯视图；

图11为本实用新型室内全向吸顶天线输入阻抗Z_in频率特性曲线；

图12为本实用新型室内全向吸顶天线的反射系数|S₁₁|曲线；

图13为本实用新型室内全向吸顶天线的驻波比VSWR曲线；

图14为本实用新型室内全向吸顶天线的各频点E-面(竖直面)归一化增益方向图；

图15(a)～15(c)为本实用新型室内全向吸顶天线的各频点在不同Theta值处的H-面(方位面)归一化增益方向图；

图16为本实用新型室内全向吸顶天线的带内E-面半功率波束宽度随频率f变化曲线；

图17为本实用新型室内全向吸顶天线的最大增益仰角随频率f变化曲线；

图18为本实用新型室内全向吸顶天线的最大增益随频率f变化曲线；

图19为本实用新型室内全向吸顶天线的效率η_A随频率f变化曲线。

【具体实施方式】

请参阅图1、图3(a)～10(c)，本实用新型旨在为蜂窝移动通信的室内分布式系统提供一种全频段、全向性、边缘增益增强、带内覆盖范围一致、高效率、小型化、低剖面、低成本的单极化全向吸顶天线，并为室内双极化吸顶天线优化设计提供有效的参考方法。

本实用新型室内全向吸顶天线包括四个分体式设置并沿圆周排列的单锥单元200，以及连接该四个单锥单元的馈电底座300，每个所述单锥单元包括有锥体结构210，该锥体结构包括两个镜像对称设置并连接的锥壁，如图3(a)所示，每个锥壁由直角多边形板沿平行直角边方向二次90°弯折和一次45°弯折成型，该直角多边形板斜面为连续变化的非直线，该直角多边形板包括有突片231，该直角多边形板沿平行直角边方向的45°弯折在突片处发生，两个锥壁沿该直角边连接一体，两个锥壁弯折后顶端围合成有开口的四边形，该四个单锥单元几何结构关于±45°斜线对称设置。该锥体结构的锥壁顶端设有凹陷211，该凹陷结构可延长电流路径，从而降低工作频率。

该单锥单元200还包括直角加载单元220，该直角加载单元包括两个加载片221，该加载片竖直放置并作蛇形弯折，其弯折外轮廓为等边直角三角形，两个弯折的加载片沿该直角三角形的斜边镜像对称设置，该直角加载单元220加载在所述锥体结构210的顶端，并且两者顶端平齐，在该锥体结构210的外侧对角点部分连接在一起，如图5(b)所示，连接处位于该突片231。该顶端加载结构主要作用是降低工作频率，也可使最大辐射偏向低仰角方向。

该锥体结构210的两侧边缘上加载有多个水平短桩212，其宽度沿竖直设置，并横向交错加载在该锥体结构210两侧边缘的不同高度位置。该多个水平短桩的长度不同，根据需要，设置为由上而下所排布的水平短桩212的长度逐渐减小，如6(a)和6(b)所示。

请参阅图8(a)～8(c)，该馈电底座300为倒圆台体，其顶部开设有十字型凹槽310，该四个单锥单元连接于该十字型凹槽，该馈电底座中心有上下贯穿的圆孔320，馈电线缆内导体穿过该圆孔连接于馈电底座上表面。

该室内全向吸顶天线进一步包括有地板400，该地板中间设有馈电孔，该馈电底座300以及单锥单元200设置于地板400上，并且该地板、馈电底座、四个单锥单元的中心重合。

请参阅图9(a)～9(d)，该地板上加载有L形短桩420，该L形短桩底部通过加载环410连接为短桩阵列。所述L形短桩数量N≥3(N＝3,4,5,6,7,8,....)，并均匀排布在加载环上，短桩呈倒L形，顶部朝内弯折，底部则通过加载环连接为一体。本实施例中，该地板400为圆形，该加载环410为圆环形。

在地板和馈电底座之间还设有绝缘垫块。

本实用新型室内全向吸顶天线的馈电线缆500采用50Ω馈电同轴线穿过地板馈电孔后，其外导体连接地板400，内导体510则朝上穿过绝缘垫块和馈电底座300，并在顶端与馈电底座连接，如图10(b)所示。该馈电线缆采用SMA、BNC、TNC、N型连接头的50Ω标准同轴线。

该地板400、绝缘垫块、短桩阵列、馈电底座300、馈电线缆500、四个单锥单元200的中心重合，从而保证带内方向性一致圆对称。

该单锥单元200、直角加载单元220、水平短桩212、地板400、L形短桩420和馈电底座300均选用金属良导体材料，如紫铜(纯铜)、合金铜(如黄铜)、纯铝等。该绝缘垫块材料为PVC、PC、ABS、PTFE等常见介质材料。

请结合参阅图1、图3(a)～10(c)，该室内全向吸顶天线构建的方式采用图1所示的直角坐标系定义来建立模型，具体为，

步骤一，在水平面XOY建立直角坐标系，见图1；

步骤二，在XOZ平面，直角三角形加载片，也就是所述直角多边形板，在斜边进行连续弯折赋形，并使顶部直角边部分朝下凹陷，以延长电流路径，从而降低工作频率，如图3(a)所示；然后，将加载片朝内连续两次90°弯折和一次45°弯折，弯折好后沿着+45°方向进行斜向镜像对称复制并将两部分合并，如图3(b)、3(c)所示，再将加载片变成有一定厚度的锥体单元，如图3(d)所示，也就是构建了所述锥体结构210；

步骤三，在XOY平面，将一个长宽厚分别为L_s×W_s×T_s的加载片221直立放置，宽度在Z轴方向，长度和厚度则分别在X轴和Y轴方向；将加载片沿长度方向连续弯折多次，构造成一个斜边平行于+45°方向的直角三角形，然后沿+45°方向进行对称复制并合并为一个直角加载单元220，见图4(a)、4(b)所示；

步骤四，将步骤三和步骤二的坐标系对齐，然后将步骤三的直角加载单元220水平放置到步骤二的锥体结构210顶端，使两者的顶部位置保持平齐，他们的外侧对角点部分则连接在一起，见图5(a)、5(b)所示，这种顶端加载主要作用是降低工作频率，也可使最大辐射偏向低仰角方向；

步骤五，在步骤四的顶端加载了直角加载单元220的锥体结构210两侧边缘上，交错加载长度依次增大的四个水平短桩212，短桩宽度在竖直方向上，如图6(a)、6(b)所示，构建成单锥单元200；

步骤六，将步骤五的单锥单元200变成沿圆周排列的四单元阵列，即分体式四单元锥体，如图7(a)、7(b)所示；

步骤七，设计一个倒圆台体的馈电底座300，以便将步骤六的分体式四单元锥体在它们的底部连接为一体；馈电底座300顶部开有十字型凹槽310，中心有上下贯穿的圆孔320，以便馈电线缆500内导体510穿过，如图8(a)、8(b)所示；

步骤八，将步骤七的馈电底座的十字型凹槽310朝上，扣入步骤六的四单元锥体底部并将两者连接为一体，如图8(c)所示；

步骤九，在加载环410上设置L形短桩420从而构建一个朝内弯折的L形短桩阵列，并将它变成沿圆周排列，再将其同心放置于圆形地板400上表面，如图9(a)、9(b)和9(c)所示；

步骤十，在圆形地板400中心开一馈电孔，50Ω同轴馈电线缆500穿过后，其外导体焊接在地板400上，内导体510则朝上延伸并依次穿过绝缘垫和步骤七的馈电底座中心圆孔320，将其焊接到馈电底座400上表面。至此，整个天线的所有部件都组合倒一起了，如图10(a)、10(b)和10(c)所示。

本实用新型室内全向吸顶天线的所述结构通过1)将常规圆形单锥设计成边缘赋形分体式四单元单锥单元；2)在单锥单元的锥体结构顶部设置直角加载单元；3)在单锥单元侧边加载水平短桩；4)在地板加载倒L形短桩阵列；从而获得了：一、优于常规单锥全向吸顶天线的宽带性，0.80-2.70GHz频带内VSWR≤1.90，(高频VSWR≤1.43)；二、理想的全向性，带内各仰角不圆度小于0.9dBi；三、边缘增益增强、带内覆盖一致性(增益低频、高频分别为2dBi和2.25-3.50dBi；低频增益仰角θ＝72°-83°，半功率波宽HPBW＝104°-110°；高频增益仰角θ＝40°-49°，半功率波宽HPBW＝40°-58°)；四、较小的剖面高度及总体尺寸(地板直径-0.48·λ_L×单锥宽度-0.184·λ_L×高度-0.192·λ_L)；五、接近于理想100％的工作效率(η_A≥99％)。

请参阅下表。表1为各频点在不同仰角θ下的相对增益值(归一化到最大值)。由表知，在最大辐射角两侧，高低频增益均缓慢下降且基本对称，中低频的低仰角方向增益值仍较高，最高频率则稍低。

表1.各频点在不同θ值处的相对增益值(归一化到最大值)

图11为本实用新型室内全向吸顶天线输入阻抗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。

图12为本实用新型室内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(|S₁₁|≤-10.13dB，0.80-0.96GHz频段内，|S₁₁|≤-14.95dB)。

图13为本实用新型室内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(VSWR≤1.90，0.80-0.96GHz频段内，VSWR≤1.44)。

图14为本实用新型室内全向吸顶天线的各频点E-面(竖直面)归一化增益方向图；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，点划线线表示f₄＝2.70GHz。由图知，低频最大方向出现在Theta＝72°-83°，高频则出现在Theta＝40°-49°；全频段内具有理想的半波阵子方向图。

图15为本实用新型室内全向吸顶天线的各频点在不同Theta值处的H-面(方位面)归一化增益方向图；其中，实线表示f₁＝0.8GHz，虚线表示f₂＝1.71 GHz，点线表示f₃＝2.30GHz，点划线线表示f₄＝2.70GHz。图15(a)表示Theta＝30°，图15(b)表示Theta＝60°，图15(c)表示Theta＝85°。由图知，Theta＝30°、60°和85°的不圆度分别在0.25dB、0.40dB、0.90dB以内，各仰角均能很好地满足全向性的要求。

图16为本实用新型室内全向吸顶天线的带内E-面半功率波束宽度随频率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，低频波束宽度在104°-110°，高频在40°-58°。

图17为本实用新型室内全向吸顶天线的最大增益仰角随频率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，低频最大增益仰角Theta＝72°-83°，高频最大增益仰角Theta＝40°-49°。

图18为本实用新型室内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≈2dBi，高频增益G＝2.25-3.5dBi。

图19为本实用新型室内全向吸顶天线的效率η_A随频率f变化曲线。整个带内天线效率接近于理想的100％(≥99％)。

以上数据及图表均可证明本实用新型全向吸顶天线的全频段、全向性、边缘增益增强、带内覆盖范围一致、高效率、小型化、低剖面、低成本等优点。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，本实用新型的保护范围并不局限于此，任何基于本实用新型技术方案上的等效变换均属于本实用新型保护范围之内。