邊緣覆蓋增強型單極化全向吸頂天線的製作方法
2023-09-18 00:57:55
本發明涉及天線領域，特別是涉及一種邊緣覆蓋增強型單極化全向吸頂天線。
背景技術：
：目前，人類已經全面進入資訊時代，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。室外宏基站由於考慮覆蓋範圍、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，以實現廣域信號連續覆蓋，卻難以對建築物內部進行深度、精確覆蓋。自然地，人們將室外基站小型化後部署於樓宇內部各處，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(GSM2G/CDMA-3G/LTE-4G)、全頻段(800-960MHz/1710-2700MHz)，而且水平面需覆蓋較大區域。受制於安裝位置，室分天線通常有定向壁掛和全向吸頂兩大類。由於實現多頻段技術上難度很大，兩類天線通常設計成寬頻帶。吸頂天線安裝於天花板，要求方向圖在不同仰角的方位面內必須是均勻全向的，且低俯角方向仍需保持較高增益，這樣才能保證較大的覆蓋範圍。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幾何形狀，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，由於單錐天線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，而低頻最大輻射方向則恰好在水平方向。這會造成低頻覆蓋範圍寬、高頻覆蓋範圍小的現象。雖然，通過增加網絡部署密度可以使高低頻覆蓋範圍較為一致，但是建設成本會成倍增加。因此，增強全向吸頂天線的邊緣覆蓋效果成為解決問題的關鍵。如圖2和圖3所示，常規全向吸頂天線採用平直圓盤地板2、杯狀錐體1和短路枝條3，其低仰角增益低、不圓度差。技術實現要素：本發明提供一種邊緣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邊緣覆蓋效果差的問題。為解決上述技術問題，本發明採用的一個技術方案是：提供一種邊緣覆蓋增強型單極化全向吸頂天線，該天線包括地板和單錐輻射體，其中所述地板為以其中心線為軸線的迴轉體；所述單錐輻射體設置在所述地板上，所述單錐輻射體和所述地板的中心線重合，所述單錐輻射體包括十字交叉的第一薄片和第二薄片，所述第一薄片和所述第二薄片的中心重合，所述第一薄片的形狀呈軸對稱圖形，其兩側邊設有多個彎折而形成階梯狀，所述第一薄片的寬度朝地板方向逐漸減小，所述第二薄片的兩側的形狀與所述第一薄片的兩側的形狀相同。其中，所述第一薄片/所述第二薄片的靠近所述地板的一端為第一端，遠離所述地板的一端為第二端，所述第一薄片的第二端向內凹陷形成兩個對稱的第一凹槽，所述第二薄片的第二端向內凹陷形成兩個對稱的第二凹槽，所述第一凹槽和所述第二凹槽相同。其中，所述第一薄片的第二端的中點處開設有第一縫隙，所述第一縫隙垂直於所述地板，所述第一縫隙的寬度不小於所述第二薄片的厚度；所述第一薄片的第一端的中點處開設有第二縫隙，所述第二縫隙垂直於所述地板；所述第二薄片的第一端的中點處開設有第三縫隙，所述第三縫隙垂直於所述地板，所述第三縫隙的寬度不小於所述第一薄片的厚度；所述第二薄片插入所述第一縫隙中，所述第一薄片的所述第一縫隙和所述第二縫隙之間部位則位於所述第三縫隙中。其中，從所述第一薄片的第一端到第二端，側邊的彎折依次包括：兩個直角彎折、六個鈍角彎折、兩個直角彎折和兩個鈍角彎折。其中，所述地板包括依次連接的多個圓臺，所述圓臺的中心設有饋電孔，以供同軸電纜穿過。其中，所述地板包括依次堆疊的第一圓臺、第二圓臺、第三圓臺和第四圓臺，所述第一圓臺的頂面的直徑大於所述第二圓臺的底面的直徑，所述第二圓臺的頂面的直徑大於所述第三圓臺的底面的直徑，所述第三圓臺的頂面的直徑等於所述第四圓臺的底面的直徑，所述第三圓臺的側面與底面之間的夾角大於所述第四圓臺的側面與底面之間的夾角。其中，所述第一圓臺的底部還設有圓盤介質板，所述圓盤介質板與所述地板同心，所述圓盤介質板的底部平整。其中，所述圓盤介質板的製作材料選自PVC、PC、ABS和PTFE中的至少一種。其中，所述地板上方依次堆疊有金屬圓環和介質圓環，所述金屬圓環和所述介質圓環與所述饋電孔同心，所述金屬圓環的頂面與所述同軸電纜的外導體連接，所述同軸電纜的內導體則穿過所述介質圓環與所述但椎體連接。其中，所述地板和所述單錐輻射體的製作材料選自紫銅、合金銅和純鋁中的至少一種。本發明的有益效果是：區別於現有技術的情況，本發明通過將單錐輻射體的十字交叉的第一薄片和第二薄片的兩側設置了彎折形成階梯狀，從而獲得了邊緣覆蓋效果增強的天線，獲得了優於常規單極化全向吸頂天線的寬帶性、全向性和帶內覆蓋一致性。同時還實現了天線的高效率、小型化和低成本。附圖說明為了更清楚地說明本發明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發明的一些實施例，對於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為天線模型所採用的直角坐標系定義的示意圖。圖2是現有技術的規全向吸頂天線的正視圖；圖3是圖2的側視圖；圖4是本發明邊緣覆蓋增強型單極化全向吸頂天線的第一薄片的正視圖；圖5是圖4的側視圖；圖6是本發明邊緣覆蓋增強型單極化全向吸頂天線的第二薄片的正視圖；圖7是圖6的側視圖；圖8是本發明邊緣覆蓋增強型單極化全向吸頂天線的單錐輻射體的正視圖；圖9是圖8的側視圖；圖10是圖8的俯視圖；圖11是本發明邊緣覆蓋增強型單極化全向吸頂天線的地板的表面輪廓圖；圖12是本發明邊緣覆蓋增強型單極化全向吸頂天線的地板的剖面圖；圖13是本發明邊緣覆蓋增強型單極化全向吸頂天線的地板、金屬圓環、介質圓環及同軸電纜裝配後的剖面圖；圖14是圖13的A區域的放大圖；圖15是本發明邊緣覆蓋增強型單極化全向吸頂天線的正視圖；圖16是圖15的側視圖；圖17為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。由圖知，天線具有明顯的寬帶阻抗特性；圖18為增強型單極化全向吸頂天線的反射係數|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(0.80-0.96GHz頻段內，|S11|≤-13.19dB；171-2.70GHz頻段內，|S11|≤-16.13dB)；圖19為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(0.80-0.96GHz頻段內，VSWR≤1.56；1.71-2.70GHz頻段內，VSWR≤1.37)；圖20為增強型單極化全向吸頂天線各頻點歸一化E-面(豎直面)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，點劃線表示f4＝2.70GHz。由圖知，低頻最大方向出現在Theta＝79°-87°，高頻則出現在Theta＝65°-79°；全頻段內具有理想的豎直半波振子方向圖；圖21、圖22和圖23為增強型單錐全向吸頂天線各頻點在Theta＝30°、60°和85°歸一化H-面(方位面)增益方向圖。其中，圖21、圖22和圖23分別表示Theta＝30°、Theta＝60°、Theta＝85°；實線表示f1＝0.8GHz，虛線表示f2＝1.71GHz，點線表示f3＝2.30GHz，點劃線表示f4＝2.70GHz。由圖知，各仰角面不圓度均小於0.14dB，說明方位面具有良好的全向性和均勻性；圖24為增強型單極化全向吸頂天線E-面半功率波束寬度HBPW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，低頻波束寬度為102.1°-108.6°，高頻為43.6°-64.6°；圖25為增強型單極化全向吸頂天線最大增益的仰角Theta(θ)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)是角度，單位是度(deg)。由圖知，低頻最大增益仰角Theta＝79°-87°，高頻最大增益仰角Theta＝65°-79°；圖26為增強型單極化全向吸頂天線的最大增益隨頻率f變化曲線。由圖知，低頻增益G＝1.26-1.42dBi，高頻增益G＝2.08-4.34dBi；圖27為增強型單極化全向吸頂天線的效率ηA隨頻率f變化曲線，帶內天線效率接近於理想的100％(≥95％)。具體實施方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明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發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，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，都屬於本發明保護的範圍。請參閱圖圖15和圖16，本發明提供了一種邊緣覆蓋增強型單極化全向吸頂天線，該天線包括地板和單錐輻射體。其中，地板3為以其中心線為軸線的迴轉體。單錐輻射體設置在所述地板3上，所述單錐輻射體和所述地板3的中心線重合，所述單錐輻射體包括十字交叉的第一薄片1和第二薄片2，所述第一薄片1和所述第二薄片2的中心重合，所述第一薄片1呈軸對稱圖形，其兩側邊設有多個彎折而形成階梯狀，所述第一薄片1的寬度朝地板方向逐漸減小，所述第二薄片2的兩側的形狀與所述第一薄片1的兩側的形狀相同。具體而言，第一薄片1和第二薄片2的外周輪廓形狀相同，整體上呈倒置的等腰梯形的形狀，等腰梯形的兩個腰經多次彎折形成階梯，例如，本實施例中，等腰梯形的兩個腰經過了12次彎折形成了階梯。區別於現有技術，區別於現有技術的情況，本發明通過將單錐輻射體的十字交叉的第一薄片1和第二薄片2的兩側設置了彎折形成階梯狀，從而獲得了邊緣覆蓋效果增強的天線，獲得了優於常規單極化全向吸頂天線的寬帶性、全向性和帶內覆蓋一致性。同時還實現了天線的高效率、小型化和低成本。具體而言，如圖4至圖7，本實施例中的第一薄片1和第二薄片2的靠近所述地板3的一端為第一端，遠離所述地板的一端為第二端。所述第一薄片1的第二端向內凹陷形成兩個對稱的第一凹槽11，所述第二薄片2的第二端向內凹陷形成兩個對稱的第二凹槽21，所述第一凹槽11和所述第二凹槽21相同。本實施例中，第一凹槽11和第二凹槽21的深度較深，例如，第一凹槽11的深度為第一薄片1的高度的1/2。當然，在其它實施例中，第一凹槽11也可以是其它深度。第一薄片1的第二端的中點處開設有第一縫隙12，所述第一縫隙12垂直於所述地板3，即第一縫隙12為縱向的縫隙，其與第一薄片1的對稱軸重合，所述第一縫隙12的寬度不小於所述第二薄片2的厚度。具體地，本實施例中，第一縫隙12的寬度等於第二薄片2的厚度。所述第一薄片1的第一端的中點處開設有第二縫隙13，所述第二縫隙13垂直於所述地板3，第二縫隙13也是縱向的縫隙，也與第一薄片1的對稱軸重合。本實施例中，第一縫隙12和第二縫隙13的開設相當於在一個等腰梯形的頂邊和底邊的中間均開設有縫隙，第一縫隙12和第二縫隙13位於同一條直線上，且第一縫隙12和第二縫隙13並不相接。所述第二薄片2的第一端的中點處開設有第三縫隙22，所述第三縫隙22垂直於所述地板3，該第三縫隙22也是縱向的縫隙，其與第二薄片2的對稱軸重合，所述第三縫隙22的寬度不小於所述第一薄片1的厚度，具體地，本實施例中的第三縫隙22的寬度等於第一薄片1的厚度。安裝的時候，所述第二薄片2插入所述第一縫隙12中，所述第一薄片1的所述第一縫隙12和所述第二縫隙13之間部位則位於所述第三縫隙22中。具體地，第一薄片1的第一縫隙12的底部與第二薄片2的第三縫隙22的頂部接觸。第一薄片1的第一端和第二薄片2的第一端平齊，第一薄片1的第二端和第二薄片2的第二端平齊。第二縫隙13和第三縫隙22的下部圍成一個柱狀的空間，同軸電纜7的內導體伸入到該空間的最頂端，且該內導體的側面與第二縫隙13和第三縫隙22的側壁焊接為一體，如圖8至圖10所示。請繼續參閱圖4和圖6，本實施例的單錐輻射體中，從所述第一薄片1的第一端到第二端，側邊的彎折依次包括：兩個直角彎折、六個鈍角彎折、兩個直角彎折和兩個鈍角彎折。第二薄片兩個側邊的彎折情況與第一薄片的彎折情況相同，角度也相同。實際上，第一薄片1和第二薄片2僅僅是在對稱軸上所開設的縫隙不同，其餘如形狀和大小均相同。所述地板3包括依次連接的多個圓臺，如圖13至圖16所示，所述圓臺的中心設有饋電孔31，以供同軸電纜7穿過。由於第一薄片1和第二薄片2的對稱軸即單錐輻射體的中心線，因而，位於對稱軸上的第二縫隙13和所述第三縫隙22即位於單錐輻射體的中心線上，即，第二縫隙13和第三縫隙22與饋電孔31對應。舉例而言，本實施例的地板3包括依次堆疊的第一圓臺、第二圓臺、第三圓臺和第四圓臺，所述第一圓臺位於底部，第一圓臺的頂面的直徑大於所述第二圓臺的底面的直徑，因而在第一圓臺和第二圓臺之間形成了臺階。所述第二圓臺位於第一圓臺之上，第二圓臺的頂面的直徑大於所述第三圓臺的底面的直徑，因而在第二圓臺和第三圓臺之間形成了臺階。所述第三圓臺的頂面的直徑等於所述第四圓臺的底面的直徑，第三圓臺的側面與底面之間的夾角大於所述第四圓臺的側面與底面之間的夾角。具體地，地板3整體呈類似於圓臺的形狀，而圓臺的側面經過其次彎折賦形而形成了階梯狀，因而表現為多個圓臺堆疊的形狀，且多次彎折均為鈍角彎折。本實施例的所述地板3和所述單錐輻射體的製作材料選自紫銅、合金銅和純鋁中的至少一種，且均採用CNC或壓鑄工藝一體成型。在地板3的底部，即第一圓臺的底部還設有圓盤介質板4，所述圓盤介質板4與所述地板同心，所述圓盤介質板4的底部平整，以方便安裝。該圓盤介質板4的製作材料選自PVC、PC、ABS和PTFE中的至少一種。地板3上方依次堆疊有金屬圓環5和介質圓環6，所述金屬圓環5和所述介質圓環6與所述饋電孔31同心，所述金屬圓環5的頂面與所述同軸電纜7的外導體連接，所述同軸電纜7的內導體則穿過所述介質圓環6與所述單椎體連接。具體地，同軸電纜7從饋電孔31穿過之後，其外導體延伸至金屬圓環5的頂面並連接在金屬圓環5頂面上，其內導體則穿過金屬圓環5，再穿過介質圓環6，向上延伸至第一薄片1的第二縫隙13與第二薄片2的第三縫隙22的最頂端，並與第二縫隙13的側面以及第三縫隙22的側面焊接為一體。本實施例的天線採用帶SMA、BNC、TNC、N型等常見連接頭的50Ω標準同軸電纜7。具體而言，本發明中的單錐輻射體、地板3、金屬圓環5、介質圓環6、圓盤介質板4和同軸電纜7的中心線重合，從而保證帶內方向圖一致。以下為本發明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發明的結構。該設計方法包括以下步驟：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，將一個頂邊朝下的等腰梯形邊緣進行折線賦形，形成一個左右對稱、兩腰連續十二次彎折、底邊兩側朝內開深的凹槽、頂底邊中心開長縱縫的賦形等腰梯形。然後，將其變成有一定厚度的第一薄片1，見圖4和圖5。步驟三，按照步驟二所述方法，構造一個頂邊開長縱縫的賦形等腰梯形，並變成同樣厚度的第二薄片2，見圖6和圖7。步驟四，將步驟二、三的賦形梯形十字正交、中心重合放置，兩個縱縫剛好吻合，組成十字交叉單錐體，見圖8、圖9和圖10。步驟五，將一錐頂朝上、中心開有圓孔的圓臺面母線進行折線賦形，形成一個左右對稱、母線連續七次彎折賦形圓錐面。然後，將其變成有一定厚度的金屬薄片，從而形成地板3，見圖11和圖12。步驟六，在步驟五的地板3的中心圓孔上，依次同心疊放一個金屬圓環5、介質圓環6。然後，將一根50Ω同軸電纜7自下而上穿過圓孔，外導體延伸至金屬圓環5頂面，內導體則穿過介質圓環6，如圖13和圖14所示。步驟七，將步驟四的十字交叉單錐輻射體直立於步驟六的地板3的中心圓孔正上方，然後緩慢放下使同軸電纜7的內導體深入至底邊狹縫的最頂端，最後在狹縫側面將其與同軸電纜7焊接為一體，見圖15和圖16。步驟八，在地板3底部同心放置一塊等直徑的圓盤介質板4，使其底部平直以方便安裝，如圖16所示。請參閱圖17至圖27以及表1，其中：圖17為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。由圖知，天線具有明顯的寬帶阻抗特性；圖18為增強型單極化全向吸頂天線的反射係數|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(0.80-0.96GHz頻段內，|S11|≤-13.19dB；171-2.70GHz頻段內，|S11|≤-16.13dB)；圖19為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(0.80-0.96GHz頻段內，VSWR≤1.56；1.71-2.70GHz頻段內，VSWR≤1.37)；圖20為增強型單極化全向吸頂天線各頻點歸一化E-面(豎直面)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，點劃線表示f4＝2.70GHz。由圖知，低頻最大方向出現在Theta＝79°-87°，高頻則出現在Theta＝65°-79°；全頻段內具有理想的豎直半波振子方向圖；圖21、圖22和圖23為增強型單錐全向吸頂天線各頻點在Theta＝30°、60°和85°歸一化H-面(方位面)增益方向圖。其中，圖21、圖22和圖23分別表示Theta＝30°、Theta＝60°、Theta＝85°；實線表示f1＝0.8GHz，虛線表示f2＝1.71GHz，點線表示f3＝2.30GHz，點劃線表示f4＝2.70GHz。由圖知，各仰角面不圓度均小於0.14dB，說明方位面具有良好的全向性和均勻性；圖24為增強型單極化全向吸頂天線E-面半功率波束寬度HBPW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，低頻波束寬度為102.1°-108.6°，高頻為43.6°-64.6°；圖25為增強型單極化全向吸頂天線最大增益的仰角Theta(θ)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)是角度，單位是度(deg)。由圖知，低頻最大增益仰角Theta＝79°-87°，高頻最大增益仰角Theta＝65°-79°；圖26為增強型單極化全向吸頂天線的最大增益隨頻率f變化曲線。由圖知，低頻增益G＝1.26-1.42dBi，高頻增益G＝2.08-4.34dBi；圖27為增強型單極化全向吸頂天線的效率ηA隨頻率f變化曲線，帶內天線效率接近於理想的100％(≥95％)。表1是各頻點在不同值θ的增益(f-GHz，G-dBi)。fGθGmθ＝30°θ＝45°θ＝60θ＝75°θ＝85°0.801.4287°-4.68-2.05-0.71-0.13-0.000.961.2680°-4.00-1.51-0.38-0.02-0.021.712.0868°-4.12-1.56-0.19-0.16-0.911.902.8477°-10.47-5.45-1.40-0.02-0.302.173.5477°-13.49-6.58-1.53-0.02-0.302.303.6073°-9.65-4.72-0.93-0.01-0.592.493.8868°-7.55-3.31-0.40-0.22-1.272.704.3465°-6.86-2.82-0.15-0.66-2.35表1.各頻點在不同值θ的增益(f-GHz，G-dBi)由表1可知，高頻最大輻射指向低仰角方向(θ＝90°)；在θ＝85°處增益G＝1.17-3.24dBi，邊緣增強效果十分顯著。結合圖17至圖27以及表1可知，通過對十字交叉單錐輻射體和地板3進行特殊的連續幾何彎折賦形，從而獲得了：一、優於常規單錐全向吸頂天線的寬帶性；二、優於常規單錐全向吸頂天線的全向性；三、優於常規單錐全向吸頂天線邊緣覆蓋效果增強和帶內覆蓋一致性。該邊緣覆蓋增強型單極化全向吸頂天線在0.80-2.70GHz頻帶內獲得了良好的阻抗匹配(低頻VSWR≤1.56，高頻VSWR≤1.37)、理想的全向性(不圓度小於0.15dB)、較高的增益(低頻1.26-1.42dBi，高頻2.08-4.34dBi)、邊緣覆蓋增強(θ＝85°增益G＝1.17-3.24dBi)、很高的效率(ηA≥95％)和較小的尺寸(直徑-0.507·λL×高度-0.280·λL)。以上所述僅為本發明的實施方式，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明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：
，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。當前第1頁1 2 3