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CN116914427B - 一种应用于室分系统的超宽带低剖面垂直极化全向天线 - Google Patents

一种应用于室分系统的超宽带低剖面垂直极化全向天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种应用于室分系统的超宽带低剖面垂直极化全向天线，包括金属地板、辐射臂和金属圆盘，辐射臂包括呈辐射状交替排布的波折型辐射臂和长直型辐射臂，辐射臂的顶部与金属圆盘固定连接；波折型辐射臂的外端与金属地板相连，外端以内的部分悬空于金属地板上方。本发明天线的波折型辐射臂与顶部的金属圆盘结合，降低了天线剖面高度；长直型辐射臂可以产生高频点处的谐振点，与波折型辐射臂产生的谐振点结合，拓展了天线的带宽；金属地板上蚀刻六个弧形槽，可以改善高频点处辐射性能，从而保证了天线在整个工作频段内方向图的稳定性；金属地板的最外端向上向内弯折，在实现低剖面并且不影响天线性能的同时减小天线的平面尺寸。

Description

一种应用于室分系统的超宽带低剖面垂直极化全向天线
技术领域
本发明具体涉及天线技术领域，尤其涉及一种应用于室分系统的超宽带低剖面垂直极化全向天线。
背景技术
在当前移动通信中，人们对室内基站的需求在不断增加，室内通信已经成为日常生活的主要通信场景之一。其中，能够实现360°信号全覆盖的全向天线是室内基站的首选。随着5G开始大规模商用，5G天线的应用变得普遍。同时，2G/3G/LTE频段在通信技术演进过程中仍然发挥着重要作用。因此，开发同时覆盖2G/3G/LTE/5G频段的天线具有很好的应用前景。1.7 ~ 2.7 GHz频段是4G LTE (long-term evolution)网络的重要应用，在基站天线设计中备受关注。此外，N78 (3.3 - 3.8 GHz)和N79 (4.8 - 5 GHz)是5G通信部署和测试的主要频段。由于室内分布全向天线安装在室内的天花板上，较低的剖面有利于节省空间，同时也更加美观。因此，迫切需要能够同时覆盖上述三个频段的低剖面的室内分布天线。
传统的室内分布全向天线主要分为单极化全向天线和双极化全向天线，单极化全向天线通常以垂直极化为主，这是因为垂直极化波在陆地移动通信中更容易在起伏的地形上传播，从而大大降低能量衰减。目前，垂直极化天线多由单极子天线或锥形天线来实现，剖面尺寸大，生产制造成本高。此外，对于超宽带全向天线，在高频点处方向图恶化是一种常见的问题。
经检索发现，中国发明专利CN109687132A公开了一种低剖面垂直极化超宽带全向天线，其包括：若干三角形金属片、短路金属柱、圆形金属片、矩形接地板及同轴馈电部分。该垂直极化全向天线的剖面高度为0.128λ low （λ low 为在天线的最低工作频率处自由空间中的波长），在高频点处，水平面方向图出现严重恶化，不圆度大于5dB。
发明内容
本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺陷，提出一种应用于室分系统的超宽带低剖面垂直极化全向天线，有效解决了现有超宽带垂直极化全向天线剖面尺寸较大和高频点处方向图恶化的问题。
为实现本发明目的，本发明提出的应用于室分系统的超宽带低剖面垂直极化全向天线，包括金属圆盘、辐射臂和金属地板，一SMA头从金属地板中央孔向上插入，SMA头的内导体与辐射臂的内端相连，SMA头的外导体与金属地板相连，所述金属圆盘通过辐射臂架空地支撑于金属地板上方，其特征在于：所述辐射臂包括呈辐射状交替排布的长直型辐射臂和波折型辐射臂；所述长直型辐射臂的外端与金属圆盘固定连接；所述波折型辐射臂的顶部与金属圆盘固定连接，波折型辐射臂的外端底部与金属地板相连，波折型辐射臂外端以内的部分悬空于金属地板上方。
本发明应用于室分系统的超宽带低剖面垂直极化全向天线中，波折型辐射臂和顶部的金属圆盘的结合降低了天线高度以满足低剖面的应用需求，其剖面高度仅为最低工作频率处真空波长的5.4%；长直型辐射臂可以产生高频点处的谐振点，与波折型辐射臂产生的谐振点结合，拓展了天线的带宽；此外辐射臂还作为顶部金属圆盘的支撑部件。
本发明中的金属地板上蚀刻有六个弧形槽，可以用来改善超宽带天线在高频点处出现的辐射性能恶化的问题，从而保证了天线在整个工作频段内方向图的稳定性；金属地板的最外端向上向内弯折，可以在实现低剖面并且不影响天线性能的同时减小天线的平面尺寸。
此外，本发明还要求保护一种天线，其特征在于：包括上述一种应用于室分系统的超宽带低剖面垂直极化全向天线。
附图说明
图1为本发明涉及的一种应用于室分系统的超宽带低剖面垂直极化全向天线的结构透视图；
图2为本发明涉及的一种应用于室分系统的超宽带低剖面垂直极化全向天线的正视图；
图3为本发明涉及的一种应用于室分系统的超宽带低剖面垂直极化全向天线的金属地板的俯视图；
图4为本发明涉及的一种应用于室分系统的超宽带低剖面垂直极化全向天线的反射系数以及增益曲线图；
图5为本发明涉及的一种应用于室分系统的超宽带低剖面垂直极化全向天线在2.2GHz频点处的方向图；
图6为本发明涉及的一种应用于室分系统的超宽带低剖面垂直极化全向天线在3.5GHz频点处的方向图；
图7为本发明涉及的一种应用于室分系统的超宽带低剖面垂直极化全向天线在4.8GHz频点处的方向图；
附图中，1-金属圆盘；2-辐射臂；3-金属地板；21-波折型金属臂；22-长直型金属臂；31-弧形槽；32-中央孔。
具体实施方式
下面结合附图详细的描述本发明的作进一步的解释说明，以使本领域的技术人员可以更深入地理解本发明并能够实施，但下面通过参考实例仅用于解释本发明，不作为本发明的限定。
如图1至图3所示，为本发明涉及的一种应用于室分系统的超宽带低剖面垂直极化全向天线的结构透视图，包括金属圆盘1、辐射臂2和金属地板3，一个SMA头从金属地板3中央孔32向上插入，SMA头的内导体与辐射臂2的内端相连，SMA头的外导体与金属地板3相连，金属圆盘1通过辐射臂2架空地支撑于金属地板3上方。金属圆盘1和金属地板3的形状为圆形，两者的圆心位于同一条垂线上。金属地板3中央孔32处设置有馈电端口，SMA头通过馈电端口进行固定。金属圆盘1、辐射臂2和金属地板3为铜材质，且通过3D打印技术形成整体结构。
本实施例中，辐射臂2包括三个长直型辐射臂22和三个波折型辐射臂21。其中，长直型辐射臂22和波折型辐射臂21呈辐射状交替排布，相邻的长直型辐射臂22与波折型辐射臂21之间的夹角为60°。长直型辐射臂22的外端上翘，与金属圆盘1固定连接，长直型辐射臂22的内端与SMA头的内导体连接。长直型辐射臂22用于产生高频点处的谐振点以拓展天线带宽。波折型辐射臂21由长方体金属片经过若干次弯折形成，折弯次数以及折弯角度可以根据天线性能（天线阻抗匹配）进行调整。波折型辐射臂21的顶部与金属圆盘1固定连接，波折型辐射臂21的外端的底部与金属地板3相连，波折型辐射臂21的内端与SMA头的内导体连接，波折型辐射臂21外端以内的部分悬空于金属地板3上方，即波折型辐射臂21外端以内部分的底部与金属地板3之间形成间隙。
如图1所示，金属地板3设置有六个弧形槽31，弧形槽31一一对应的位于辐射臂2的外侧，弧形槽31的圆心与金属地板3的圆心位于同一条垂线上。这六个弧形槽31可以有效改善超宽带天线在高频点处出现的辐射性能恶化的问题，从而保证了天线在整个工作频段内方向图的稳定性。金属地板3的最外端向上且向内弯折，用于减小天线的平面尺寸为0.82λ low （λ low 在天线的最低工作频率处自由空间中的波长）。
金属圆盘1延长了辐射臂2上的电流路径，三个波折型辐射臂21与金属圆盘1结合，有利于降低天线剖面高度；三个长直型辐射臂22用于产生高频点处的谐振点以拓展天线带宽。天线的剖面尺寸仅为0.054λ low ，在很大程度上弥补了现有同类天线普遍存在的剖面尺寸大的缺陷。
本发明实施例对天线各部分的尺寸进行优化，具体的天线的参数见下表：
参数 r 1 r 2 r 3 r 4 t l 1 l 2
值 32.30mm 73.21mm 9.96mm 35.06mm 0.8mm 27.79mm 28.92mm
参数 w 1 w 2 w 3 h 1 h 2 h 3 α
值 1.43mm 2.10mm 5.02mm 4.93mm 3.954mm 1.90mm 37.43°
表中，r 1为金属圆盘1的半径，r 2为金属地板3的半径，r 3为金属地板3向内弯折的宽度，r 4为弧形槽31离中心的距离，t为金属圆盘1和金属地板3的厚度，l 1为波折型辐射臂21的投影长度，l 2为长直型辐射臂22的投影长度，w 1为波折型辐射臂21的宽度，w 2为长直型辐射臂22的宽度，w 3为弧形槽31的宽度，h 1为金属圆盘1与金属地板3之间的距离，h 2为金属地板3向上弯折的高度，h 3为波折型辐射臂21的内端底部与金属地板3之间的距离，α为弧形槽31的角度。此外，波折型辐射臂21的厚度为1.91mm，长直型辐射臂22的厚度为1.78mm。
图4展示了本发明涉及的一种应用于室分系统的超宽带低剖面垂直极化全向天线的反射系数以及增益曲线图，结果表明，该设计的相对带宽为105.22% (1.68 ~5.41 GHz)，工作频带内增益在3.8dBi到8dBi之间。
图5、图6与图7展示了三个不同频点处，该天线的辐射方向图。结果表明，该设计在工作频带内的方向图具有良好的一致性，特别在高频点处，方向图也具有良好的全向性，整个工作频段内全向辐射性能较好。
此外，本发明还要求保护一种天线，包括本实施例应用于室分系统的超宽带低剖面垂直极化全向天线。
以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种应用于室分系统的超宽带低剖面垂直极化全向天线，包括金属圆盘（1）、辐射臂（2）和金属地板（3），一SMA头从金属地板（3）中央孔（32）向上插入，SMA头的内导体与辐射臂（2）的内端相连，SMA头的外导体与金属地板（3）相连，所述金属圆盘（1）通过辐射臂（2）架空地支撑于金属地板（3）上方，其特征在于：所述辐射臂（2）包括呈辐射状交替排布的长直型辐射臂（22）和波折型辐射臂（21）；所述长直型辐射臂（22）的外端与金属圆盘（1）固定连接；所述波折型辐射臂（21）的顶部与金属圆盘（1）固定连接，波折型辐射臂（21）的外端底部与金属地板（3）相连，波折型辐射臂（21）外端以内的部分悬空于金属地板（3）上方。
2.根据权利要求1所述的一种应用于室分系统的超宽带低剖面垂直极化全向天线，其特征在于：所述金属圆盘（1）和金属地板（3）的形状为圆形，两者圆心位于同一条垂线上。
3. 根据权利要求1所述的一种应用于室分系统的超宽带低剖面垂直极化全向天线，其特征在于：所述波折型辐射臂（21）由长方体金属片经过若干次弯折形成，所述波折型辐射臂（21）与金属圆盘（1）结合，用于降低天线的剖面高度； 所述长直型辐射臂（22）产生高频点处的谐振点，与波折型辐射臂产生的谐振点结合，用于拓展天线的带宽。
4.根据权利要求1所述的一种应用于室分系统的超宽带低剖面垂直极化全向天线，其特征在于：所述金属地板（3）上设置有一一对应地位于辐射臂（2）外侧的弧形槽（31），弧形槽（31）的圆心与金属地板（3）的圆心位于同一条垂线上，用于改善高频点处辐射性能，以保证天线在整个工作频段内方向图的稳定性。
5.根据权利要求1所述的一种应用于室分系统的超宽带低剖面垂直极化全向天线，其特征在于：所述金属地板（3）的外端向上且向内弯折，用于在实现低剖面并且不影响天线性能的同时减小天线的平面尺寸。
6.根据权利要求1所述的一种应用于室分系统的超宽带低剖面垂直极化全向天线，其特征在于：所述长直型辐射臂（22）和波折型辐射臂（21）的数量均为3个，相邻长直型辐射臂（22）与波折型辐射臂（21）之间的夹角为60°。
7.根据权利要求1所述的一种应用于室分系统的超宽带低剖面垂直极化全向天线，其特征在于：所述金属地板（3）的中央孔（32）处设置有馈电端口，所述SMA头通过所述馈电端口固定。
8.根据权利要求1所述的一种应用于室分系统的超宽带低剖面垂直极化全向天线，其特征在于：所述波折型辐射臂（21）的折弯次数以及折弯角度根据所述天线的阻抗匹配进行调整。
9.根据权利要求1所述的一种应用于室分系统的超宽带低剖面垂直极化全向天线，其特征在于：所述金属圆盘（1）、辐射臂（2）和金属地板（3）为铜材质，且通过3D打印技术形成整体结构。
10.一种天线，其特征在于：包括如权利要求1至9任一项所述的一种应用于室分系统的超宽带低剖面垂直极化全向天线。
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Country or region after: China

Applicant after: ZHONGTIAN BROADBAND TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Address before: 226019 Jiangsu Province, Nantong City Chongchuan District sik Road No. 9

Applicant before: NANTONG University

Country or region before: China

GR01 Patent grant
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PE01 Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right
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Denomination of invention: A super wideband low profile vertical polarization omnidirectional antenna applied to indoor distribution systems

Granted publication date: 20240315

Pledgee: Rudong sub branch of Bank of China Ltd.

Pledgor: Zhongtian Communication Technology Co.,Ltd.

Registration number: Y2025980050337