《移動通信網路室內分布系統中使用的全向吸頂天線》是中國聯合網路通信集團有限公司於2009年10月16日申請的發明專利，該專利的申請號為2009102068135，公布號為CN101694904A，公布日為2010年4月14日，發明人是黃曉明、買彥州、傅強、陳旭東、彭中峰、鄧安民、葛慧明，該專利涉及移動通信領域。
《移動通信網路室內分布系統中使用的全向吸頂天線》包括：具有錐柱結構的單臂振子、具有盤錐結構的反射盤以及饋電接頭；單臂振子與反射盤對向設定，信號通過饋電接頭饋入天線，由單臂振子和反射盤向外發射。在高頻段，輻射角θ在60°～85°範圍，該發明天線增益比2009年10月前已有天線提高了5.5～8.5dB，從而提高了距天線較遠區域移動通信信號強度，擴大了天線有效覆蓋半徑，提升了內分布系統3G室信號質量，降低了新建和改造室內分布系統的難度和成本。
2018年12月20日，《移動通信網路室內分布系統中使用的全向吸頂天線》獲得第二十屆中國專利銀獎。
（概述圖為《移動通信網路室內分布系統中使用的全向吸頂天線》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：移動通信網路室內分布系統中使用的全向吸頂天線
- 公布號：CN101694904A
- 公布日：2010年4月14日
- 申請號：2009102068135
- 申請日：2009年10月16日
- 申請人：中國聯合網路通信集團有限公司
- 地址：北京市西城區金融大街21號
- 發明人：黃曉明、買彥州、傅強、陳旭東、彭中峰、鄧安民、葛慧明
- 分類號：H01Q9/28（2006.01）I
- 代理機構：北京律誠同業智慧財產權代理有限公司
- 類別：發明專利
- 代理人：祁建國、梁揮
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
截至2009年10月，現代蜂窩移動通信網路室內分布系統廣泛採用全向吸頂天線，其用量占室內分布系統天線的95％以上。全向吸頂天線技術規範要求包括：使用頻率範圍為806～960兆赫和1710～2500兆赫，電壓駐波比（VSWR）＜1.5，增益在低頻段2dBi，高頻段5dBi。
全向吸頂天線基本原理是半波振子天線，主要由單臂振子和一反射盤組成，單臂振子有錐形、柱形、球形、方形、蝶形和各種組合及變形、各種形狀的微帶貼片等，加粗或加寬振子可增加輻射頻寬；反射盤相當於天線振子的另一臂，一方面形成單臂振子的鏡像，同時將電波反射回來，增強振子側的輻射，另一方面便於在天花板上安裝和減小天線凸出高度，減小影響室內美觀。
2009年10月前已有移動通信室內全向吸頂天線主要針對GSM900和CDMA等低頻段無線信號覆蓋系統進行設計，工作頻段為806～960兆赫。在這個頻段全向吸頂天線表現出典型的對稱半波振子輻射特性，輻射方向圖在赤道面（亦稱H面）內是一個圓；在子午面（亦稱E面）內是“∞”形，天線增益2dBi左右，除軸向小角度範圍外（θ＜30°），其它方向天線增益差別不大（小於3dB）。在1710～2500兆赫頻段，輻射方向圖在赤道面（亦稱H面）內是一個圓；在子午面（亦稱E面）內是雙葉肺形，雖然天線增益為5dBi左右，在子午面內表現出明顯的方向性，不同方向上增益相差較大（見圖1）。
天線在高頻段表現出更強的方向性是由電磁波的反射特性決定的，頻率越高，反射能力越強，輻射能量更集中。實測結果表明（如圖1a和圖1b，其中圖1a為800兆赫頻點E面方向圖，圖1b為2170兆赫頻點E面方向圖），全向吸頂天線在低頻段（806～960兆赫），當θ＞60°時天線增益穩定，變化很小；在高頻段（1710～2500兆赫）輻射性能向天線正下方集中，子午面內最大輻射方向θ≈35°，θ＝60°時衰減約3dB，θ＝80°時衰減約8dB，θ＝85°時衰減約9dB。可見，θ＞60°時天線增益隨θ角增加快速衰減。
全向吸頂天線在高頻段增益隨輻射角度快速衰減的特性，使室內分布系統中DCS1800和3G移動通信信號過於集中在天線底下，影響室內分布系統的覆蓋效果。
一般建築層高約3米，移動通信終端離地一般高於1米。DCS1800和3G室內分布系統天線覆蓋半徑設計原則為：重要樓宇小於10米、一般樓宇15米、空曠層20米。計算可知，對應天線輻射角θ分別為79°、82°和84°。根據圖1，在這些角度天線增益衰減7～8dB，按最大增益5dBi計，這些這些角度天線增益為-2～-3dBi。而增益較高區域θ≤60°（3dB衰減處），對應的覆蓋半徑小於3.5米。
由此可知，2009年10月前已有全向吸頂天線將DCS1800和3G信號主要集中在3.5米覆蓋半徑範圍內，而在設計覆蓋範圍的更大區域內天線增益最大衰減達到7～8dB，加上空間路徑損耗隨頻率增加，所以，在室內分布系統中，DCS18000和3G信號比GSM信號覆蓋半徑要小。為獲得良好室內信號，不得不提高信源功率或加密天線，由此帶來巨大的室內分布系統改造成本。
發明內容
專利目的
《移動通信網路室內分布系統中使用的全向吸頂天線》提供了一種移動通信網路室內分布系統中使用的全向吸頂天線，其目的在於，提高輻射角θ在60°～85°範圍的天線增益，從而提高距天線較遠區域移動通信信號強度，擴大了天線有效覆蓋半徑，提升了內分布系統3G室信號質量，降低新建和改造室內分布系統的難度和成本。
技術方案
《移動通信網路室內分布系統中使用的全向吸頂天線》包括：具有錐柱結構的單臂振子、具有盤錐結構的反射盤以及饋電接頭；單臂振子與反射盤對向設定，信號通過饋電接頭饋入天線，由單臂振子和反射盤向外發射。
單臂振子包括第一空心柱、第一空心台錐和饋電柱，第一空心柱、第一空心台錐和饋電柱由上往下依次連線。
反射盤包括圓形盤、第二空心柱和第二空心台錐，圓形盤、第二空心柱和第二空心台錐由下往上依次連線。
圓形盤中心挖空，挖空半徑與第二空心柱內半徑一致。
單臂振子總長度為800兆赫電磁波波長的1/4乘以收縮係數所得的結果。
800兆赫電磁波波長的1/4為：93.75毫米，收縮係數的取值範圍為：0.4～1.0。
第一空心柱高度取值範圍為20～55毫米，第一空心柱半逕取值範圍為15～55毫米；第一空心台錐高度取值範圍為10～25毫米，第一空心台錐上底半徑與第一空心柱半徑相等，第一空心台錐下底半逕取值範圍為2～10毫米；饋電柱高度取值範圍為2～8毫米，饋電柱半徑1～3毫米。
圓形盤半徑大於80毫米；第二空心柱高度2～40毫米，第二空心柱半徑大於70毫米；第二空心台錐高度10～60毫米，第二空心台錐上底半徑4～20毫米，第二空心台錐下底半徑與第二空心柱半徑相等。
饋電同軸線為50歐同軸線，饋電同軸線與饋電接頭連線引入信號；饋電接頭的芯線與饋電柱連線；台錐反射盤頂中心開圓孔，饋電接頭安裝其中，饋電接頭的外層與台錐反射盤固定連線；饋電接頭的外層與饋電接頭的芯線之間填充絕緣材料；圓孔半徑4～8毫米，。
具有錐柱結構的單臂振子、具有盤錐結構的反射盤的厚度均為0.5～4毫米。單臂振子與反射盤之間設定絕緣墊圈。
改善效果
1、對2009年10月前已有室內分布系統3G天饋系統改造，僅通過更換為該發明天線，覆蓋半徑邊緣，信號強度在低頻段提高0.8～1.3dB，在高頻段提高5.5～8.5dB。對3G信源加入後信號偏弱的室內分布系統或區域，可以更換天線達到滿意效果，避免了因加密天線帶來的大規模工程改造，降低了物業協調難度。
2、對室內分布系統3G信源改造，因更換為該發明天線後，達到同樣覆蓋效果只需原信源所需信源功率的1/3～1/8，因此，對原來需要多個遠端射頻單元（RRU）、直放站或乾放才能滿足功率要求的較大形室內分布系統，可以用單RRU供給信號，降低信號源投資，同時避免多RRU小區切換節帶來的信號質量和容量損耗，還節省用電、降低維護成本。
3、對新建3G室內分布系統，可以根據該發明天線，適當增加室內天線間距，降低信源功率或增大單RRU的覆蓋範圍，減少室內分布系統工程投資。
附圖說明
圖1a為2009年10月前已有天線在800兆赫頻點E面實測方向圖；
圖1b為2009年10月前已有天線在2170兆赫頻點E面實測方向圖；
圖2a為該發明提供的全向吸頂天線；
圖2b為該發明提供的全向吸頂天線的剖面圖；
圖3為該發明提供的低頻段806、880和960兆赫頻點子午面方向圖；
圖4為該發明提供的1800兆赫頻段1710和1880MHZ頻點子午面方向圖；
圖5為該發明提供的2000兆赫頻段1920和2170兆赫頻點子午面方向圖；
圖6為該發明提供的2000兆赫以上頻段2300、2400和2500兆赫頻點子午面方向圖；
圖7為該發明提供的參考尺寸仿真的駐波-頻率曲線。
權利要求
1.《移動通信網路室內分布系統中使用的全向吸頂天線》其特徵在於，包括：具有錐柱結構的單臂振子、具有盤錐結構的反射盤以及饋電接頭；其中所述單臂振子包括第一空心柱、第一空心台錐和饋電柱，第一空心柱、第一空心台錐和饋電柱由上往下依次連線；所述反射盤包括圓形盤、第二空心柱和第二空心台錐，圓形盤、第二空心柱和第二空心台錐由下往上依次連線；單臂振子與反射盤對向設定，信號通過饋電接頭饋入天線，由單臂振子和反射盤向外發射。
2.如權利要求1所述的全向吸頂天線，其特徵在於，圓形盤中心挖空，挖空半徑與第二空心柱內半徑一致。
3.如權利要求2所述的全向吸頂天線，其特徵在於，單臂振子總長度為800兆赫電磁波波長的1/4乘以收縮係數所得的結果。
4.如權利要求3所述的全向吸頂天線，其特徵在於，800兆赫電磁波波長的1/4為：93.75毫米，收縮係數的取值範圍為：0.4～1.0。
5.如權利要求4所述的全向吸頂天線，其特徵在於，第一空心柱高度取值範圍為20～55毫米，第一空心柱半逕取值範圍為15～55毫米；第一空心台錐高度取值範圍為10～25毫米，第一空心台錐上底半徑與第一空心柱半徑相等，第一空心台錐下底半逕取值範圍為2～10毫米；饋電柱高度取值範圍為2～8毫米，饋電柱半徑1～3毫米。
6.如權利要求5所述的全向吸頂天線，其特徵在於，圓形盤半徑大於80毫米；第二空心柱高度2～40毫米，第二空心柱半徑大於70毫米；第二空心台錐高度10～60毫米，第二空心台錐上底半徑4～20毫米，第二空心台錐下底半徑與第二空心柱半徑相等。
7.如權利要求6所述的全向吸頂天線，其特徵在於，饋電同軸線為50歐同軸線，饋電同軸線與饋電接頭連線引入信號；饋電接頭的芯線與饋電柱連線；台錐反射盤頂中心開圓孔，饋電接頭安裝其中，饋電接頭的外層與台錐反射盤固定連線；饋電接頭的外層與饋電接頭的芯線之間填充絕緣材料；圓孔半徑4～8毫米。
8.如權利要求7所述的全向吸頂天線，其特徵在於，具有錐柱結構的單臂振子、具有盤錐結構的反射盤的厚度均為0.5～4毫米。
9.如權利要求1所述的全向吸頂天線，其特徵在於，單臂振子與反射盤之間設定絕緣墊圈。
實施方式
該發明針對2009年10月前已有天線在高頻段輻射過於集中的缺陷，綜合考慮高低兩個頻段天線增益和方向性，設計出室內分布系統高性能全向吸頂天線，保證低頻段性能，改善高頻段性能。室內全向吸頂天線最關注的輻射角度θ大約在60°～85°之間，該發明室內全向吸頂天線設計最大增益方向在θ＝70°左右，主輻射角度θ＝85°左右（3dB衰減處）。
該發明提供的全向吸頂天線如圖2a所示，圖2b是全向吸頂天線的剖面圖，圖2b中畫出的為與天線輻射相關的銅、鋁等良導體金屬材料主要構件，包括：
單臂振子：具有錐柱結構，包括一段空心柱1、一空心台錐2和一段饋電柱3。錐柱總長度以低頻800兆赫頻點1/4波長為基準（參考尺寸：93.75毫米），乘上收縮係數（取值範圍：0.4～1.0，參考值：0.6）。空心柱1高度取值範圍：20～55毫米（參考值：35毫米），半逕取值範圍15～55毫米（參考值25毫米）；空心台錐2高度取值範圍：10～25毫米（參考值15毫米），上底半徑與空心柱1半徑相等，下底半逕取值範圍：2～10毫米（參考值：4毫米）；饋電柱3高度2～8毫米（參考值4毫米），半徑1～3毫米（參考值1.5毫米）。
台錐反射盤：具有盤錐結構，包括一圓形盤6、一段空心柱5和一空心台錐4，圓形盤6半徑大於80毫米（參考尺寸100毫米），中心挖空，挖空半徑與空心柱5內半徑一致；空心柱5高度2～40毫米（參考尺寸4毫米），半徑大於70毫米（參考尺寸84毫米）；空心台錐4高度10～60毫米（參考值44毫米），上底半徑4～20毫米（參考值10毫米），下底半徑與空心柱半徑相等。
饋電及其它結構：使用50歐同軸線與饋電接頭7連線引入信號，饋電接頭芯線與饋電柱3連線。台錐反射盤頂中心開圓孔，半徑4～8毫米，參考尺寸3.5毫米，饋電接頭7安裝其中，外層與台錐反射盤固定連線。饋電接頭7外層與芯線之間用聚氯乙烯等絕緣材料填充。饋電接頭7是2009年10月前已有的標準接頭。以上所有構件厚度均為0.5～4毫米（參考值1.5毫米）。
該發明天線外殼考慮外觀美觀，電磁吸收損耗小的材料，如塑膠、玻璃鋼等，同時，天線外殼對天線振子和反射盤起固定和支撐作用。
全向天線的單臂振子與台錐反射盤對向設定，之間加陶瓷或聚氯乙烯等絕緣材料墊圈8，使錐柱單臂振子穩固。
該發明按上述參考尺寸通過AnsoftHFSS仿真結果如下：
圖3為低頻段（GSM和CDMA頻段）子午面方向圖，在806兆赫頻點，最大增益為2.85dBi，方向θ＝85°。在θ＝60°處增益2.17dBi。
在880兆赫頻點，最大增益為3.17dBi，方向θ＝85°，θ＝60°處增益2.52dBi。
在960兆赫頻點，最大增益為3.30dBi，方向θ＝85°，θ＝60°處增益2.71dBi。
圖4為1800兆赫頻段（DCS1800頻段）子午面方向圖，在1710兆赫頻點，最大增益為4.78dBi，方向θ＝75°。θ＝60°處增益3.98dBi，θ＝85°處增益4.78dBi。
在1880兆赫頻點，最大增益為4.25dBi，方向θ＝70°。θ＝60°處增益3.62dBi，θ＝85°處增益3.65dBi。
圖5、圖6為2000兆赫頻段（3G頻段）子午面方向圖。圖5顯示，在1920兆赫頻點，最大增益為4.40dBi，方向θ＝7θ°，θ＝60°處增益3.91dBi，θ＝85°處增益3.49dBi。
在2170兆赫頻點，最大增益為5.34dBi，方向θ＝70°，θ＝60°處增益5.02dBi，θ＝85°處增益4.31dBi。
圖6為2300兆赫、2400兆赫和2500兆赫的子午線方向圖。
在2300兆赫頻點，最大增益為6.12dBi，方向θ＝70°，θ＝60°處增益5.33dBi，θ＝85°處增益5.32dBi。
在2400兆赫頻點，最大增益為7.15dBi，方向θ＝70°，θ＝60°處增益6.65dBi，θ＝85°處增益5.53dBi。
在2500兆赫頻點，最大增益為6.13dBi，方向θ＝75°，θ＝60°處增益5.76dBi，θ＝85°處增益4.39dBi。
圖7為該發明參考尺寸仿真的駐波-頻率曲線，反映天線在800～2500兆赫範圍內，電壓駐波比小於1.5。
仿真和實驗結果表明，該發明天線在θ＝60°～85°關注角度範圍內，在低頻段增益保持在2dBi以上，比2009年10月前已有全向吸頂天線有0.8～1.3dB提高；在高頻段，最大增益約4.4～7.1dBi，方向調整到了θ＝65°～85°範圍。在θ＝85°覆蓋半徑邊緣（約23米），該發明天線增益約3.5～5.5dBi，比全向吸頂天線增益（-2～-3dBi）高5.5～8.5dB，即同樣信源功率驅動下，目標覆蓋區域的信號強5.5～8.5dB，相當於信源增加約3.5～7倍的功率。
榮譽表彰
2018年12月20日，《移動通信網路室內分布系統中使用的全向吸頂天線》獲得第二十屆中國專利銀獎。
