CN106450712A - 一种多旋翼无人机高增益全向共形分集天线技术 - Google Patents

一种多旋翼无人机高增益全向共形分集天线技术 Download PDF

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Abstract

一种多旋翼无人机高增益全向共形分集天线技术，本发明涉及一种高增益无人机共形天线，通过在常见PCB偶极子形式的辐射阵子基础上组阵和精确相位馈电，成功将辐射阵子串馈加并馈实现共形和高增益，容易和无人机起落架共形，实现水平和垂直极化，分集两种天线满足端射式天线阵条件和边射式天线阵条件。特别适合应用于MIMO以及OFDM无线通信系统。工作频段可以是WIFI的2.4GHz或5.8GHz，ISM的433MHz,1.2GHz,900MHz等频段，也可以是840.5‑845MHz、1430‑1444MHz用于无人驾驶航空器系统的合法频段。

Description

一种多旋翼无人机高增益全向共形分集天线技术
技术领域
本发明涉及无人机通信应用技术领域，特别涉及一种高增益全向共形天线。
背景技术
无人机图传和遥控是一种信息传输的无线电技术。在图传和遥控系统中，距离越远，信号越弱，制约了无线电通信系统的传输距离，提高图传和遥控距离目前一般方法是加功放，低噪放和提高天线增益，天线作为无线电系统的基本部件，它为辐射和接收无线电波提供了手段，其性能优劣，直接影响信号发射和接收的效果，对无人机FPV的发展和应用有着极其重要的意义。现在的消费级无人机天线早期的结构为铜管式的偶极子结构，之后随着频率，极化要求以及使用要求，配合不同的馈入方式而衍生出各种不同设计结构，比如平面pcb形式的偶极子和折合振子，三叶草，四叶草苜蓿结构圆极化天线。
但是目前所使用的方法存在许多不足，一个是天线增益不够高，一般2dBi，或增益虽高，但方向性太强，两者都影响通信距离和接收效果，二个有的天线结构不容易共形，会影响高速运行载体的外形结构及空气动力学等特性，比如三叶草天线。
因此，如何采用新的技术在实现无人机天线共形的同时，兼顾天线的其它性能指标，如效率、增益、极化等，成为目前研究的难点。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有无人机天线技术中的不足，提供一种共形高增益天线空间分集方案，天线结构新颖，其具有一体化、低剖面、全向高增益及宽带的优点，特别适合应用于MIMO以及OFDM无线通信系统。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种串馈加并馈的偶极子天线阵，结构和线路用印刷电路板实现，介质板可为聚四氟乙烯板，罗杰斯或FR-4绝缘板等板材，电路板呈矩形条状，可以共形挂在无人机起落架上，在一体化产品中，起落架还可以做成管状天线罩，里面放天线电路板，同轴馈线从天线罩中部或两端引出，连到飞机的射频模块，天线离飞机控制电路主板有一段距离，可以尽量避免飞机结构对天线性能的影响。
如图1，飞行器起落架左右各挂一根高增益天线，但两根天线方向图不一样，天线A是定向双向高增益天线，天线B是全向高增益天线，针对MIMO通信系统，两根天线共同实现前后左右上下360度空间覆盖。
天线A结构如图2和图3，单元天线采用电容加载的偶极子，通过在偶极子末端弯折缩小天线横向宽度，然后6个相同的阵元排列于一条直线上组成串馈均匀直线阵，天线单元馈电电流振幅相等，间距相等，为d=0.5λ0附近 (自由空间波长λ0=c/f),但绝缘介质板上的馈电线在在此间距移相为360度，所以串联馈电线实现的是同相馈电，然后相邻偶极子的两臂错位，实现反相180度馈电，最终使偶极子1到偶极子6的相位分别是540度，360度，180度，0度，-180度，-360度，依次等量递减180度，满足端射式天线阵条件，最大辐射方向为阵轴方向，实现无人机前后高增益方向图覆盖，此天线结构设计工作频率为2.4GHz-2.5GHz时，中心频点2.45GHz增益值达到7.9dBi，E面和H面方向图如图5和图6，极化随摆放角度可以是水平或垂直。
天线B结构如图4，单元天线采用常见的印刷偶极子，偶极子两臂分别印刷在介质板的正反两面，然后4个相同的阵元排列于一条直线上组成串馈均匀直线阵，天线单元馈电电流振幅相等，间距相等，为d=0.75λ0附近 (自由空间波长λ0=c/f),但绝缘介质板上的馈电线在在此间距移相为360度，所以串联馈电线实现的是同相馈电，最终实现4元天线阵是等幅同相的，根据天线阵列理论，最大辐射方向在天线阵轴线的两边，这类天线称边射式天线阵，可以实现高增益全向，实现无人机上下左右高增益方向图覆盖，此天线结构设计工作频率为2.4GHz-2.5GHz时，中心频点2.45GHz增益值达到6.5dBi，E面方向图如图7，摆放在无人机起落架时实现的是水平极化。
包括天线A和天线B，绝缘介质板上的馈电线路和天线单元，或馈电网络和辐射阵子分开，通过焊接相连，所述串联加并联馈电网络具有偶数个输出端，所述2n个输出端分别与2n个辐射阵子连接，用于产生2n路功率相等、相位差为0°的信号，分别输出给2n个辐射阵子。
所述辐射阵子为印刷偶极子形式的阵子，辐射阵子印刷在低损耗绝缘介质上，天线A采用电容加载的偶极子，然后相邻偶极子的两臂错位，实现反相180度馈电，实现端射式天线阵。天线B单元天线采用印刷开槽偶极子，偶极子开槽两臂分别印刷在介质板的正反两面，等幅同相馈电，实现边射式天线阵。
进一步地，天线A和天线B上方加金属反射板，使电磁能量尽量不向天空辐射，控制天线方向图，提高增益。
进一步地，天线B采用金属反射板上的单极子天线作为天线单元的方案，用类似的馈电网络实现边射式天线阵。
优选地，所述绝缘介质板为聚四氟乙烯板或FR-4绝缘板。
优选地，所述天线板为矩形，所述2n个辐射阵子分别沿矩形的等距印刷。
优选地，所述辐射阵子由不锈钢、洋白铜构成，是立体结构，焊接在介质板馈电线路上。
优选地，所述辐射阵子在高频段采用缝隙天线，平面倒F或倒L天线，在低频段采用螺旋偶极子，弯折印刷偶极子，折合振子等天线小型化技术的对称天线单元。
优选地，所述功分器和馈电线路为共面波导、带状线或微带线。
优选地，所述天线A和天线B复制后，绕起落架竖直中心轴旋转90度，和原来天线一共四个组成正方形框架，优化极化选择提高每个天线之间隔离度，实现四个天线的分集，更好实现全向覆盖，进一步地，复制旋转后的天线结构大同小异，但工作于其它无人机通信频段，比如5.8GHz， 840MHz 等频段，实现天线的双频共形分集。
优选地，所述天线A和天线B用功分器连在一起，然后可以输入连到单端口射频口的发射机。
优选地，所述天线A和天线B的馈电点不是天线中心，而是根据同轴馈线方便沿着起落架支撑体走线而选择，但实现同样的高增益和方向图功能。
优选地，所述功分器和馈电线路为共面波导、带状线或微带线。
本发明实施例提供的一种高增益无人机共形天线，通过在常见PCB偶极子形式的辐射阵子基础上组阵和精确相位馈电，成功将辐射阵子串馈加并馈实现共形和高增益，2.4GHz天线A大小为328mm×32mm×1mm；天线B大小为310mm×9mm×1mm，容易和无人机起落架共形，实现水平和垂直极化，同时降低了生产成本。
同现有的技术相比较，本发明的无人机天线具有容易加工、低剖面小型化、全向性能好、高增益等优点。本发明不仅克服了一般无人机天线增益低、不易共形的缺陷、而且简化了多端口馈电系统走线复杂的缺点，节约了成本，更加适合无人机图传和遥控的应用。
附图说明。
图1是本发明新型实施例的多旋翼飞行器起落架和共形天线A和天线B结构示意图。
图2是本发明新型实施例的天线A正面结构示意图。
图3是本发明新型实施例的天线A反面结构示意图。
图4是本发明新型实施例的天线B正反面结构示意图。
图5是本发明新型实施例的天线A端射E面方向图。
图6是本发明新型实施例的天线A端射H面方向图。
图7是本发明新型实施例的天线B边射E面方向图。
具体实施方式，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
如图2和图3和图4所示，本发明实施例提供的一种共形无人机天线，包括天线A和天线B，绝缘介质板上的馈电线路和天线单元，或馈电网络和辐射阵子分开，通过焊接相连。所述串联加并联中心馈电网络具有偶数个输出端，2n个输出端分别与2n个辐射阵子连接，用于产生2n路功率相等、相位差为阵列所要求的信号，分别输出给2n个辐射阵子。
本发明实施例中的介质板为双层结构，所述辐射阵子为印刷偶极子形式的阵子，辐射阵子印刷在低损耗绝缘介质上，天线A采用电容加载的偶极子，然后相邻偶极子的两臂错位，实现反相180度馈电，实现端射式天线阵；天线B单元天线采用印刷开槽偶极子，偶极子开槽两臂分别印刷在介质板的正反两面，等幅同相馈电，实现边射式天线阵。
进一步地，天线A和天线B上方加金属反射板，使电磁能量尽量不向天空辐射，控制天线方向图，提高增益。
进一步地，天线B采用金属反射板上的单极子天线作为天线单元的方案，用类似的馈电网络实现边射式天线阵。
优选地，所述绝缘介质板为FR-4绝缘板或聚四氟乙烯板等其它高频板材。
优选地，所述天线板为矩形，所述2n个辐射阵子分别沿矩形的等距印刷。
优选地，所述辐射阵子由不锈钢、洋白铜或其他金属导体材料制成，是立体结构，焊接在介质板馈电线路上。
优选地，所述辐射阵子在高频段采用缝隙天线，微带天线，在低频段采用螺旋偶极子，弯折印刷偶极子，折合振子等天线小型化技术的对称天线单元。
优选地，所述功分器和馈电线路为共面波导、带状线或微带线。
优选地，所述天线A和天线B复制后，绕起落架竖直中心轴旋转90度，和原来天线一共四个组成正方形框架，优化极化选择提高每个天线之间隔离度，实现四个天线的分集，更好实现全向覆盖，进一步地，复制旋转后的天线结构大同小异，但工作于其它无人机通信频段，比如5.8GHz， 840MHz 等频段，实现天线的双频共形分集。
优选地，所述天线A和天线B用功分器连在一起，然后可以输入连到单端口射频口的发射机。
优选地，所述天线A和天线B的馈电点不是天线中心，而是根据同轴馈线方便沿着起落架支撑体走线而选择，但实现同样的高增益和方向图功能。
优选地，所述功分器和馈电线路为共面波导、带状线或微带线。
辐射阵子与馈电线路印刷在的低损耗绝缘介质上，如FR-4、聚四氟乙烯等。所述低损耗绝缘介质的厚度和大小可根据实际工程设计需求进行调整。如图2和图3和图4所示，辐射阵子印刷在高介电常数的低损耗绝缘介质上，根据相同频率介电常数越大，波长越小的原理，天线的体积可得到了进一步的缩小，这是本发明实施例中的天线实现小型化的一种方式。
本发明的无人机共形天线的工作频段可以是WIFI的2.4GHz或5.8GHz，WiMAX3.5GHz (3.3-3.8GHz)，ISM的433MHz,1.2GHz, 900MHz 等频段，也可以是840.5-845MHz、1430-1444MHz和2408-2440MHz用于无人驾驶航空器系统的合法频段。通过调节辐射单元阵子的大小，间距和馈电网络上微带线或带状线的宽度、长度以及辐射阵子的天线小型化技术，可调节天线的工作频段或者带宽。
本发明实施例提供的一种高增益无人机共形天线，通过在常见PCB偶极子形式的辐射阵子基础上组阵和精确相位馈电，成功将辐射阵子串馈加并馈实现共形和高增益，2.4GHz天线A大小为328mm×32mm×1mm；天线B大小为310mm×9mm×1mm容易和无人机起落架共形，实现水平和垂直极化，同时降低了生产成本。
同现有的技术相比较，本发明的无人机共形天线系统具有容易加工、低剖面、全向性能好、高增益等优点。本发明不仅克服了一般无人机天线增益低、不易共形的缺陷、而且简化了多端口馈电系统走线复杂的缺点，节约了成本，更加适合无人机图传和遥控的应用。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种无人机高增益全向共形分集天线，其特征在于，包括天线A和天线B，双层结构绝缘介质板上的馈电线路和天线单元，或馈电网络和辐射阵子分开，通过焊接相连，所述串联加并联后中心馈电网络具有偶数个输出端，所述2n个输出端分别与2n个辐射阵子连接，用于产生2n路功率相等、相位差为阵列要求的信号，分别输出给2n个辐射阵子。
2.辐射阵子印刷在低损耗绝缘介质上，天线A采用电容加载的偶极子，然后相邻偶极子的两臂错位，实现反相180度馈电，实现端射式天线阵;天线B单元天线采用印刷开槽偶极子，偶极子开槽两臂分别印刷在介质板的正反两面，等幅同相馈电，实现边射式天线阵。
3.根据权利要求1所述的无人机共形天线，其特征在于，所述串联加并联馈电线路综合考虑单元间距和馈电相位，以及线路损耗和一体化，实现天线阵所需的幅相分布。
4.根据权利要求2所述的无人机共形天线，其特征在于，所述绝缘介质板为聚四氟乙烯板或FR-4绝缘板，馈电板为矩形，所述2n个辐射阵子分别沿矩形的等距印刷，或所述辐射阵子由不锈钢、洋白铜或其他金属导体材料制成，是立体对称结构，比如金属反射板上的单极子天线，焊接在介质板馈电线路上，馈电线路为共面波导、带状线或微带线。
5.根据权利要求1所述的无人机共形天线，其特征在于，所述天线A和天线B的馈电点位置根据同轴馈线方便沿着起落架支撑体走线而选择，可以是对称阵列或不对称阵列，但实现同样的高增益和方向图功能，所述天线A和天线B可以用功分器连在一起，然后输入连到单端口射频口的发射机，或者分开各自用同轴馈线连到双端口，三端口，四端口射频口的发射机。
6.根据权利要求1所述的无人机共形天线结构，工作频段可以是WIFI的2.4GHz或5.8GHz，WiMAX 3.5GHz (3.3-3.8GHz)，ISM的433MHz,1.2GHz, 900MHz 等频段，也可以是840.5-845MHz、1430-1444MHz和2408-2440MHz用于无人驾驶航空器系统的合法频段。
7.通过调节辐射单元阵子的大小，间距和馈电网络上微带线或带状线的宽度、长度以及辐射阵子的天线小型化技术，可调节天线的工作频段或者带宽。
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Application publication date: 20170222

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