CN107230837B - 运用于无人机的二维切换多波束智能天线 - Google Patents

运用于无人机的二维切换多波束智能天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种运用于无人机的二维切换多波束智能天线，包括：天线阵列、馈电网络和单刀多掷开关阵列；所述天线阵列与馈电网络连接，所述馈电网络的馈电点与单刀多掷开关阵列中单刀多掷开关的动端连接，所述单刀多掷开关阵列中多个单刀多掷开关的不动端接天线端口。本发明提供一种运用于无人机的二维切换多波束智能天线，本发明结构更轻便，天线控制更灵活，可实现高增益多波束的切换。有利于减少覆盖区域外信号对多波束系统造成的干扰，提高通讯系统的频谱利用率和信道容量，提高天线增益来实现更远距离的信号覆盖，从而提升无人机的遥控距离或图传距离。

Description

运用于无人机的二维切换多波束智能天线
技术领域
本发明涉及通讯装置领域，尤其涉及一种运用于无人机的二维切换多波束智能天线。
背景技术
波束切换如相控阵最先在雷达上有较成熟的运用，后来为提高基站覆盖距离及保证有效覆盖区域，发展出运用于基站天线的波束赋形技术，波束赋形是一种基于天线阵列的信号预处理技术，通过调整天线阵列中每个阵元的加权系数产生具有指向性的波束，从而能够获得明显的阵列增益。波束赋形技术在扩大覆盖范围、改善边缘吞吐量以及干扰抑止等方面都有很大的优势。
波束赋形在终端类天线采用较少，一是需要组阵，天线空间相对要求较大；二是通过移相器等射频器件控制单个阵元相位，成本较高。然而，对于无人机领域来说，提高天线增益来实现更远距离的信号覆盖，实现无人机更远距离遥控飞行，因此，无人机领域对波束赋形技术有更急迫的需求。
希望通过提高天线增益来实现更远距离的信号覆盖，飞机端的空间有限，我们考虑在地面控制端设计一款高增益天线，同时根据需求的场景，保证波束可以覆盖整个需要的空域。另外我们希望也设计一款结构更轻便，控制更灵活的天线系统，实现高增益多波束切换。且多波束天线与传统天线不同，它只在指定的区域有较高的增益值，而在其他地方增益很低，所以能减少覆盖区域外信号对多波束系统造成的干扰，提高系统的频谱利用率和信道容量。
因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种运用于无人机的二维切换多波束智能天线。该装置该由高增益的天线阵列、波束控制的馈电网络组成和开关阵列组成，该装置可提高天线增益来实现更远距离的信号覆盖，从而提升无人机的遥控距离或图传距离。
本发明的技术方案如下：
一种运用于无人机的二维切换多波束智能天线，包括：天线阵列、馈电网络和单刀多掷开关阵列；所述天线阵列与馈电网络连接，所述馈电网络的馈电点与单刀多掷开关阵列中单刀多掷开关的动端连接，所述单刀多掷开关阵列中多个单刀多掷开关的不动端接天线端口；
所述天线阵列布置有多个天线阵元，所述天线阵元产生直线排列的一维波束带或一片区域的二维波束覆盖区域；所述馈电网络中不同的馈电点连接天线阵列中不同的天线阵元，所述馈电网络控制天线阵列中的各天线阵元输入波束的相位来产生高增益的窄波束；所述单刀多掷开关阵列控制馈电网络的不同馈电点的开关，通过切换馈电点的开关来切换馈电点对应连接的天线阵元，从而切换所述一维波束带或所述二维波束覆盖区域的波束方向。
进一步地，所述馈电网络控制天线阵列各中各个阵元的输入相位，从而产生高增益的窄波束。
进一步地，所述天线阵列包括M×N个天线阵元，所述M×N个天线阵元将天线装置上方所覆盖区域划分成相应的M×N个子域，每个子域的波束由相应的天线阵元控制。
进一步地，所述馈电网络分为第一馈电网络和第二馈电网络；所述单刀多掷开关阵列分为第一单刀多掷开关阵列和第二单刀多掷开关阵列；所述第一单刀多掷开关阵列包括N个单刀M掷开关，所述单刀M掷开关的动端分别与第一馈电网络的馈电点连接，所述单刀M掷开关的不动端分别与第二馈电网络连接；所述第二馈电网络的馈电点连接第二单刀多掷开关阵列，所述第二单刀多掷开关阵列包含一个单刀N掷开关，所述单刀N掷开关的不动端接天线端口。
进一步地，所述馈电网络为butler矩阵或Rotman透镜馈电网络。
进一步地，所述第二单刀多掷开关阵列中的开关为射频单刀多掷开关。
进一步地，所述天线阵列的增益大于或等于6dBi。
相对以往的采用微带馈电技术配合纯粹开关响应的天线装置，本发明采用馈电网络控制天线阵列各阵元的输入相位，能产生更高增益的窄波束，采用馈电网控制天线阵元还能使得天线信号的响应更快，损耗更小
采用上述方案，本发明提供一种运用于无人机的二维切换多波束智能天线，可将天线发射波束覆盖所需要的整个的空域。本发明结构更轻便，天线控制更灵活，可实现高增益多波束的切换。有利于减少覆盖区域外信号对多波束系统造成的干扰，提高通讯系统的频谱利用率和信道容量。提高天线增益来实现更远距离的信号覆盖，从而提升无人机的遥控距离或图传距离。
附图说明
图1为本发明的子域划分示意图；
图2为本发明的结构示意图。
具体实施方式
参照图1和图2所示，无人机领域对高增益的天线系统有急迫的需求，提高天线增益来实现更远距离的信号覆盖，有利于提升无人机的遥控距离或图传距离。现有的无人机内部空间有限，为提高天线增益，本发明在地面控制端设计一款高增益天线，并根据需求的场景，保证波束可以覆盖所需要的整个的空域。此外，本发明结构更轻便，控制更灵活，可实现高增益多波束切换。多波束天线装置与传统天线不同，它只在指定的区域有较高的增益值，而在其他地方增益很低，所以能减少覆盖区域外信号对多波束系统造成的干扰，提高通讯系统的频谱利用率和信道容量。
以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。本发明提供一种运用于无人机的二维切换多波束智能天线，包括：天线阵列1、馈电网络和单刀多掷开关阵列；所述天线阵列1与馈电网络连接，所述馈电网络的馈电点与单刀多掷开关阵列中单刀多掷开关的动端连接，所述单刀多掷开关阵列中多个单刀多掷开关的不动端接天线端口6；
所述天线阵列1布置有多个天线阵元11，所述天线阵列1中不同的天线阵元11控制波束的方向，所述天线阵元11产生直线排列的一维波束带或一片区域的二维波束覆盖区域；所述馈电网络中不同的馈电点连接天线阵列1中不同的天线阵元11，所述馈电网络控制天线阵列1中的各天线阵元11输入波束的相位来产生高增益的窄波束；所述单刀多掷开关阵列控制馈电网络的不同馈电点的开关，通过切换馈电点的开关来切换馈电点对应连接的不同天线阵元11，从而切换所述一维波束带或所述二维波束覆盖区域的波束方向。所述馈电网络控制天线阵列各阵元的输入相位，从而产生高增益的窄波束。
本发明能产生覆盖较大的区域的多束波，而且又能根据需要调整波束的波瓣方向。将每个天线阵元11发出的波束称为子波束或点波束，将子波束的集合称为总波束。每个子波束覆盖的区域不同，所有子波束覆盖区域的集合即我们需要的无人机的通信区域。
相应的，把需要覆盖的无人机通信区域划分为若干个子域，每个子域对应一个子波束，子域的多少决定了子波束的数量，子域越多，子波束就越多，天线装置的增益也可以做到越高，但波束控制馈电网络设计会越复杂，开发难度大。反之子域越少，开发难度小，波瓣宽度大，增益相对低一些。因此，先根据需求确定好需要的子域数量后，天线装置的其它设计参数也就基本确定，例如：阵列天线的波瓣宽度和增益；波束形成网络方案；开关控制方案等。
作为一种实施例。本发明的天线阵列1包括M×N个天线阵元11，以空间中某一点作为原点建立空间坐标系，以竖直向上的方向作为Z轴的正方向，以经过原点且在与Z轴垂直的平面上的任一方为X轴方向，以与X轴和Z轴形成平面垂直的任一方向为Y轴方向。基于以上情况，把上半球天空的区域划分为M×N个子域，X轴方向有M个子域，Y轴方向有N个子域，每个子域的波束由相应的天线阵元11控制。
为保证上半球全向覆盖，阵列天线波束波瓣宽度X轴方向最小要求(180÷M)度，Y轴方向最小要求(180÷N)度，同时保证阵列天线增益尽量高(天线阵列1的增益大于或等于6dBi)。同时根据波束形成网络设计阵列天线阵元11的排列、阻抗线的设计。
所述馈电网络分为第一馈电网络2和第二馈电网络4；所述单刀多掷开关阵列分为第一单刀多掷开关阵列3和第二单刀多掷开关阵列5；所述第一单刀多掷开关阵列3包括N个单刀M掷开关，所述单刀M掷开关的动端分别与第一馈电网络2的馈电点连接，所述单刀M掷开关的不动端分别与第二馈电网络4连接；所述第二馈电网络4的馈电点连接第二单刀多掷开关阵列5，所述第二单刀多掷开关阵列5包含一个单刀N掷开关，作为一种实施例，所述单刀N掷开关为射频单刀多掷开关。所述单刀N掷开关的管脚接到天线端口6上即可实现M×N个子域的波束覆盖。当然设计时的传输损耗需要特别注意。
所述馈电网络由射频开关、矩阵或者透镜组成，作为一种实施例，此处馈电网络可以采用Butler矩阵或者Rotman透镜来实现，这里需要分成两阶来完成，首先完成X轴方向的正交波束形成网络，后面跟上N个SPMT的单刀M掷开关作为控制接口；其次设计Y轴方向的正交波束形成网络，后面再跟上SPNT的单刀N掷开关作为控制接口，单刀N掷开关的管脚接到RFC天线端口6。
值得一提的是，相对以往的采用微带馈电技术配合纯粹开关响应的天线装置，本发明采用馈电网络控制天线阵列各阵元的输入相位，能产生更高增益的窄波束，减少信号对多波束系统造成的干扰；本发明采用馈电网控制天线阵元还能使得天线信号的响应更快，损耗更小。
综上所述，本发明提供一种运用于无人机的二维切换多波束智能天线，可将天线发射波束覆盖所需要的整个的空域。本发明结构更轻便，天线控制更灵活，可实现高增益多波束的切换。有利于减少覆盖区域外信号对多波束系统造成的干扰，提高通讯系统的频谱利用率和信道容量。提高天线增益来实现更远距离的信号覆盖，从而提升无人机的遥控距离或图传距离。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种运用于无人机的二维切换多波束智能天线，其特征在于，包括：天线阵列、馈电网络和单刀多掷开关阵列；所述天线阵列与馈电网络连接，所述馈电网络的馈电点与单刀多掷开关阵列中单刀多掷开关的动端连接，所述单刀多掷开关阵列中多个单刀多掷开关的不动端接天线端口；
所述天线阵列布置有多个天线阵元，所述天线阵元产生直线排列的一维波束带或一片区域的二维波束覆盖区域；所述馈电网络中不同的馈电点连接天线阵列中不同的天线阵元，所述馈电网络控制天线阵列中的各天线阵元输入波束的相位来产生高增益的窄波束；所述单刀多掷开关阵列控制馈电网络的不同馈电点的开关，通过切换馈电点的开关来切换馈电点对应连接的天线阵元输入端口，从而切换所述一维波束带或所述二维波束覆盖区域的波束方向；
所述馈电网络控制天线阵列中各个阵元的输入相位，从而产生高增益的窄波束；
所述天线阵列包括M×N个天线阵元，所述M×N个天线阵元将天线装置上方所覆盖区域划分成相应的M×N个子域，每个子域的波束由相应的天线阵元控制；
所述馈电网络分为第一馈电网络和第二馈电网络；所述单刀多掷开关阵列分为第一单刀多掷开关阵列和第二单刀多掷开关阵列；所述第一单刀多掷开关阵列包括N个单刀M掷开关，所述单刀M掷开关的动端分别与第一馈电网络的馈电点连接，所述单刀M掷开关的不动端分别与第二馈电网络连接；所述第二馈电网络的馈电点连接第二单刀多掷开关阵列，所述第二单刀多掷开关阵列包含一个单刀N掷开关，所述单刀N掷开关的不动端接天线端口；
所述馈电网络为采用butler矩阵或Rotman透镜的馈电网络。
2.根据权利要求1所述的运用于无人机的二维切换多波束智能天线，其特征在于，所述第二单刀多掷开关阵列中的开关为射频单刀多掷开关。
3.根据权利要求1所述的运用于无人机的二维切换多波束智能天线，其特征在于，所述天线阵列的增益大于或等于6dBi。
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