CN107546468A - 用于无人机的三叶草或斜平面轮类型的WiFi天线 - Google Patents

Abstract

一种天线(100)包括具有非共面平面环的多个单元天线(102)，这些环绕主轴在相应倾斜平面中延伸。每一单元天线(102)由印刷在倾斜平面中延伸的电路支撑件(124)上的结构的迹线来形成，具有调谐在两个相应不同WiFi频带中的频率上的两个叠瓦状平面环。使用柔性电路支撑件(124)，无人机的天线外壳(26)包括包含多个倾斜平面(28)的共形空腔，这些倾斜平面是单元天线(102)的倾斜平面的对应物，在柔性支撑件变形之后抵靠这些倾斜平面来承载单元天线的倾斜平面。

Description

用于无人机的三叶草或斜平面轮类型的WiFi天线

技术领域

本发明涉及机动化设备(此后一般称为“无人机”)的远程操纵，且更确切地涉及由这些设备用于其远程操纵的无线电通信天线。

背景技术

它们具体地是飞行无人机，具有旋翼或固定翼。然而，本发明不限于飞行设备的操纵以及与飞行设备的数据交换，并且也可适用于在远程操作者的控制下在地面上移动的滚动设备，术语“无人机”必须以其最普遍含义来理解。

飞行无人机的典型示例是法国巴黎Parrot SA的Bebop(它是四螺旋桨直升机类型的旋翼无人机)或者也是Parrot SA的Disco(它是飞翼类型的固定翼无人机)。本发明可适用的另一类型的无人机是也来自Parrot SA的Jumping Sumo，它是遥控滚动和跳跃玩具。

WO2010/061099A2、EP2364757A1、EP2450862A1以及EP2613213A1(Parrot)描述了通过执行特定遥控应用软件程序(诸如在上述示例中，Parrot SA的移动应用FreeFlight)的具有集成加速度计的触摸屏多媒体电话或平板(例如苹果公司的iPhone型智能电话或iPad型平板))来操纵无人机的原理。

这一电话或平板可能由特定遥控设备(诸如Parrot SA的Skycontroller)来中继，这是与电话或平板对接的、提供有带操纵杆的两个把手以及用于由用户以与专用遥控控制台相同的方式进行人体工学操纵的各种按钮的箱的形式的控制台。该设备进一步包括充当电话、平板与无人机之间的中继的发射器/接收器，发射器提供有用于增加辐射到在遥控器与无人机之间使用的无线电信道的功率的放大器。控制器与无人机之间的无线地通信的这些方面具体地在EP3020460A1(Parrot)中描述。

一般而言，无人机遥控设备包括用于经由与无人机直接建立的WiFi(IEEE802.11)或蓝牙无线局域网类型的无线电链路来检测无人机操纵命令以及双向数据交换所需要的各种控制元件。这一双向无线电链路包括用于传送包含来自无人机机载相机的视频流以及无人机的飞行数据或状态指示符的数据帧的下行链路(从无人机到遥控器)以及用于传送操纵命令的上行链路(从遥控器到无人机)。

将理解，遥控器与无人机之间的无线电链路的质量是关键参数，尤其是用于确保令人满意的范围。的确，所传送的数据量是很大的，尤其是由于下行链路的视频比特率中的非常高的需求，使得无线电链路质量的任何降级都将对传输质量并因而对无线电射程有影响，还有所交换的数据和命令的零星损失的风险。

在无人机处，无线电链路使用合并到无人机的一个或若干个天线，这些天线在接收时拾取由遥控设备发射的信号并且在发射时辐射支持下行链路的HF发射器电路的功率，尤其是用于传输视频流和飞行数据信号。

本发明确切地涉及由无人机使用的这一类型的天线。

当今，无人机一般使用偶极型天线作为WiFi天线，尤其是由耦合到WiFi无线电芯片的两个相应天线终端的两个偶极子形成的。

然而，天线的这一基于偶极子的结构具有如下缺陷：相当不规则的辐射图，尤其在偶极子轴上具有增益下降。

此外，偶极子固有地产生线性极化，这在其中遥控设备实现固有地被圆极化的贴片类型的天线的情形中不是最优的。这一极化差异在链路中引入几分贝的增益损失，该损失进一步根据遥控器与无人机的相对定向而变化。

另一类型的称为三叶草或斜平面轮的天线是已知的，它通常由模型飞行器爱好者用于飞行机动化设备的遥控。

该天线是多个环的形式，数目通常是三个(三叶草)或四个(斜平面轮)，该多个环在相对于天线的主轴并相对于径向平面倾斜的各平面中延伸并且圆周地或对称地绕这一轴并远离这一轴来分布。每一个环的端部在位于天线的主轴的下部中的中央点处一起耦合到公共同轴供电电缆。

这一非常具体类型的天线要与由布置在平面图上的共面环阵列形成的天线区分开，诸如例如在US 2012/056790A1或US 2011/063180A1中公开的天线，它们描述了有向天线，不适于建立与运动中无人机的稳定无线电链路。

的确，三叶草或斜平面轮天线具有通常具体的特性来提供近似球形辐射图，在飞行设备的遥控器的情形中尤其有利，因为飞行设备相对于驾驶员的定向根据设备的移动(转向，等等)而非常大地变化，在特技飞行(回旋、翻滚，等等)的情况下变化甚至更大。

具体而言，三叶草或斜平面轮天线一般由铜线或铜管制成，该铜线或铜管弯成环且在其端部手工焊接到中央支撑件，从而允许不同环彼此之间以及相关于天线的主轴的定向得到维持。

然而，它们是精巧制作的相对脆弱的结构(归因于各环的非共面几何结构)，并且无论如何都不兼容工业大量生产。

出于这一原因，这一类型的天线未被用于大量生产中所生产的无人机中。当今，这些后者实现用于WiFi的偶极型天线，偶极型天线具有以上揭示的各种缺陷，从而使得这些基于偶极子阵列的天线与三叶草或斜平面轮类型的天线相比较是低效。

发明内容

本发明的第一目标是通过提出如下天线：它被适配用于重工业大量生产，从而最小化天线本身的制造的手工操作和将天线安装在无人机中的手工操作，来补偿线结构的缺陷，这些缺陷是迄今提出的这一特定三叶草或斜平面轮型的天线的缺陷。

本发明的另一目标是设计如下天线结构：其经减小的尺寸允许它容易地集成到无人机的机翼或臂的厚度中，而没有将增加无人机的空气阻力的任何凸出元件，并且该天线不表现出易于不必要地使无人机更重的很大质量。

具体而言，事实是拥有通常被适配用于厘米频段(诸如WiFi频段)的天线结构，它可被使用来代替迄今使用的偶极子，以提供在非常宽的空间扇区中延伸且均匀的辐射图。

为解决上述问题，本发明提出了一种具有近似球形辐射图的三叶草或斜平面轮型天线，以本身已知的方式包括：具有非共面平面环的多个单元天线，这些环圆周地且对称地绕所述天线的主轴并远离这一轴在相对于所述主轴倾斜的相应平面中延伸，这些倾斜平面形成相对于径向平面的角度；以及用于将所述单元天线耦合并适配到用于所述天线的供电的同轴电缆的模块。

本发明的特征在于，每一单元天线由印刷在在所述相应倾斜平面中延伸的电路支撑件上的结构的迹线形成；以及每一单元天线包括调谐在两个相应不同WiFi频带中的频率上的两个叠瓦状平面环。

根据各有利辅助特征：

天线不具有在径向平面中延伸并形成质面的导电元件；

每一单元天线的印刷结构包括：通过在彼此之间形成角度而从所述天线的位于所述耦合和适配模块的附近的中央区径向延伸的第一直线迹线和第二直线迹线；以及各自在所述第一直线迹线和所述第二直线迹线之间圆形地延伸的第一曲线迹线和第二曲线迹线；

所述第一曲线迹线是在所述第一和第二直线迹线的相应远端之间延伸的外部曲线迹线，且所述第二曲线迹线是在所述第一和第二直线迹线的相应中间区之间延伸的内部曲线迹线。所述第一曲线迹线与所述第一和第二直线迹线形成调谐在位于第一WiFi频带中的频率上的环，而所述第二曲线迹线与所述第一和第二直线迹线形成调谐在位于不同于所述第一WiFi频带的第二WiFi频带中的频率上的环；

所述第二曲线迹线被分成彼此平行地延伸且分别形成调谐在第二WiFi频带的两个不同频率上的两个环的两个迹线；

所述耦合和适配模块包括两个终端，其中第一终端连接在所述支撑件的一侧上的各相应单元天线的所述第一直线迹线的近端，以及第二终端在靠近各相应单元天线的第二直线迹线的近端穿过所述支撑件后连接所述近端；

非共面环在其中延伸的所述倾斜平面相对于径向平面的角度是至少20°且至多45°，且它优选地包括在25°和30°之间；

所述电路支撑件在包括在所述第一和第二曲线迹线之间的区域中和/或在包括在所述第二曲线迹线与所述单元天线的近端区之间的区域中被穿孔。

在第一实施例中，电路支撑件是由环氧树脂材料制成的硬电路支撑件。

在第二尤其有利的实施例中，电路支撑件是柔性电路支撑件，具体地是具有多个径向分隔槽的预开槽支撑件，所述径向分隔槽在所述单元天线之间从所述天线的中央区辐射。柔性电路支撑件的位于径向分隔槽之间的部分可通过形成铰链的桥状物各自连接到中央区。所述天线可进一步包括沉积在所述柔性电路支撑件的表面处在所述印刷结构的迹线的那一侧上的附加环氧树脂材料层。

本发明的目标还在于一种无人机，包括：无人机机身，两个机翼以及至少两个臂从所述机身横向地延伸；如上所述的至少一个天线；以及接纳所述天线的至少一个天线外壳。

所述无人机有利地包括对称地布置在所述机身的每一侧上并被纳入所述机身的厚度或者所述无人机的机翼的厚度中的两个天线。

在一特别有利的实施例中，所述单元天线的电路支撑件是柔性电路支撑件，所述天线外壳包括共形空腔，所述共形空腔包括作为所述单元天线的相应倾斜面的对应物的多个倾斜平面，并且在所述柔性电路支撑件变形之后抵靠所述多个倾斜平面来承载所述单元天线。

附图说明

现在将参考附图来描述本发明的实现的示例，附图中相同附图标记表示所有附图中相同或功能上相似的元件。

图1是示出在远距遥控设备的控制下在空中移动的无人机的总体视图。

图2是根据本发明的第一实施例的天线的透视图。

图3和4在分别从上方和从下方查看的透视图中解说了图2的天线的中央部分的细节。

图5是根据本发明的第二实施例的天线的俯视图。

图6在从下方查看的透视图中解说了图5的天线。

图7在从下方查看的透视图中解说了图6的天线的中央部分的细节。

图8解说了图5到7的天线在包括空腔的无人机外壳中的定位，该空腔准许向单元天线的各面提供它们相对于天线的中央轴的相应倾斜。

图9是示出作为发射/接收频率的函数来描述本发明的天线的无线电电子行为的参数S₁₁的变化的示图。

具体实施方式

现在将描述本发明的天线的一示例性实施例。

在图1中，解说了无人机10，例如固定翼无人机，诸如Parrot SA的Disco。

这一无人机10包括机身12，在机身12后部提供了螺旋桨14并且在横向上提供了两个机翼16，其中在“飞翼”型配置中，这些机翼可能与机身12集成在一起。前置相机18允许获得无人机前进所朝向的场景的图像。

无人机10由配备触摸屏22的远距遥控装置20操纵，触摸屏22显示由相机18捕捉的图像以及受用户支配的各种操纵命令。遥控装置20设有用于与无人机进行无线电链接的装置，例如Wi-Fi(IEEE 802.11)局域网类型，以供进行从无人机10到装置20(具体地用于传输由相机18捕捉的图像)以及从装置20到无人机10(用于发送操纵命令)的双向数据交换。

为确保与遥控装置20的通信，无人机配备有天线系统，通常是对称地布置在无人机前方、在机身12的每一侧、以及耦合到WiFi无线电芯片的两个相应输入端的两个天线24。

图2到4解说了本发明的天线的第一实施例的示例，该天线是尤其很好地适用于厘米频带的天线，诸如WiFi频带(2.40GHz-2.4835GHz以及5.15GHz-5.85GHz)。

本申请虽然因为具体地对无人机的天线领域中的精确问题作出反应，但这不是限制性的，并且本发明的天线的构造可被用在其他领域中、用于其他应用以及其他频带中。

在图2到4中示出了本发明的天线100，它是所谓的三叶草或斜平面轮类型的天线，它包括多个单元天线102，一般是三个(三叶草)或四个(斜平面轮)。每一单元天线102包括在相对于天线的主轴Δ倾斜的相应平面中延伸的平面环，不同的环是非共面的并且圆周地且对称地绕这一轴并远离这一轴Δ分布。在所解说的示例中，天线100包括四个这些单元天线102，但这一数目决不是限制性的，其中根据本发明的天线可包括更少或更多数目的这样的单元天线。

倾角是根据天线100所需的全局辐射图来选择和优化的(通过测量或仿真)。这一倾角通常是至少20°和至多45°；它一般被包括在25°和30°之间，优选地约27°。

单元天线102中的每一者的环被一起耦合到公共模块104，公共模块104用于耦合和适配到将天线100连接到无人机的无线电芯片的发射机/接收机电路的同轴供电电缆106。

其特征在于，每一单元天线102是通过蚀刻印刷电路板(PCB)的导电表面来制作的，这一蚀刻形成限定单元天线的辐射元件的特定导电图案，在此是调谐在与所使用的两个WiFi频带相对应的频率上的两个平面环。这一结构(它可容易地在工业大量生产中生产)以相同的图案被重复四次(以用于四个单元天线中的每一者)，整体被安装在公共支撑件上，从而允许向四个PCB中的每一者(即，每一单元天线)提供允许获得所需性能的准确角度

在该第一实施例中，在其上蚀刻导电图案的PCB的支撑件108是硬支撑件，例如由环氧树脂材料制成，切成90°开口的圆形扇区，以给予每一单元天线四分之一圆的形状。

在PCB上蚀刻出的导电图案包括沿圆形扇区的径向边缘之一延伸的第一径向直线迹线110、沿圆形扇区的相对边缘延伸的第二径向直线迹线112、以及沿圆形扇区的圆形边缘延伸的第一外围曲线迹线。

这三个迹线110、112、114形成环，调谐在低WiFi频带(2.40GHz-2.4835GHz)上，对于形成单元天线102的圆形扇区的半径而言，这对应于约35mm波长。

四个单元天线102被相同地制作以形成四个非共面的不同环。诸第二直线迹线112在天线的中央区中的116处一起连接到(图3)耦合器104的第一终端(对应于例如同轴供电电缆106的缆芯)。就诸第一直线迹线110而言，它们经由贯穿PCB支撑件108形成的套管118连接到(图4)耦合器104的第二终端(对应于例如同轴电缆106的外导体)。

每一单元天线102进一步包括在支撑件108的中间区中的、在第一径向直线迹线110与第二径向直线迹线112之间延伸的圆形的第二曲线迹线120。

这一第二曲线迹线120与第一和第二直线迹线110、112形成比第一谐振环小的第二环，这一第二环被调谐到高WiFi频带(5.15GHz-5.85GHz)。第二曲线迹线可能被拆分，如在120、120'所示，以在所考虑的频带中提供更宽带宽。

为降低天线的质量，PCB支撑件108可在没有导电迹线的区域中(即在曲线迹线114和120之间和/或在曲线迹线120与靠近轴Δ的区域之间)包括若干凹口122。

从无线电电子行为的观点来看，因此拥有能够同时在两个WiFi频带中操作的三叶草或斜平面轮天线，其中通过使相对于常规偶极天线的增益损失最小化并且无论遥控器与无人机的相对定向如何都具有基本上恒定的增益，圆极化(右圆极化RHCP)尤其很好地适配到来自实现贴片类型的天线的遥控设备的操纵，其中贴片类型的天线固有地是圆极化的。

诸如刚刚描述的天线之类的天线的辐射图是近似球形图，从而无论遥控器与无人机的相对定向如何都允许无人机与遥控装置通信，这在特技飞行中尤其是必要的，其中在给定时刻，无人机可采取相对于地面并因此相对于遥控器的任何定向。

图5到8解说了本发明的天线的第二实施例，它也被适配成在两个WiFi频带中通信。

在这些图5到8中，使用与图2到4中出现的数字标记相同的数字标记来表示功能上相似的元件，这些元件已被描述且将不再描述。

在这一第二实施例中，限定环的导电图案的倾斜结构被形成在“柔性PCB”类型的柔性支撑件124(通常由聚酰亚胺制成)上。

这一柔性支撑件124具有大致圆碟的形状，其中形成了界定四个90°开口(四分之一圆)的圆扇区的径向槽126，径向槽126限定并个性化四个单元天线102。

在天线的中央区附近，由于构成支撑件124的材料的柔性，四个圆扇区通过充当铰链的狭窄桥状物132(具体参见图7)连接到中央区130。这一柔性可通过在中央部分130附近提供附加凹口128来增加，从而允许增加这一区域中每一圆扇区的变形性。

用于耦合并适配到同轴电缆106的模块104被焊接到支撑件124的下面(图6和7)(在支撑件124的中央部分中)，并且电连接到形成两个叠瓦状谐振环的导电迹线。

有利地，高介电常数材料层被结合到每一单元天线的辐射面(在各附图的惯例中是上面)，以将各环的谐振频率调整回所需WiFi频带，相对于其中辐射元件将缺少这样的高介电常数材料层的配置而言，这允许减小天线的总体尺寸。

FR-4材料层可被用于该目的，它是可被容易地层压到柔性PCB支撑件124的表面的复合环氧树脂。

图8解说了可将图5和6的天线集成在无人机中的方式。

为此，该无人机包括在机身12中(或在机翼16中、在根部的相邻区域中)提供的天线外壳26。这一外壳26包括具有非共面倾斜平面28的缓冲腔，倾斜平面28是三叶草或斜平面轮天线的不同单元天线的环在其中延伸的相应倾斜面的对应物。

在将天线100插入它的外壳26时，每一单元天线102的圆扇区将由于桥状物132(图7)的柔性而在中央区中变形，使得通过简单的插入，单元天线102将各自采取所需定向，这是三叶草或斜平面轮天线的特性，简单地因为在支撑件124在天线的中央区中变形之后，柔性电路124的承载抵靠与其相对应的倾斜平面28。

图9是示出作为发射/接收频率的函数来描述图5到8的天线的电行为的参数S₁₁的变化的示图。

在该附图中，特征A解说了在只包括蚀刻在柔性PCB支撑件124上的导电迹线的配置中，天线(三叶草或由在它们相应倾斜平面中的四个单元天线102形成的斜平面轮天线)的谐振。特征B解说了在包括由常规塑料材料制成的涂层的配置中，这一相同天线的谐振，并且特征C是具有高介电常数材料(诸如FR-4)的涂层的偏置。

如可观察到的，对于低频带(2.40GHz-2.4835GHz)和高频带(5.15GHz-5.85GHz)两者，FR-4层所提供的谐振频率的移位允许使用更减小尺寸的天线，通过将谐振频率带回所需WiFi频带来使谐振频率移位。

Claims (18)

1.一种具有近似球形辐射图的天线(100)，所述天线是三叶草或斜平面轮型的天线，包括：

具有非共面平面环的多个单元天线(102)，这些环圆周地且对称地绕所述天线的主轴(Δ)并远离这一轴在相对于所述主轴倾斜的相应平面中延伸，这些倾斜平面形成相对于径向平面的角度；以及

用于将所述单元天线耦合并适配到用于所述天线的供电的同轴电缆(106)的模块(104)，

其特征在于：

每一单元天线(102)由印刷于在所述相应倾斜平面中延伸的电路支撑件(108；124)上的结构的迹线(110，112，114，120)来形成；以及

每一单元天线(102)包括调谐在两个相应不同WiFi频带中所包括的频率上的两个叠瓦状平面环(110，112，114；110，112，120)。

2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述天线具有在径向平面中延伸且形成质面的非导电元件。

3.如权利要求1所述的天线，其特征在于，每一单元天线的印刷结构包括：

通过在彼此之间形成角度而从所述天线的位于所述耦合和适配模块的附近的中央区径向延伸的第一直线迹线(110)和第二直线迹线(112)；以及

各自在所述第一直线迹线和所述第二直线迹线之间圆形地延伸的第一曲线迹线(114)和第二曲线迹线(120)。

4.如权利要求3所述的天线，其特征在于：

所述第一曲线迹线(114)是在所述第一和第二直线迹线(110，112)的相应远端之间延伸的外部曲线迹线，且所述第二曲线迹线(120)是在所述第一和第二直线迹线的相应中间区之间延伸的内部曲线迹线；以及

所述第一曲线迹线(114)与所述第一和第二直线迹线(110，112)形成调谐在位于第一WiFi频带中的频率上的环，而所述第二曲线迹线(120)与所述第一和第二直线迹线(110，112)形成调谐在位于不同于所述第一WiFi频带的第二WiFi频带中的频率上的环。

5.如权利要求4所述的天线，其特征在于，所述第二曲线迹线(120)被拆分成彼此平行地延伸且分别形成调谐在所述第二WiFi频带的两个不同频率上的两个环的两个迹线(120，120')。

6.如权利要求3所述的天线，其特征在于，所述耦合和适配模块(104)包括两个终端，其中：

第一终端(116)连接在所述支撑件的一侧上的各相应单元天线的所述第一直线迹线(110)的近端；以及

第二终端(118)在靠近各相应单元天线的第二直线迹线(112)的近端穿过所述支撑件后连接所述近端。

7.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述非共面环在其中延伸的所述倾斜面相对于径向面的角度是至少20°。

8.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述非共面环在其中延伸的所述倾斜面相对于径向面的角度是至多45°。

9.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述非共面环在其中延伸的所述倾斜面相对于径向面的角度被包括在25°和30°之间。

10.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述电路支撑件(108)是由环氧树脂材料制成的硬电路支撑件。

11.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述电路支撑件在包括在所述第一和第二曲线迹线之间的区域中和/或在包括在所述第二曲线迹线与所述单元天线的近端区之间的区域中被穿孔(122)。

12.如权利要求1所述的天线，其特征在于，所述电路支撑件(124)是柔性电路支撑件。

13.如权利要求12所述的天线，其特征在于，所述柔性电路支撑件是具有多个径向分隔槽(126)的预开槽支撑件，所述径向分隔槽在所述单元天线(102)之间从所述天线的中央区(130)辐射。

14.如权利要求13所述的天线，其特征在于，所述柔性电路支撑件的位于所述径向分隔槽之间的各部分通过形成铰链的桥状物(132)各自连接到所述中央区(130)。

15.如权利要求12所述的天线，其特征在于，包括沉积在所述柔性电路支撑件的表面处在所述印刷结构的迹线的那一侧上的附加环氧树脂材料层。

16.一种无人机，包括

无人机机身(12)，两个机翼(16)以及至少两个臂从所述机身横向地延伸；

至少一个如权利要求1到15之一所述的天线(100)；以及

接纳所述天线的至少一个天线外壳(26)。

17.如权利要求16所述的无人机，其特征在于，包括对称地布置在所述机身(12)的每一侧上并被纳入所述无人机的所述机身的厚度或者机翼的厚度中的两个天线。

18.如权利要求16所述的无人机，其特征在于，所述单元天线的电路支撑件(124)是柔性电路支撑件，所述天线外壳(26)包括共形空腔，所述共形空腔包括作为所述单元天线(102)的相应倾斜面的对应物的多个倾斜平面(28)，并且在所述柔性电路支撑件(124)变形之后抵靠所述多个倾斜平面来承载所述单元天线。