CN109244633A - 用于无人机被动探测的集成式有源天线装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于无人机被动探测的集成式有源天线装置，包括底盘、中心固定件、多个用于接收无人机低频信号的低频天线单元以及多个用于接收无人机中、高频信号的中高频天线单元，低频天线单元集成设置有相互连接的低频天线阵元以及低频射频前端电路，中高频天线单元集成有相互连接的中频天线阵元、中频射频前端电路以及相互连接的高频天线阵元、高频射频前端电路，各低频天线单元、中高频天线单元通过中心固定件间隔固定安装在底盘上。本发明具有结构简单紧凑、集成度及探测精度高、空间利用率大、体积重量小且便于安装方便等优点。

Description

用于无人机被动探测的集成式有源天线装置

技术领域

本发明涉及无人机被动探测技术领域，尤其涉及一种用于无人机被动探测的集成式有源天线装置。

背景技术

目前无人机使用范围越来越广泛，已经成为了各个行业的专业设备、生活工具，使得可以极大的节省工作时间，提高工作效率，但在某些重点区域，比如机场、监狱、政府部门等，无人机会给这些敏感区域带来了安全隐患。因此亟需通过反无人机被动探测，完成对无人机探测、压制、截获等功能，实现对要地区域的安防保障。

探测天线是反无人机探测设备的关键部件，也是无线电测向设备的重要组成部分，探测天线的排布及性能决定了探测设备的总体性能，涉及探测距离、抗干扰、测向精度等。目前反无人机探测探测设备通常是全向全方位探测，使用的探测天线大多均为无源天线，且通常为超宽带波束天线或是窄带定向天线，而无源天线需与射频前端电路进行分立设计，再通过射频同轴电缆进行连接，使得空间利用率小、集成程度差，还会带来链路损耗，同时对于超宽带波束天线，天线波束角度大、增益低，因而基于超宽带波束天线的探测系统的探测精度低，且总体天线体积较大，而窄带定向天线要实现对多个无人机频段进行探测，则必须使用多个不同频段的全向天线装置，每个全向天线装置再进行高度分层设计，该类天线装置同样存在总体体积较大、空间利用率低且天线安装复杂等问题。

中国专利申请201711326667.0公开一种用于反无人机被动探测及定位的天线装置，该方案采用无源天线的方式，通过同时配置多个低频天线阵元、多个中频天线阵元以及多个高频天线阵元，使得由一套天线装置可同时接收低频信号、中频信号以及高频信号，三个频段的天线阵元分两层设置以实现信号间的隔离，减少低频、中频、高频天线阵元间的耦合，但是该方案中各天线阵元与射频前端电路分立设计，各天线阵元再通过射频同轴电缆进行连接，且整个天线装置采用分层设置结构，空间利用率及集成程度仍然不高，天线装置的整体体积仍然较大，且会存在链路损耗。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、集成度及探测精度高、空间利用率大、体积重量小且便于安装方便的用于无人机被动探测的集成式有源天线装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种用于无人机被动探测的集成式有源天线装置，包括底盘、中心固定件、多个用于接收无人机低频信号的低频天线单元以及多个用于接收无人机中、高频信号的中高频天线单元，所述低频天线单元集成设置有相互连接的低频天线阵元以及低频射频前端电路，所述中高频天线单元集成有相互连接的中频天线阵元、中频射频前端电路以及相互连接的高频天线阵元、高频射频前端电路，各所述低频天线单元、所述中高频天线单元通过所述中心固定件间隔固定安装在所述底盘上。

作为本发明的进一步改进：各所述低频天线单元、各所述中高频天线单元分别以所述中心固定件为中心按照指定角度的间隔进行布置。

作为本发明的进一步改进：各所述低频天线单元与各所述中高频天线单元之间相互交错分布。

作为本发明的进一步改进：所述低频天线单元布置N1个，且N1=360/a1，其中a1为单个低频天线阵元的半功率波束宽度，各所述低频天线单元按照间隔360/N1度布置，所述中高频天线单元布置N2个，且N2=360/a2，其中a2为单个中频或高频天线阵元的半功率波束宽度，各所述中高频天线单元按照间隔360/N2度布置。

作为本发明的进一步改进：所述低频天线单元还包括第一电路板，所述低频天线阵元、低频射频前端电路集成设置在所述第一电路板上。

作为本发明的进一步改进：所述中高频天线单元还包括第二电路板，所述中频天线阵元、高频天线阵元以及所述中频射频前端电路、高频射频前端电路集成设置在所述第二电路板上。

作为本发明的进一步改进：所述中频天线阵元、高频天线阵元间隔布置在所述第二电路板上；所述低频天线阵元与所述高频天线阵元在纵向空间上错开放置，使得所述低频天线阵元与所述高频天线阵元的中心在纵向上错开指定距离。

作为本发明的进一步改进：所述低频射频前端电路、中频射频前端电路以及高频射频前端电路均包括依次连接的放大器模块、衰减网络以及带通滤波器模块，通过所述衰减网络调节信号大小。

作为本发明的进一步改进：每个所述低频天线单元、中高频天线单元分别固定在一支撑架内。

作为本发明的进一步改进：所述中心固定件上开设有分别与各所述低频天线单元、中高频天线单元的一侧端匹配的第一定位卡槽，所述底盘上开设有分别与各所述低频天线单元、中高频天线单元的底部匹配的第二定位卡槽。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1）本发明用于无人机被动探测的集成式有源天线装置，通过在一套天线装置中同时布置低频、中频及高频三个频段的天线阵列，可以实现对三个频段的无人机全向探测，同时采用集成式的有源天线结构，将天线阵元与对应的射频前端电路进行一体化集成，天线阵元无需再通过射频电缆与射频前端电路相连，可以提高天线装置的空间利用率、减少天线装置的体积，使得结构布局更加紧凑，且可以降低系统链路损耗。

2）本发明用于无人机被动探测的集成式有源天线装置，考虑三个频段天线特性，通过将中频天线与高频天线进行集成设置，减小中频天线、高频天线与低频天线之间的尺寸差异，使得低频天线可以与中、高频天线布置在同一层空间，无需进行分层设置，结合集成式有源天线结构，可以最大限度的提高天线装置的空间利用率、提升结构布局的紧凑性及集成化程度以及减少天线装置的体积。

3）本发明用于无人机被动探测的集成式有源天线装置，进一步各低频天线单元与各中高频天线单元之间相互交错分布，可以实现信号间的隔离，减少低频、中频、高频天线阵元间的耦合。

4）本发明用于无人机被动探测的集成式有源天线装置，进一步中高频天线与低频天线分别按照间隔360º/N 布置于同一圆周上，使得在同一圆周上同时排布三个频段的全向探测天线，能够实现三个频段覆盖360º的全向探测范围，从而可以在方位面形成3个同时覆盖360º的比幅测向天线阵列。

5）本发明用于无人机被动探测的集成式有源天线装置，进一步通过使中频天线、高频天线间隔布置，低频天线与高频天线空间上错开布置等，能够在提高装置整体布局紧凑性、减少天线体积的同时，有效减小各个天线之间的耦合影响，保证天线整体性能。

附图说明

图1是本实施例用于无人机被动探测的集成式有源天线装置的结构示意图。

图2是本实施例低频天线单元的结构示意图。

图3是本实施例中高频天线单元的结构示意图。

图4是本实施例中射频前端电路的结构原理示意图。

图例说明：1、底盘；2、中心固定件；3、低频天线单元；31、低频天线阵元；32、低频射频前端电路；33、第一电路板；4、中高频天线单元；41、中频天线阵元；42、中频射频前端电路；43、高频天线阵元；44、高频射频前端电路；45、第二电路板；5、固定孔；6、支撑架；7、第一定位卡槽；8、第二定位卡槽；9、定位部件。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1～4所示，本实施例用于无人机被动探测的集成式有源天线装置包括底盘1、中心固定件2、多个用于接收无人机低频信号的低频天线单元3以及多个用于接收无人机中、高频信号的中高频天线单元4，低频天线单元3集成设置有相互连接的低频天线阵元31以及低频射频前端电路32，中高频天线单元4集成有相互连接的中频天线阵元41、中频射频前端电路42以及相互连接的高频天线阵元43、高频射频前端电路44，中心固定件2垂直固定在底盘1上，各低频天线单元3、中高频天线单元4通过中心固定件2间隔固定安装在底盘1上，其中射频前端电路用于将射频信号传输给后级电路。

本实施例通过在一套天线装置中同时布置低频、中频及高频三个频段的天线阵列，可以实现对三个频段的无人机全向探测，同时采用集成式的有源天线结构，将天线阵元与对应的射频前端电路进行一体化集成，天线阵元无需再通过射频电缆与射频前端电路相连，可以提高天线装置的空间利用率、减少天线装置的体积，使得结构布局更加紧凑，且可以降低系统链路损耗。

由于低频天线阵元频率低、波长大，低频天线的尺寸较大，而中、高频天线的频率高、波长小，中、高频天线的尺寸较小，本实施例同时考虑三个频段天线特性，通过将中频天线与高频天线进行集成设置，可以减小中频天线、高频天线与低频天线之间的尺寸差异，使得低频天线可以与中、高频天线布置在同一层空间，无需进行分层设置，且可以减少整体的全向探测天线的阵元数量，结合上述集成式有源天线结构，可以最大限度的提高天线装置的空间利用率、提升结构布局的紧凑性、集成化程度，从而最大限度的减少天线装置的体积。

本实施例具体配置使得低频天线单元3与中高频天线单元4的大小尺寸相等，即中、高频天线集成后的尺寸与低频天线的尺寸相等，则装置中所有有源天线阵列的天线尺寸均相同，有利于进行空间布局以及结构简化，当然也可以根据实际需求配置使得低频天线单元3、中高频天线单元4的尺寸不完全相同，以减小实现难度，如可使得两者的尺寸大小相差在一定范围内。

本实施例中，各低频天线单元3、各中高频天线单元4分别以中心固定件2为中心按照指定角度的间隔进行布置，即各个低频天线单元3、中高频天线单元4均间隔布置于以中心固定件2为圆心的同一圆周上，使得在同一圆周上同时排布了中高频、低频三个频段的全向探测天线，可以实现三个频段的无人机全向探测，进一步提高整个天线装置的布局紧凑性及空间利用率。本实施例中心固定件2具体呈圆柱状，垂直固定在底盘1的中心位置，各个低频天线单元3、中高频天线单元4分别以中心固定件2为圆心间隔一定角度布置，每个低频天线单元3、中高频天线单元4的一侧端固定在中心固定件2上，底部固定在底盘1上。

本实施例中，各低频天线单元3与各中高频天线单元4之间相互交错分布，即每个低频天线单元3与每个中高频天线单元4交错布置，每个低频天线单元3布置在两个中高频天线单元4之间，每个中高频天线单元4布置在两个低频天线单元3之间，通过交错分布可以实现信号间的隔离，减少低频、中频、高频天线阵元间的耦合。

本实施例中，低频天线单元3布置N1个，且N1=360/a1，其中a1为单个低频天线阵元31的半功率波束宽度，各低频天线单元3按照间隔360/N1度布置，中高频天线单元4布置N2个，且N2=360/a2，其中a2为单个中频天线阵元41或高频天线阵元43的半功率波束宽度，各中高频天线单元4按照间隔360/N2度布置，即天线数量具体可以根据单个天线阵元最大探测距离配置的半功率波束宽度a按照N=360/a进行选取，以将中高频天线与低频天线分别按照间隔360º/N 布置于同一圆周上，能够实现三个频段覆盖360º的全向探测范围。N1、N2具体可以配置为相同，也可以配置为不同。

在具体应用实施例中，低频、中频以及高频天线阵元的波束宽度要求均为60°，则取N=6，即所需的低频、中高频天线阵列的数量均为6，则整个天线阵元的数量为12，同时为了使整个天线装置结构紧凑，6个中高频天线阵元在方位面均匀分布，6个低频天线阵元31以间隔中高频天线30°匀分布在同一圆周上，每个相同阵元天线间的安装指向差异与天线阵元的3dB波束宽度相同，从而可以在方位面形成3个同时覆盖360º的比幅测向天线阵列。当然在其他实施例中也可以配置更多的低频、中高频天线数量使得相邻低频、相邻中高频天线之间的覆盖范围具有重叠交叉区域。

如图2所示，本实施例中低频天线单元3还包括第一电路板33，低频天线阵元31、低频射频前端电路32集成设置在第一电路板33上，即将低频天线与对应的射频前端电路集成在一块印制电路板上，构成有源天线结构，整个低频天线单元3呈矩形板状，低频天线阵元31无需通过射频电缆与低频射频前端电路32相连，可以提高天线的布局紧凑性、空间利用率，减少天线体积及链路损耗。低频射频前端电路32的输出端口为第一SMA连接器34，通过射频同轴电缆可以与外部电路进行连接；低频天线单元3上开设有若干个固定孔5，以通过固定孔5与支撑架6进行固定。

如图3所示，本实施例中高频天线单元4还包括第二电路板45，中频天线阵元41、高频天线阵元43及中频射频前端电路42、高频射频前端电路44集成设置在第二电路板45上，即将中、高频天线以及对应的射频前端电路集成在一块印制电路板上，实现中、高频一体化设计，构成有源天线结构，中频天线阵元41、高频天线阵元43无需通过射频电缆与中频射频前端电路42、高频射频前端电路44相连，整个中高频天线单元4呈矩形板状，且与低频天线单元3的尺寸相同，使得整个天线装置的布局更加紧凑、空间利用率更高，便于进行天线的布局设置及固定安装。当然低频天线单元3、中高频天线单元4的形状也可以根据实际需求调整为其他的形状，如方形、梯形或其他不规则形状等。中频天线的输出端口为第二SMA连接器46，通过射频同轴电缆可以与外部电路进行连接；中频天线上开有若干个固定孔5，以通过固定孔5与支撑架6进行固定，高频天线的输出端口为第三SMA连接器47，通过射频同轴电缆可以与外部电路进行连接，天线上同样开有若干个固定孔5，以通过固定孔5与支撑架6进行固定。

本实施例中，中频天线阵元41、高频天线阵元43间隔布置在第二电路板45上，以将中频天线阵元41、高频天线阵元43进行空间隔离，避免中频、高频天线之间的信号干扰。具体将中频天线阵元41与高频天线阵元43按照一定高度的间距隔离布置，如可以将中频天线阵元41布局在印刷电路板上部分，间隔一定距离的下部分再布置高频天线阵元43，也可以将中频天线阵元41布局在印刷电路板的下部分，间隔一定距离的上部分再布置高频天线阵元43。

如图4所示，本实施例中低频射频前端电路32、中频射频前端电路42以及高频射频前端电路44的结构相同，均包括依次连接的放大器模块、衰减网络以及带通滤波器模块，通过衰减网络调节信号，即带通滤波器模块的输入端设置有用于调节信号的衰减网络，通过在带通滤波器模块前设置衰减网络，可以调整各个天线通道的一致性，使各个通道的接收幅度保持一致性。放大器模块具体采用低噪声放大器，所有天线的输出端均为SMA连接器，如需要与外部电路进行连接，则可通过射频同轴电缆进行连接。

本实施例中，低频射频前端电路32具体包括第一低噪放大器和第一带通滤波器，第一低噪放大器和第一带通滤波器通过第一电源进行供电；为了使链路中接收机不会被饱和，第一带通滤波器的带外抑制能力强，以此来保证带内信号的正常接收，选择出有用信号，抑制带外信号。由于低频天线阵列包含多个低频天线阵元31，因此为了使各个通道接收幅度一致性好，在第一带通滤波器前设置一个衰减网络用来调整各个通道的一致性。

本实施例中频射频前端电路42具体包括第二低噪放大器和第二带通滤波器，第二低噪放大器通过第二电源进行供电；为了使链路中接收机不会被饱和，第二带通滤波器的带外抑制能力要强，以此来保证带内信号的正常接收，选择出有用信号，抑制带外信号。由于中频天线阵列包含多个中频天线阵元41，为了使各个通道接收幅度一致性好，在第二带通滤波器前设置一个衰减网络用来调整各个通道的一致性。

本实施例高频射频前端电路44具体包括第三低噪放大器和第三带通滤波器，由于中频天线阵元与高频天线阵元集成设计在同一印刷电路板上，中频射频前端电路42和高频射频前端电路共用一个5V电源进行供电。同样为了使链路中接收机不会被饱和，第三带通滤波器的带外抑制能力要强，以此来保证带内信号的正常接收，选择出有用信号，抑制带外信号。由于高频天线阵列包含多个高频天线阵元43，因此为了使各个通道接收幅度一致性好，在第三带通滤波器前设置一个衰减网络用来调整各个通道的一致性。

为了便于天线固定，本实施例中每个低频天线单元3、中高频天线单元4分别固定在一支撑架6内，可以保证各天线的稳固性，低频天线单元3、中高频天线单元4尺寸一致时，可以采用结构一致的支撑架6固定各低频天线单元3、中高频天线单元4。本实施例具体每个低频天线单元3、中高频天线单元4上开设固定孔5，每个低频天线单元3、中高频天线单元4分别通过固定孔5再使用固定螺栓等固定在支撑架6内。进一步支撑架6的底角处还设置有定位部件9，定位部件9上开设有定位孔，使得可以通过定位孔使用固定螺栓等将支撑架6与底盘1进一步固定，进一步保证天线的稳固性，如图1所示，具体在支撑架6底部两侧设置定位耳座的定位部件9，以将支撑架6进一步固定在底盘1上。

如图1所示，本实施例中心固定件2上开设有分别与各低频天线单元3、中高频天线单元4的一侧端匹配的第一定位卡槽7，底盘1上开设有分别与低频天线单元3、中高频天线单元4的底部匹配的第二定位卡槽8，每个低频天线单元3、中高频天线单元4的一侧端通过第一定位卡槽7与中心固定件2固定，底部通过第二定位卡槽8与底盘1固定，通过定位卡槽的方式，可以使得天线在安装结构简单，且便于拆装。

本实施例每个低频天线单元3、中高频天线单元4以中心固定件2为圆心并分别通过第一定位卡槽7、第二定位卡槽8均匀固定在中心固定件2及底盘1上，每个天线均使用一个固定支撑架6进行固定安装，每个支撑架6与天线PCB上均开有若干个固定孔5，以通过固定孔5将天线与支撑架6进行固定，所有支撑架6同样以中心固定件2为圆心，通过第一定位卡槽7将支撑架6固定在中心固定件2上，并通过第二定位卡槽8将支撑架6固定在底盘1上。

本实施例中，中心固定件2和底盘1具体可采用塑料材质，以减小天线装置的重量。

本实施例中低频天线阵元31具体采用小型化超宽带天线，天线覆盖频率范围为840MHz~930MHz，天线主辐射方向为垂直极化定向辐射。由于低频天线阵元31频率低，波长大，本实施例具体对传统定向天线进行小型化处理，通过采用小型化超宽带天线，同时使得天线在该频段范围内满足天线指标，包含天线增益、波束宽度、端口回波损耗值。

本实施例中频天线阵元41具体采用传统窄带定向天线，天线覆盖频率范围为2400MHz~2500Hz，天线主辐射方向为垂直极化定向辐射。由于中频天线阵元41频率较高且波长较短，采用传统的天线形式就能满足高增益等性能指标；高频天线阵元43采用窄带定向天线，天线覆盖频率范围为5700MHz~5850MHz，天线主辐射方向为垂直极化定向辐射。由于高频天线阵元43频率更高、波长更短，高频天线阵元43尺寸小，采用传统的天线形式就能满足高增益等性能指标。

为了实现无源探测系统的高测向精度，低频天线单元3、中高频天线单元4均应满足天线方向性好的要求，由于高频天线阵元43受周围因素影响大，各个天线之间均存在耦合影响，为了降低各天线之间的影响，本实施例进一步将低频天线阵元31与高频天线阵元43在空间上错开放置，使得低频天线阵元31与高频天线阵元43的中心在纵向上错开指定距离，如高频天线阵元43布置在印刷电路板的上部分时，可将低频天线阵元31的中心整体向下移动10~30mm，优选为25mm，最终通过电磁仿真软件优化，使得三个频段的天线阵元的方向性满足要求。

通过采用上述天线装置，能够实现对低频、中频及高频三个频段无人机的全方位探测，同时结合中、高频天线的集成设置、天线阵元及射频前端电路的一体化设置、以及中高频天线与低频天线在同一圆周内的分布结构，能够极大的提高整个天线装置的集成度，使得总体体积小、空间利用率大，且安装结构简单、探测距离远等。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种用于无人机被动探测的集成式有源天线装置，其特征在于：包括底盘（1）、中心固定件（2）、多个用于接收无人机低频信号的低频天线单元（3）以及多个用于接收无人机中、高频信号的中高频天线单元（4），所述低频天线单元（3）集成设置有相互连接的低频天线阵元（31）以及低频射频前端电路（32），所述中高频天线单元（4）集成有相互连接的中频天线阵元（41）、中频射频前端电路（42）以及相互连接的高频天线阵元（43）、高频射频前端电路（44），各所述低频天线单元（3）、所述中高频天线单元（4）通过所述中心固定件（2）间隔固定安装在所述底盘（1）上。

2.根据权利要求1所述的用于无人机被动探测的集成式有源天线装置，其特征在于：各所述低频天线单元（3）、各所述中高频天线单元（4）分别以所述中心固定件（2）为中心按照指定角度的间隔进行布置。

3.根据权利要求2所述的用于无人机被动探测的集成式有源天线装置，其特征在于：各所述低频天线单元（3）与各所述中高频天线单元（4）之间相互交错分布。

4.根据权利要求3所述的用于无人机被动探测的集成式有源天线装置，其特征在于：所述低频天线单元（3）布置N1个，且N1=360/a1，其中a1为单个所述低频天线阵元（31）的半功率波束宽度，各所述低频天线单元（3）按照间隔360/N1度布置，所述中高频天线单元（4）布置N2个，且N2=360/a2，其中a2为单个所述中频天线阵元（41）或所述高频天线阵元（43）的半功率波束宽度，各所述中高频天线单元（4）按照间隔360/N2度布置。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的用于无人机被动探测的集成式有源天线装置，其特征在于：所述低频天线单元（3）还包括第一电路板（33），所述低频天线阵元（31）、低频射频前端电路（32）集成设置在所述第一电路板（33）上。

6.根据权利要求5所述的用于无人机被动探测的集成式有源天线装置，其特征在于：所述中高频天线单元（4）还包括第二电路板（45），所述中频天线阵元（41）、所述中频射频前端电路（42）以及高频天线阵元（43）、高频射频前端电路（44）集成设置在所述第二电路板（45）上。

7.根据权利要求6所述的用于无人机被动探测的集成式有源天线装置，其特征在于：所述中频天线阵元（41）、高频天线阵元（43）间隔布置在所述第二电路板（45）上；所述低频天线阵元（31）与所述高频天线阵元（43）在纵向空间上错开放置，使得所述低频天线阵元（31）与所述高频天线阵元（43）的中心在纵向上错开指定距离。

8.根据权利要求1～4中任意一项所述的用于无人机被动探测的集成式有源天线装置，其特征在于：所述低频射频前端电路（32）、中频射频前端电路（42）以及高频射频前端电路（44）均包括依次连接的放大器模块、衰减网络以及带通滤波器模块，通过所述衰减网络调节信号大小。

9.根据权利要求1～4中任意一项所述的用于无人机被动探测的集成式有源天线装置，其特征在于：每个所述低频天线单元（3）、中高频天线单元（4）分别固定在一支撑架（6）内。

10.根据权利要求1～4中任意一项所述的用于无人机被动探测的集成式有源天线装置，其特征在于：所述中心固定件（2）上开设有分别与各所述低频天线单元（3）、中高频天线单元（4）的一侧端匹配的第一定位卡槽（7），所述底盘（1）上开设有分别与各所述低频天线单元（3）、中高频天线单元（4）的底部匹配的第二定位卡槽（8）。