CN113013641B - 一种基于spp传输线的分布式柔性阵列天线、多旋翼无人机 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种基于SPP传输线的分布式柔性阵列天线，包括：N个柔性天线子阵，用于发射和接收电磁信号；PIN二极管开关阵列，用于控制N个柔性天线子阵的开启或关闭；其中，PIN二极管开关阵列包括N个PIN二极管开关，N个PIN二极管开关与N个柔性天线子阵通过SPP传输线一一对应连接；N≥2。本公开还提供了一种多旋翼无人机。

Description

一种基于SPP传输线的分布式柔性阵列天线、多旋翼无人机

技术领域

本公开涉及雷达天线技术领域，具体涉及一种基于SPP传输线的分布式柔性阵列天线、多旋翼无人机。

背景技术

通信系统中更高的传输速率、更大的广域覆盖要求等对天线性能提出了更大的挑战，且由于无人平台的发展，对通信系统易安装共形提出了更高的要求。分布式、多波束及良好的共形能力是目前通信天线的重要发展方向。传统的分布式、多波束天线常采用例如龙伯球透镜、排布多个分立天线等方式来实现通信系统要求，体积大、重量重、覆盖范围有限且常不能与现今的无人平台共形设计，这对通信系统架构的制约已逐渐显现。

近年来，科研人员已投入了大量的研究工作，且提出了几种用于通信系统的大覆盖范围天线的设计方法。现有技术中产生大覆盖范围、易共形的天线设计具有以下缺陷：

(1)基于龙伯球等多波束天线重量大、覆盖范围有限，尚无法实现覆盖范围的有效控制及广域全覆盖性能。

(2)基于柔性材料设计的天线由于控制及传输线损耗等瓶颈，尚无法实现分布式广域覆盖设计，无法满足现今通信系统对天线覆盖范围等要求。

(3)现有的技术方案无法与各类无人平台进行共形，限制了通信系统使用场景。

发明内容

为了解决现有技术中上述问题，本公开提供了一种基于SPP传输线的分布式柔性阵列天线、多旋翼无人机，该分布式柔性阵列天线利用SPP传输线的易加工、抗耦合等特点实现复杂传输性能，结合PIN二极管控制电路实现分布式柔性阵列天线，其利用SPP传输线及PIN二极管控制电路的灵活性，实现大范围覆盖、易共形及可扩展的分布式天线阵列，能够满足现有通信系统的大覆盖范围、易加工扩展且与无人平台共形等需求。

本公开的第一个方面提供了一种基于SPP传输线的分布式柔性阵列天线，包括：N个柔性天线子阵，用于发射和接收电磁信号；PIN二极管开关阵列，用于控制N个柔性天线子阵的开启或关闭；其中，PIN二极管开关阵列包括N个PIN二极管开关，N个PIN二极管开关与N个柔性天线子阵通过SPP传输线一一对应连接；其中，N≥2。

进一步地，N个柔性天线子阵相互平行且等间距分布或呈圆形等间距分布或呈正多边形等间距分布。

进一步地，N个柔性天线子阵和SPP传输线均柔软且可以弯曲折叠。

进一步地，分布式柔性阵列天线还包括：控制电路，用于控制PIN二极管开关阵列的使能状态。

进一步地，PIN二极管开关阵列的使能状态包括开启状态和断开状态；其中，当控制电路输出信号为“1”时，控制电路控制每个PIN二极管开关开启；当控制电路输出信号为“0”时，控制电路控制每个PIN二极管开关断开。

进一步地，控制电路还用于调控N个柔性天线子阵发射信号的覆盖角度、频率及不同波束宽度。

进一步地，N个柔性天线子阵的发射信号角度覆盖范围为0°～360°，频率调控范围为1～6GHz。

进一步地，N个柔性天线子阵为柔性材料构成的频率可重构天线或方向图可重构天线或极化可重构天线或多电磁参数可重构天线中的一种或多种。

本公开的第二个方面提供了一种多旋翼无人机，包括：如上述第本公开第一个方面所述的基于SPP传输线的分布式柔性阵列天线。

进一步地，N个柔性天线子阵分别设置于所述多旋翼无人机平台的各旋翼臂上。

本公开与现有技术相比，具备以下有益效果：

(1)SPP传输线实现柔性天线子阵的灵活连接。

(2)柔性天线子阵灵活分布排列，实现大范围覆盖功能。

(3)PIN二极管开关阵列实现所有柔性天线子阵的开启、关闭控制。

(4)控制电路根据具体应用控制PIN二极管开关，从而实现天线的辐射或者关闭。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1示意性示出了根据本公开实施例的基于SPP传输线的分布式柔性阵列天线结构示意图；

图2示意性示出了根据本公开实施例的基于SPP传输线的分布式柔性阵列天线应用于多旋翼无人机平台的示意图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

附图中示出了一些方框图和/或流程图。应理解，方框图和/或流程图中的一些方框或其组合可以由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，从而这些指令在由该处理器执行时可以创建用于实现这些方框图和/或流程图中所说明的功能/操作的装置。本公开的技术可以硬件和/或软件(包括固件、微代码等)的形式来实现。另外，本公开的技术可以采取存储有指令的计算机可读存储介质上的计算机程序产品的形式，该计算机程序产品可供指令执行系统使用或者结合指令执行系统使用。

图1示意性示出了根据本公开实施例的基于SPP传输线的分布式柔性阵列天线结构示意图。

如图l所示，该基于SPP传输线的分布式柔性阵列天线包括：

N个柔性天线子阵1，用于发射和接收电磁信号。

PIN二极管开关阵列2，用于控制N个柔性天线子阵1的开启或关闭；其中，PIN二极管开关阵列2包括N个PIN二极管开关，N个PIN二极管开关与N个柔性天线子阵1通过SPP传输线3一一对应连接；其中，N≥2。

其中，SPP是表面等离激元的(surface plasmon，SP)的一种，具体是指在金属和介质交界面上传播的表面等离极化激元(surface plasmon polaritons，SPP)，基于该效应制备的传输线，具有宽频带、高束缚、低损耗、可共形的电磁波传输性能，SPP传输线具备非常好的导波特性，能够实现电磁波沿弯曲、螺旋等不规则表面的传输，实现电路的更加小型化。

根据本公开的实施例，N个柔性天线子阵1及SPP传输线3可以根据应用平台的形状进行布置，从而达到电磁信号广域覆盖，控制电路根据使用需求。具体地，根据应用平台形状，N个柔性天线子阵1可以相互平行且等间距分布或呈圆形等间距分布或呈正多边形等间距分布，其还可以进行不规则分布来适用应用平台的形状。N个柔性天线子阵1和SPP传输线3均柔软且可以弯曲折叠，该弯曲折叠的形状根据实际应用平台决定，可将柔性天线子阵1共形排布于应用平台的各个方位，SPP传输线3可以设计在柔性介质中，能够实现柔性天线子阵馈电网络的灵活布线，实现天线子阵大范围覆盖功能。

本公开的实施例中，N个柔性天线子阵1为柔性材料构成的频率可重构天线或方向图可重构天线或极化可重构天线或多电磁参数可重构天线。其中，通过切换天线不同的状态使天线具有多种工作模式，满足系统通信对频率、多通道需求。

其中，频率可重构天线，是指工作频率在一定的频带范围内具有连续或离散可调能力，同时天线的辐射方向图，极化特性基本保持不变的天线。按照频率重构的方式，其可分为频率连续可调和频率离散可调两类。通过记载变容二极管即可重构天线的工作频率。频率可重构天线可以为微带贴片天线、平面振子天线、平面倒F天线(PIFA)及微带缝隙天线等。

极化可重构天线，是指能够在工作频率和辐射方向图不变的情况下，改变自身的极化特性的天线。极化可重构天线包括：极化正交的两种线极化之间的切换、两种圆极化之间的切换、圆极化与线极化之间的切换。

方向图可重构天线，是指在保持天线频率和极化特性参数不变的情况下，对辐射方向图具有重构能力的天线。由于天线辐射结构上的电流分布直接决定了天线辐射方向图的特性，为了设计具有特定方向图的可重构天线，天线设计者必须要选择所需要的各种电流分布，以及在它们之间切换的方法。

多电磁参数可重构天线，是指对天线的工作频率、极化方式和辐射方向图分别具有独立调节能力的天线，这种混合方式的重构天线具有更加多功能化，进一步提升其在无线通信系统的作用，提高通信系统的性能。

根据本公开的实施例，该分布式柔性阵列天线还包括：控制电路4，用于控制PIN二极管开关阵列2的使能状态。

具体地，PIN二极管开关阵列2的使能状态包括开启状态和断开状态；其中，当控制电路4输出信号为“1”时，控制电路4控制每个PIN二极管开关开启，以使各柔性天线子阵1开启开始工作；当控制电路4输出信号为“0”时，控制电路4控制每个PIN二极管开关断开，以使各柔性天线子阵1断开停止工作。

具体地，根据系统在不同方位波束覆盖的要求，控制电路4还可以用于调控N个柔性天线子阵1发射信号的覆盖角度、频率及不同波束宽度，实现天线子阵的辐射控制，例如，根据实际应用需求，当控制电路4输出控制N个柔性天线子阵1的工作频率为2GHz时，其控制该N个柔性天线子阵1的工作频率设置在2GHz，并保持该频率下持续工作。本公开的实施例中，N个柔性天线子阵的发射信号角度覆盖范围为0°～360°，频率调控范围为1～6GHz。

需说明的是，上述实施例中提供的天线阵列结构并不构成对本公开的限定，其结构可依据实际情况而进行修改，例如基于SPP传输线的连接方式可以采用其他低损耗柔性线缆代替，PIN二极管阵列可以采用其他开关阵列代替实现。

图2示意性示出了根据本公开实施例的基于SPP传输线的分布式柔性阵列天线应用于多旋翼无人机平台的示意图。

如图2所示，在无人机平台上，本公开的优势表现为柔性天线子阵1可以根据无人机各个旋翼臂进行共形设计。多旋翼各个旋翼臂上的柔性天线子阵1可以利用PIN二极管开关阵列2进行控制，两者通过SPP传输线3连接，灵活易调整。控制电路4根据通信系统对各个角度波束覆盖需求，控制PIN二极管开关阵列2电路中的开、断，及柔性天线子阵1发射信号的覆盖角度、频率及不同波束宽度，从而达到对不同角度柔性天线子阵1的控制，实现不同角度、不同波束宽度、频率的波束覆盖需求。

其中，基于SPP传输线的分布式柔性阵列天线应用于多旋翼无人机中，柔性天线子阵1的个数与多旋翼无人机的旋翼臂的数量相等，即每个无人机旋翼臂上对应一个柔性天线子阵1。

本公开实施例中，多旋翼无人机是具有三个及以上旋翼轴的特殊的无人驾驶直升机，其通过每个轴上的电动机转动，带动旋翼，从而产生升推力。通过改变不同旋翼之间的相对转速，可以改变单轴推进力的大小，从而控制飞行器的运行轨迹。

具体地，控制电路4可设置于多旋翼无人机的机体内，各柔性天线子阵1与PIN二极管开关阵列2中的各PIN二极管开关通过柔性SPP传输线连接，利用柔性SPP传输线3的柔性、传输性能好、低损耗等优势，可将其灵活部署在多旋翼无人机上，例如从多旋翼无人机的机体内穿过各机翼表面，以使各柔性天线子阵1与各PIN二极管开关连接。

本公开实施例中，如图2所示，柔性天线子阵1的共形设计可根据应用平台的形状灵活设计，满足天线对各角度波束覆盖需求。

需说明的是，本公开提供的一种基于SPP传输线的分布式柔性阵列天线，包括但不仅限于适用于多旋翼无人机平台，还可以用于其他探测设备上，如无人侦察机等。

本公开提供的一种基于SPP传输线的分布式柔性阵列天线，其能够根据通信系统不同需求，通过SPP传输线灵活排布柔性天线，能够使天线辐射覆盖更大的范围。另外，通过控制电路4能够实时控制调整辐射天线，实现方式更加灵活，且能够与无人平台共形设计，满足现有通信系统对天线共形设计需求，实现了柔性天线在载体各处的贴合设计及控制。

附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的装置的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块的一部分，上述模块的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件或器件的组合来实现。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (9)

1.一种基于表面等离极化激元（SPP）传输线的分布式柔性阵列天线，其特征在于，包括：

N个柔性天线子阵，用于发射和接收电磁信号；

PIN二极管开关阵列，用于控制所述N个柔性天线子阵的开启或关闭；

其中，所述PIN二极管开关阵列包括N个PIN二极管开关，所述N个PIN二极管开关与所述N个柔性天线子阵通过SPP传输线一一对应连接；N≥2；其中，所述N个柔性天线子阵和所述SPP传输线均柔软且可以弯曲折叠。

2.根据权利要求1所述的基于SPP传输线的分布式柔性阵列天线，其特征在于，所述N个柔性天线子阵相互平行且等间距分布或呈圆形等间距分布或呈正多边形等间距分布。

3.根据权利要求1所述的基于SPP传输线的分布式柔性阵列天线，其特征在于，所述分布式柔性阵列天线还包括：

控制电路，用于控制所述PIN二极管开关阵列的使能状态。

4.根据权利要求3所述的基于SPP传输线的分布式柔性阵列天线，其特征在于，所述PIN二极管开关阵列的使能状态包括开启状态和断开状态；其中，当所述控制电路输出信号为“1”时，所述控制电路控制所述每个PIN二极管开关开启；当所述控制电路输出信号为“0”时，所述控制电路控制所述每个PIN二极管开关断开。

5.根据权利要求3所述的基于SPP传输线的分布式柔性阵列天线，其特征在于，所述控制电路还用于调控所述N个柔性天线子阵发射信号的覆盖角度、频率及不同波束宽度。

6.根据权利要求5所述的基于SPP传输线的分布式柔性阵列天线，其特征在于，所述N个柔性天线子阵的发射信号角度覆盖范围为0°~360°，频率调控范围为1~6GHz。

7.根据权利要求1所述的基于SPP传输线的分布式柔性阵列天线，其特征在于，所述N个柔性天线子阵为柔性材料构成的频率可重构天线或方向图可重构天线或极化可重构天线或多电磁参数可重构天线中的一种或多种。

8.一种多旋翼无人机，其特征在于，包括：如权利要求1至7中任意一项所述的基于SPP传输线的分布式柔性阵列天线。

9.根据权利要求8所述的多旋翼无人机，其特征在于，所述N个柔性天线子阵分别设置于所述多旋翼无人机平台的各旋翼臂上。

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