CN113196568A - 天线组件和天线系统 - Google Patents

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Abstract

天线组件包括具有全向扇区的可控相控阵天线以及GNSS天线的组合，且天线系统包括该天线组件。

Description

天线组件和天线系统
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的天线组件。
本发明还涉及根据权利要求12的前序部分的天线系统。
本发明尤其涉及一种包括具有全向扇区的可控相控阵天线和GNSS天线的组合的天线组件和天线系统。
背景技术
用于移动行为的现有通信方案(例如船舶或其它运动工具)通常是全向，从而沿全部方向发送信号。其它通信方案使用具有扇区固定或高增益可控的定向天线方案，例如抛物面天线，这通过使用机械天线技术而朝向接收器发送强大的窄波束。
可控相控阵天线能够通过在全向操作扇区中具有高增益可控波束而组装为混合通信方案。为了在海上环境中使用相控阵天线，操作区域必须是全向，以便在船舶航向根据操作和船舶在海上的运动而变化时保持稳定的链路。实时可控相控阵能够通过全向扇区来将传输的最大方向引导至接收器的方向，并使用通向接收器的最强链路通路。
由US2018239028A1已知一种用于使用GNSS确定位置的组件，具有天线组件和评估组件，该天线组件包括多个天线，该评估组件布置在下游，其中，所述评估组件供给有天线接收的信号，并包含GNSS接收器和评估装置，该GNSS接收器附接在天线上，该评估装置在GNSS接收器的下游连接。为了提高在确定位置时的精度和可靠性，一些冗余GNSS接收器与GNSS接收器并联地连接，且比较器在下游连接，其中，当在第一GNSS接收器的输出信号和冗余GNSS接收器的还一输出信号之间存在差异时，所述比较器停止产生相应的主方向矢量信号。
当信号向全部方向传送时，全向天线需要更高的功率来保持远距离的通信链路。这与定向系统相比使得系统范围有限。全向天线系统不能补偿在发送器和接收器之间的链路通路环境的变化，以便补偿船舶或运动工具的动态行为。
由US2015280317A1已知一种布置有双圆锥形天线的系统和装置，该双圆锥形天线有顶部圆锥体组件和底部圆锥体组件，其中，顶部天线组件的部件与底部天线组件的部件类似。该组件有中间圆锥体和最顶侧圆锥体。中间圆锥体和最顶侧圆锥体在中间圆锥体的缘处连接。该缘也可以看作是在侧面和底部之间的脊或峰或尖锐相交点。中间圆锥体的圆锥体顶点终止于电介质垫片。圆锥体部分的高度应当等于中间圆锥体的高度，从而使得脊定位在电介质垫片处的圆锥体顶点和最顶侧圆锥体的顶部缘之间的中间位置。另外，最顶侧圆锥体的顶部缘的直径等于天线的总高度。在发射模式中，电磁波从同轴电缆通过馈电部分(电介质垫片)传播至天线组件，并向外辐射。馈电必须与在同轴电缆和天线组件区域之间的波阻抗匹配。由于存在电介质垫片，匹配可能证明很困难。当馈电设计较差时，在馈电以及在截头圆锥形区域和圆锥形区域和天线组件的缘之间的过渡之间将存在相互作用。这些相互作用将产生增益下降，这降低了天线性能。
由于高增益天线提供了高链路余量，因此大型机械天线在船舶航行时受到船舶在海上运动的影响，或者当运动工具在岸上运动时使得类似影响，这导致天线未对准。机械控制机构需要进行维护以便在一段时间中合适操作。
因此需要一种没有运动部件的可控制天线组件和天线系统。
还需要一种能够补偿可运动物体的运动的天线组件和天线系统，天线系统布置在该可运动物体上。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种天线组件和天线系统，该天线组件和天线系统将部分或完全解决现有技术的上述缺点或不足。
一个目的是提供一种天线组件，该天线组件有可控相控阵天线和GNSS天线，该可控相控阵天线有全向扇区，且该天线组件没有任何可运动部件。
本发明的目的是提供一种天线组件和天线系统，而不需要与外部单元通信来用于校准和/或定时。
本发明的目的是提供一种天线组件和天线系统，该天线组件和天线系统相对于现有技术系统具有提高的定时控制。
本发明的目的是提供一种天线组件和天线系统，该天线组件和天线系统有能够进行无线电通信的全向可控相控阵天线，还包括能够进行频率校准和提高定时分辨率的GNSS天线。
本发明的还一目的是提供一种天线组件，该天线组件有能够实时控制的、具有全向扇区的可控相控阵天线。
本发明的目的是提供一种能够无线电通信和定位的天线组件和天线系统。
本发明目的是提供一种天线组件和天线系统，该天线组件和天线系统提供在顶点方向的、用于GNSS天线的最大增益。
本发明的目的是提供一种天线组件和天线系统，该天线组件和天线系统朝向接收器提供高增益，以便在整个范围内保持正链路余量，并控制天线方向，以便补偿可运动物体的动态行为。
本发明的目的是提供一种天线组件和天线系统，该天线组件和天线系统根据知道的接收器方向和解码信号所需的信号电平而总是聚焦在接收器上。
通过下面的说明书、权利要求和附图，将清楚本发明的其它目的。
根据本发明的天线组件在权利要求1中公开。天线组件的优选特征在权利要求2-11中公开。
根据本发明的天线系统在权利要求12中公开。天线系统的优选特征在权利要求13-14中公开。
根据本发明的天线组件包括具有全向扇区的可控相控阵天线和GNSS天线。
根据本发明的天线系统使用上述天线组件。
具有全向扇区的可控相控阵天线由沿竖直方向间隔开的截头圆锥形底部反射器和截头圆锥形顶部反射器来形成。因此，顶部反射器和底部反射器沿竖直方向彼此间隔开一定间距，使得它只是在所述反射器之间的空气。所述反射器布置成通过尖端而彼此重叠面对，其中，所述天线阵列布置在所述截头圆锥形的底部和顶部反射器之间的间距中。
根据本发明，天线阵列由至少三个天线元件形成，该天线元件布置成从截头圆锥形底部反射器的尖端凸出至所述间距中。根据本发明，该至少三个天线元件由单极天线或双极天线来形成。
根据本发明，截头圆锥形底部反射器还在尖端处设置有中心布置的孔，用于接收和容纳GNSS天线。
根据本发明，截头圆锥形的底部和顶部反射器反射具有全向扇区的可控相控阵天线的信号，截头圆锥形顶部反射器还对于GNSS天线的GNSS信号透明。
根据本发明，截头圆锥形底部和顶部反射器的形状形成增益，并使具有全向扇区的可控相控阵天线的辐射图形在天线阵列水平平面的360度扇区中最大化。
根据本发明，具有全向扇区的可控相控阵天线的天线阵列在相控阵原理下操作，具有各单独天线元件的相位和幅值的控制。这样实现了360度扇区中的波束控制，这适用于例如海上通信或用于通常运动的运动工具。仰角波束宽度(elevation beam width)固定，增益可控制为只沿方位角方向，因此固定仰角波束宽度将机械地选择。
根据本发明，截头圆锥形底部和顶部反射器的角度结合该截头圆锥形底部和顶部反射器的倾斜平面长度以及操作频率来调节，以便设置波瓣仰角波束宽度(lobeelevation beam width)。
因此，截头圆锥形底部和顶部反射器的形状能够根据相对于具有全向扇区的可控相控阵天线的仰角波束宽度和水平平面中的所希望增益的频率和操作要求而进行调节。
如上所述，截头圆锥形顶部反射器布置在截头圆锥形底部反射器上面一定距离处，因此离GNSS天线一定距离，以便沿顶点方向透明和给出最大增益。
根据本发明的天线系统使用上述天线组件，且还包括天线处理模块、GNSS接收器模块、无线电模块和时间参考模块。
根据本发明的天线处理模块将布置成用于通过控制各个天线元件的相位和幅值来控制可控相控阵天线。天线处理模块还将布置成通过提供振荡器来控制可控相控阵天线的操作频率。
无线电模块布置成用于控制通向和来自天线系统的无线电通信，该天线系统与外部单元通信，用于输入或输出通信数据/信息。
天线系统的GNSS接收器模块和时间参考模块的功能是定时和定位。在本发明中，定时用于振荡器的校准以及无线电通信模块的时间同步，该振荡器控制全向可控相控阵天线的操作频率。在通信系统中，时间同步对于保持传输时间间隙的跟踪很重要。
定位能够用于改变天线系统的频率和功率水平，这可以取决于地理位置(不同的管辖范围)。
因此，本发明提供了一种具有可控相控阵天线的天线系统，该可控相控阵天线有全向扇区，能够实时控制。
本发明提供了一种天线组件和天线系统，该天线组件和天线系统朝向接收器提供高增益，以便在整个范围内保持正链路余量，并能够控制天线方向，以便补偿可运动物体的动态行为。
该天线系统使用知道的接收器方向和接收器能够解码信号所需的信号电平。信息作为在通信单元之间的通信协议的一部分而接收。
因此，天线组件/系统的效果能够控制成不高于所需，且始终聚焦在接收器上。
天线系统将通过用于相控阵系统中的波束/波瓣转向的已知方法来进行控制，该方法认为是本领域技术人员公知，这里不再详细介绍。
上述部件将布置在密封外壳(一个密封单元)中，该密封外壳用于布置/固定在可运动物体上，例如海上或陆上的运动工具。
提出的发明的主要优点是，天线组件和天线系统固定，且不包含布置在相同紧凑单元中的可运动部件。这使得天线安装极其容易，并使得天线维护减少至最低限度，且对安装和机械设置没有严格要求。
还不需要校准。
通过本发明，还不需要输入方向，因为接收器将自己发现它。无线电协议在初始接触模式中扫描单元，然后使用来自接收器的答复信号来分解信号的范围和方位。
通过下面的示例说明、权利要求和附图，将清楚本发明的其它优选特征和有利细节。
附图说明
下面将参考附图更详细地介绍本发明，附图中：
图1是根据本发明的天线组件和天线系统的实施例的原理图；
图2是根据本发明的天线系统的方框图；以及
图3是用于天线组件和天线系统的壳体的替代实施例的原理图。
具体实施方式
下面参考图1，图1是根据本发明的天线组件100的原理图。天线组件100包括布置在壳体400中的、具有全向扇区的可控相控阵天线200以及GNSS天线300。
具有全向扇区的可控相控阵天线200由截头圆锥形底部反射器210和截头圆锥形顶部反射器220以及天线阵列230而形成。
截头圆锥形底部反射器210和截头圆锥形顶部反射器220布置成通过它们的尖端而彼此重叠面对。根据本发明，截头圆锥形底部反射器210和截头圆锥形顶部反射器220布置成沿竖直方向间隔开，具有公共竖直中心轴线240，从而在它们之间提供间距250。根据本发明，天线阵列230布置在上述间距250中。
根据本发明，截头圆锥形底部反射器210和顶部反射器220反射具有全向扇区的可控相控阵天线200的信号，且截头圆锥形顶部反射器220对于GNSS天线300的GNSS信号透明。截头圆锥形底部反射器210和顶部反射器220反射信号，例如大约5GHz的宽带无线电信号，而截头圆锥形顶部反射器220对于GNSS信号透明，该GNSS信号通常为大约1-2GHz，这些信号并不相互干扰。
根据本发明，天线阵列230由至少三个天线元件231形成，更优选是至少四个天线元件231。天线元件231可以是单极天线，如示例实施例中所示，或者双极天线。天线元件231将沿截头圆锥形底部反射器210的平截头体的圆周分布，在竖直平面中朝向截头圆锥形顶部反射器220延伸，但并不与截头圆锥形顶部反射器220接触。
截头圆锥形底部反射器210还设置有中心通孔211，用于接收和容纳GNSS天线300。
截头圆锥形底部反射器210还在它的平截头体(即尖端)处设置有通孔212，用于接收和容纳天线元件231。
用于天线元件231的通孔212优选是具有比天线元件231更大的直径，以使得在天线元件231和截头圆锥形底部反射器210之间没有物理或电接触。
壳体400由主体410和顶盖420形成。主体410用于将天线组件100布置/固定到物体(例如海上或陆上运动工具)上以及容纳用于供电和控制天线组件100的部件，如下面进一步介绍。盖410用于容纳可控相控阵天线200。
顶盖420具有大致圆柱体形状，在上端封闭和在下端开口，其中，顶盖420的下端和主体410的上部部分设置有相应的附接装置，例如螺纹，用于将顶盖420可拆卸地附接在主体410上。顶盖420由对于GNSS信号和相控阵天线信号都透明的材料来形成。优选是，在主体410和顶盖420之间布置有密封装置(未示出)，例如O形环，以便保证天线组件100/天线系统的部件的密封环境。
根据本发明，截头圆锥形底部反射器210通过相应附接装置(未示出)而固定在主体410的上端上，而截头圆锥形顶部反射器220通过在顶盖420的内侧处的附接装置(未示出)而固定在顶盖420的封闭端上。
因此，当顶盖420布置在主体410上时，截头圆锥形顶部反射器220将位于截头圆锥形底部反射器210的上面，在它们之间有合适距离，该距离至少比天线元件231的延伸部分更长，以便保证截头圆锥形顶部反射器220并不与天线元件231物理或电接触。该距离可以是例如单极天线231的长度的两倍，以使得截头圆锥形底部反射器210和截头圆锥形顶部反射器220都定位成离天线元件231上端(发射端)相同距离。根据可控相控阵天线200的所希望特性，截头圆锥形底部反射器210和截头圆锥形顶部反射器220离单极天线231上端的距离可以不同。
因此，截头圆锥形顶部反射器220将“漂浮”在截头圆锥形底部反射器210的上面，且截头圆锥形底部反射器210和截头圆锥形顶部反射器220之间没有物理或电连接。
截头圆锥形底部反射器210和截头圆锥形顶部反射器220的形状可以相似或不同，并共同形成具有全向扇区的可控相控阵天线200的增益，且使得具有全向扇区的可控相控阵天线200的辐射图形在可控相控阵天线200的水平平面的360度扇区中最大化。
而且，具有全方向的可控相控阵天线200的波瓣仰角波束宽度由截头圆锥形底部反射器210和截头圆锥形顶部反射器220的斜面的长度和倾角(相对于竖直平面的角度)以及操作频率而给出，这将在下面进一步介绍。
通常，截头圆锥形底部反射器210和截头圆锥形顶部反射器220的倾斜平面的倾角提供为这样，相对于竖直平面的角度越小，射束越窄，且相对于竖直平面的角度越大，射束越宽。
下面参考图2，图2示出了根据本发明的天线系统的方框图。根据本发明，除了上述天线组件100之外，天线系统还包括天线处理模块500，该天线处理模块500设置有用于控制可控相控阵天线200的天线阵列230的装置和/或软件。天线处理模块500布置成用于通过控制单个天线元件231的相位和幅值来控制天线阵列230，即单个天线元件231。天线处理模块500还包括振荡器501，该振荡器501控制具有全向扇区的可控相控阵天线200的操作频率。
天线系统还包括无线电模块600，用于控制通向和来自天线系统的无线电通信，该天线系统与外部单元650通信，用于输入或输出通信数据/信息。输入数据通常是关于接收器方向和接收器能够解码信号所需的信号电平的知识，该信息将是在两个天线系统之间的通信协议的一部分，以便如上述通信。
天线系统还包括GNSS接收器模块700，该GNSS接收器模块700与GNSS天线300连接，通常成印刷电路板的形式。
天线系统通常还包括时间参考模块800，用于从接收的GNSS信号中提取时间参考，该GNSS信号将供给天线处理模块500和无线电通信模块600。天线处理模块500使用时间参考来校准控制操作频率的振荡器501以及进行时间同步。根据本发明的天线系统可以使用TDMA，或者作为单频道半双工系统，或者作为具有用于TX和RX的单独波段的全双工系统。
无线电模块600将使用时间参考来保持传输时间间隙的跟踪。
天线处理模块500能够实现为印刷电路板。
根据本发明的一个实施例，天线阵列230的所述天线元件231以及GNSS天线300布置在公共平台/印刷电路板上，即天线元件231的下端布置在公共平台/印刷电路板上。
因此，在装配过程中，具有GNSS天线300和天线元件231的公共平台/印刷电路板从截头圆锥形底部反射器210的下侧运动，以使得天线元件231通过通孔212来接收和定位，并将GNSS天线300定位在中心通孔211中，其中，公共平台/印刷电路板通过相应的紧固装置(未示出)例如螺钉和螺纹孔而固定在相对于截头圆锥形底部反射器210的正确位置。这样实现了在天线元件231与截头圆锥形底部210和顶部反射器220之间的尽可能短的传输线，因为天线元件231的自由端(发射端)在截头圆锥形底部反射器210和截头圆锥形顶部反射器220之间的间距250中。
优选是，在截头圆锥形底部反射器210和公共平台/印刷电路板之间布置有绝缘装置，例如一个或多个垫圈(未示出)，用于在它们之间密封以及保证没有与截头圆锥形底部反射器210的电接触。
在所述实施例中，GNSS天线300和具有全向扇区的可控相控阵天线200因此有相同的接地平面。这并不是必需，但是对于减小部件尺寸和提供紧凑单元将很实用。需要时，具有全向扇区的可控相控阵天线200可以选择地设置有单独的印刷电路板。
天线系统由电源900来供电，且天线处理模块500可以布置成用于控制向可控相控阵天线200和可选的GNSS天线300的供电。
下面参考图3，图3表示了主体410的替代实施例。主体410和布置于其中的天线系统的部件(即在截头圆锥形底部反射器210下面的所有部件)是金属，这将影响天线性能，因此可能需要进行补偿。当主体410和部件为金属或包含金属时，它们将作为截头圆锥形底部反射器210的延伸部分，因此在设计天线系统时必须考虑。通过使主体410设置有波纹形侧面(未示出)，这将平衡主体410的质量，并有助于提高水平辐射图形(具有固定高度)。
在所示实施例中，主体410还设置有狭槽/凹入的纵向侧边430，从而减小它的尺寸和重量。
本发明的优点是具有至天线元件231的较短传输线，这导致低损耗。
本发明提供了一种可控天线系统，人们可以使得传输方向和功率适应已知的接收器，如上所述。
当使用提供抛物线辐射图形的可控相控阵天线时，这在天线系统布置于可运动物体上时需要姿态补偿。通过根据本发明的可操纵相控阵天线系统，可以有朝向接收器的高增益，用于在整个范围内保持正链路余量，并操纵天线方向以便补偿物体(例如船舶或运动工具)的动态行为。执行的控制与物体的运动无关，因为只使用无线电信号，从而导致连续和快速的控制。
根据本发明的天线系统还可以布置为使用由GNSS天线300提供的位置数据。频率和功率水平可以根据地理位置(不同的管辖范围)。改变频率和功率水平的人工程序将费时和麻烦，并可能在改变所需参数时导致人为错误。为了解决该问题，关于地理区域的信息以及关于频谱和功率水平的限制可以存储在数据库中，该数据库能够用于通过使用位置数据来选择用于实际地理区域的合适参数。这样，根据本发明的天线系统布置为使用位置数据作为输入，以便根据当前地理位置来设置相关参数。
变化形式
多个天线组件能够一个布置在另一个上面，或者可能的多个天线系统能够一个布置在另一个上面，从而也能够进行仰角控制。
天线组件可以设置有截头圆锥形底部和/或顶部反射器的可控倾斜侧，它们能够单独或一起控制。通过控制截头圆锥形底部和/或顶部反射器侧面的倾角，能够控制射束的窄度和/或高度。

Claims (14)

1.一种天线组件(100)，所述天线组件包括具有全向扇区的可控相控阵天线(200)以及GNSS天线(300)，其中，具有全向扇区的可控相控阵天线(200)由截头圆锥形底部反射器(210)和截头圆锥形顶部反射器(220)形成，所述截头圆锥形底部反射器和截头圆锥形顶部反射器布置成通过尖端而彼此重叠面对，其中，具有全向扇区的可控相控阵天线(200)布置在所述截头圆锥形底部反射器(210)和截头圆锥形顶部反射器(220)之间的间距(250)中，其特征在于
截头圆锥形底部反射器(210)和截头圆锥形顶部反射器(220)反射全向的可控相控阵天线(200)的信号，截头圆锥形顶部反射器(220)还对于GNSS天线(300)的GNSS信号透明。
2.根据权利要求1所述的天线组件(100)，其特征在于：截头圆锥形底部反射器(210)设置有在尖端处的中心布置孔(211)，用于接收和容纳GNSS天线(300)。
3.根据前述任意一项权利要求所述的天线组件(100)，其特征在于：具有全向扇区的可控相控阵天线(200)由阵列天线(230)形成，所述阵列天线包括至少三个天线元件(231)或至少四个天线元件(231)。
4.根据权利要求3所述的天线组件(100)，其特征在于：天线元件(231)是单极天线或双极天线。
5.根据权利要求3所述的天线组件(100)，其特征在于：天线元件(231)布置成在截头圆锥形底部反射器(210)和截头圆锥形顶部反射器(220)之间的间距(250)中从截头圆锥形底部反射器朝向截头圆锥形顶部反射器向上凸出，但并不与截头圆锥形顶部反射器(220)接触。
6.根据权利要求5所述的天线组件(100)，其特征在于：截头圆锥形底部反射器(210)在它的截头体处设置有通孔(212)，用于接收和容纳天线元件(231)。
7.根据前述任意一项权利要求所述的天线组件(100)，其特征在于：所述天线组件包括壳体(400)，所述壳体由主体(410)和顶盖(420)形成，所述顶盖在一端处开口和在另一端处封闭，其中，顶盖(420)在开口端处可拆卸地布置在主体(410)上。
8.根据前述任意一项权利要求所述的天线组件(100)，其特征在于：截头圆锥形底部反射器(210)固定到主体(410)上，截头圆锥形顶部反射器(220)在所述顶盖的封闭端处固定在顶盖(420)内部，其中，在截头圆锥形底部反射器(210)和截头圆锥形顶部反射器(220)之间没有物理连接或电连接。
9.根据前述任意一项权利要求所述的天线组件(100)，其特征在于：天线元件(231)和GNSS天线(300)布置在公共平台/印刷电路板上。
10.根据权利要求1所述的天线组件(100)，其特征在于：截头圆锥形底部反射器(210)和截头圆锥形顶部反射器(220)的形状形成具有全向扇区的可控相控阵天线(200)的增益，并使具有全向扇区的可控相控阵天线(200)的辐射图形在可控相控阵天线(200)的水平平面的360度扇区中最大化。
11.根据权利要求1所述的天线组件(100)，其特征在于：具有全向扇区的可控相控阵天线(200)的波瓣仰角波束宽度由截头圆锥形底部反射器(210)和截头圆锥形顶部反射器(220)的倾斜平面长度和操作频率来给出。
12.一种天线系统，所述天线系统包括根据前述任意一项权利要求所述的天线组件(100)，其特征在于，所述天线系统包括天线处理模块(500)，所述天线处理模块设置有控制各个天线元件(231)的相位和幅值的装置和/或软件，所述天线系统还包括振荡器(501)，所述振荡器控制具有全向扇区的可控相控阵天线(200)的操作频率。
13.根据权利要求12所述的天线系统，其特征在于：所述天线系统包括时间参考模块(800)，所述时间参考模块布置成从布置于GNSS天线(300)上的GNSS接收器模块(700)来提取时间参考。
14.根据权利要求13所述的天线系统，其特征在于：天线处理模块(500)布置成使用来自时间参考模块(800)的时间参考来校准控制操作频率的振荡器(501)以及进行无线电模块(600)的时间同步。
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