CN210092318U - 一种遥测和测向一体天线 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于无人机天线领域，解决无线电监测系统采用PCB天线致使监测距离范围受限，测向系统采用八木天线尺寸大、成本高以及不具有通信功能、没有将测向和遥测功能结合的问题，提供一种遥测和测向一体天线。包括天线罩、反射背板和多组天线阵列；天线阵列平行固定于反射背板的正上方；反射背板和天线阵列封装于天线罩内；天线阵列包括馈电网络和若干天线阵元；天线阵元呈行列排布，每列的天线阵元通过馈电网络依次相连，各列的天线阵元通过馈电网络并联；天线阵列呈横向均匀排布、纵向均匀排布、单行多列排布、单列多行排布或多行多列矩形排布中的任一种；馈电网络的中心处设有馈电点；馈电点处通过SMA连接器与反射背板相连。

Description

一种遥测和测向一体天线

技术领域

本发明属于无人机天线，具体涉及一种遥测和测向一体天线。

背景技术

目前，工业级无人机已广泛应用于军事、民用和商用等各领域，尤其是在石油和天燃气管道寻线、电力寻线、物流、测绘和环境监测等领域。为保障无人机在如此广泛的应用中性能更加安全可靠，增加无人机的通信、图传和数传距离尤为重要，且有着广泛的发展前景。

现有的无线电监测系统，为了降低系统尺寸，大都采用PCB天线，但该类天线由于尺寸小所以增益相应较小，监测的距离范围受到限制。而纯粹的测向系统，一般采用较大的八木天线，八木天线尺寸大、成本高，且不具有通信功能。而且，目前没有能够将测向和通信功能相结合的高效天线系统，使无人机的更广泛应用受到一定限制。

发明内容

本发明的主要目的是在于解决现有技术中无线电监测系统采用PCB天线致使监测距离范围受限，测向系统采用八木天线尺寸大、成本高以及不具有通信功能，同时，没有将测向和遥测功能结合的问题，提供一种遥测和测向一体天线。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种遥测和测向一体天线，其特殊之处在于，包括天线罩、反射背板和多组天线阵列；

多组天线阵列固定于反射背板的正上方且与反射背板保持平行；反射背板和多组天线阵列封装于天线罩内；

多组天线阵列沿横向均匀排布为一行，

或沿纵向均匀排布为一列，

或分别沿横向、纵向呈单行多列排布，

或分别沿横向、纵向呈单列多行排布，

或分别沿横向、纵向排布为一个矩阵；

天线阵列包括馈电网络和若干天线阵元；天线阵元呈行列排布，每列的天线阵元通过馈电网络依次相连，各列的天线阵元通过馈电网络并联；天线阵元和馈电网络为一体式结构；天线阵元、馈电网络和反射背板均为固态金属材质，天线阵元的厚度与馈电网络厚度相同；馈电网络的中心处设有馈电点；馈电点处通过SMA连接器与反射背板相连。

进一步地，还包括多个ABS材质的支撑柱；天线阵元中心开设有第一通孔，反射背板在与第一通孔相对应位置开设有第二通孔，支撑柱两端均开设有螺纹孔，支撑柱设于反射背板和天线阵元之间，两端的螺纹孔分别与第一通孔和第二通孔相对；支撑柱一端通过螺钉与反射背板固定，另一端通过螺钉与天线阵元相连。通过支撑柱保证了天线阵列与反射背板的安装距离和平行度。

进一步地，所述螺钉为M4以下的金属螺钉，保证所有天线阵元的几何中心都是高频零电位。

进一步地，SMA连接器包括内导体、介质和法兰；馈电点处开设有孔径与内导体直径相同的第三通孔，反射背板与第三通孔相应的位置开设有第四通孔；介质一端穿过第四通孔，另一端贴合于馈电点的背面；法兰套设固定于介质外部，第四通孔两侧开设有两个螺纹孔，法兰通过螺栓与螺纹孔配合固定于反射背板的背面；内导体一端穿过第三通孔固定于介质顶部，另一端外部设有螺纹，螺母与所述螺纹配合连接于内导体外部，螺母贴合于馈电网络的正面。

进一步地，所述若干天线阵列固定于同一反射背板的正上方，有效减轻了天线重量，且排布更加美观。

进一步地，所述天线阵元、馈电网络和反射背板的材质均为铝。

进一步地，所述天线阵元的边长等效为预设覆盖频段波长的一半。

进一步地，所述天线罩采用ABS或环氧玻璃布材质，损耗低，不会对天线的性能造成影响。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明遥测和测向一体天线，通过天线阵元和天线阵列的排布，同时兼顾了无人机的通信和测向功能，并有效增加了无人机的通信距离，通过天线阵元的设计，有效拓宽了无人机遥测天线的带宽。每一组天线阵列均具备遥测的功能，通过天线阵元的设计确定天线覆盖频段；多组天线阵列通过横向排布可实现水平方向的测向，通过纵向排布可在俯仰方向完成测向，若同时在横向和纵向排布就可以同时在水平和俯仰两个方向测向；即使需要在360°全覆盖测向，只需沿周向排布多个一体天线，每个一体天线内均为天线阵列沿横向或纵向呈矩阵排布。另外，遥测和测向一体天线，降低了无人机遥测天线的尺寸和重量，便于携带与安装。天线阵元和馈电网络为一体式结构，省去了调试和焊接，能够提升效率。本发明的天线可以直接应用于无人机时分、频分系统数据链等多种领域，也可以通过调整天线阵元将该天线用于不同频率。

2.本发明通过在每个天线阵元与反射背板之间设置支撑柱，保证了天线阵列与反射背板的安装距离和平行度。

3.本发明采用M4以下的金属螺钉固定天线阵元，保证所有天线阵元的几何中心都是高频零电位。

4.本发明将各天线阵列固定于同一反射背板上，节约了内部天线阵列的排布空间，进一步减轻了天线的重量。

5.本发明采用铝作为设计材料，在保证天线性能需求的同时，有效降低了天线的设计成本。

6.本发明采用低损耗介质的ABS或环氧玻璃布作为天线罩材质，不会对天线的性能造成影响，同时对天线起到保护作用。

附图说明

图1为本发明遥测和测向一体天线的结构示意图；

图2为本发明天线阵列的结构示意图；

图3为本发明反射背板的结构示意图；

图4为本发明实施例一的天线阵列方向图；

图5为本发明实施例一的天线和方向图；

图6为本发明实施例一的天线差方向图；

图7为本发明实施例一的天线和比差方向图；

图8为本发明实施例二的结构示意图；

图9为本发明遥测和测向一体天线俯仰测向的一种结构示意图；

图10为本发明遥测和测向一体天线水平和俯仰测向的一种结构示意图。

其中，1-天线罩；2-反射背板；201-第二通孔；202-第四通孔；203-螺纹孔；3-天线阵列；301-天线阵元；302-馈电网络；303-馈电点；4-SMA连接器；401-内导体；402-介质；403-法兰；404-螺母；5-支撑柱；6-第一通孔；7-螺钉；8-第三通孔。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。

如图1和图2所示，一种遥测和测向一体天线，包括天线罩1、反射背板2和若干天线阵列3；天线阵列3平行固定于反射背板2的正上方；反射背板2和天线阵列3封装于天线罩1内；天线阵列3包括馈电网络302和若干天线阵元301；天线阵元301呈行列排布，每列的天线阵元301通过馈电网络302依次相连，各列的天线阵元301通过馈电网络302并联；天线阵元301和馈电网络302为一体式结构；天线阵元301、馈电网络302和反射背板2均为固态金属材质，天线阵元301的厚度与馈电网络302厚度相同；馈电网络302的中心处设有馈电点303；馈电点303处通过SMA连接器4与反射背板2相连。

上述天线阵元301的辐射机理是基于高频电磁场的泄露。电磁场如果不是被导体完全封闭，不连续处就会产生电磁辐射泄露，在一定的频率下，电磁场采用金属片，使其工作在谐振状态下，辐射就会明显增强，辐射效率也会大大提高。基于上述原理，本实施例相当于采用两块金属板作为天线，其中一块作为反射背板2，另一块作为天线阵元301和馈电网络302，以空气作为介质，省去了昂贵的高频介质板材。天线阵元301与反射背板2的距离可自由调整，用于调整谐振频率、阻抗和带宽。同时，天线采用串馈形式，馈电网络302同样采用金属板，形成垂直极化。另外，将天线阵列3按照一定的规律进行排列，能够实现测向的目的。多组天线阵列通过横向排布可实现水平方向的测向，通过纵向排布可在俯仰方向完成测向，若同时在横向和纵向排布就可以同时在水平和俯仰两个方向测向；即使需要在360°全覆盖测向，只需沿周向排布多个一体天线，每个一体天线内均为天线阵列沿横向或纵向呈矩阵排布，具体一体天线的个数取决于天线的方向图波瓣宽度，波瓣越窄增益越高，需要的天线数量越多，同理，波瓣越宽增益越低，需要的天线数量越少。

如图1至图3，天线阵元301平行固定于反射背板2上方的一种方式具体为，还包括多个ABS材质的支撑柱5；天线阵元301中心开设有第一通孔6，反射背板2在与第一通孔6相对应位置开设有第二通孔201，支撑柱5两端均开设有螺纹孔，支撑柱5设于反射背板2和天线阵元301之间，两端的螺纹孔分别与第一通孔6和第二通孔201相对；支撑柱5一端通过螺钉7与反射背板2固定，另一端通过螺钉7与天线阵元301相连。

另外，SMA连接器4的一种具体连接方式为，SMA连接器4包括内导体401、介质402和法兰403；馈电点303处开设有孔径与内导体401直径相同的第三通孔8，反射背板2与第三通孔8相应的位置开设有第四通孔202；介质402一端穿过第四通孔202，另一端贴合于馈电点303的背面；法兰403套设固定于介质402外部，第四通孔202两侧开设有两个螺纹孔203，法兰403通过螺栓与螺纹孔203配合固定于反射背板2的背面；内导体401一端穿过第三通孔8固定于介质402顶部，另一端外部设有螺纹，螺母404与所述螺纹配合连接于内导体401外部，螺母404贴合于馈电网络302的正面。由于SMA连接器4有多种形式，根据使用需要可进行适当调整。

如图1和图2，H为天线阵列3与反射背板2的间距，其取值能够影响天线的驻波比；t为馈电网络302的宽度；L为天线阵元301的长度，用来调整谐振的频率；W为天线阵元301的宽度，用于调整天线的驻波比；上述H、t、W和L的取值均可以通过HFSS仿真设计，根据使用需求确定。

上述遥测天线的具体制作过程为：

(1)按需求选择合适的固态金属板，并确定天线尺寸，根据设计要求仿真设计确定H、t、W和L的取值，并根据需要的测向范围确定天线阵列3的排布组阵；

(2)用切割机或精雕机进行切割，得到一体式的天线阵元301和馈电网络302，即天线阵列3；

(3)在天线阵列3中心处的馈电网络302中间打孔得到第三通孔8，第三通孔8的尺寸与内导体401外径相同；

(4)在每个天线阵元301的中心处打孔得到第一通孔6，在反射背板2上相应位置打孔记做第二通孔201；

(5)将天线阵元301放在反射背板2上方，按照图1所示，安装螺钉7和支撑柱5固定天线阵元，SMA连接器4固定；金属板所有天线阵元301的几何中心都是高频零电位，可以绝缘，也可以电气连接，不会对遥测天线的性能造成影响，如果此处螺钉7为金属材质，则优选M4以下的螺钉。

(6)在馈电点8处安装SMA连接器4，在内导体401外拧紧螺母404，使螺母404紧贴馈电点8处上表面；

(7)采用低损耗介质的天线罩1，配合安装于反射背板2之上，可胶封于反射背板2上。

实施例一

如图2所示是双天线阵列3的遥测和测向一体天线，采用整张2mm厚的铝板进行加工得到天线阵元301和馈电网络302的整体，用支撑柱5和SMA连接器4固定，馈电点303处通过SMA连接器4，将能量传递给馈电网络302，馈电网络302再将能量传递给天线阵元301并向外辐射实现遥测的功能；另外，横向排布的两个天线阵列3能够在水平方向上进行测向。根据图4所示的天线阵列方向图，本实施例的天线阵列增益可达19dBi。如图5、图6和图7分别是本实施例天线的和方向图、差方向图以及和比差方向图，从图中可知，每偏离1°方向相应的功率变化，可知本实施例的测向灵敏度很好。综上，本实施例的一体式天线能够同时兼顾高增益的遥测和灵敏的测向功能，通过两个馈线进行馈电，天线可增加3dBi的增益。

实施例二

如图8所示是四天线阵列3的遥测和测向一体天线，采用整张0.5mm厚的铝板进行加工得到天线阵元301和馈电网络302的整体，用支撑柱5和SMA连接器4固定，馈电点303处通过SMA连接器4，将能量传递给馈电网络302，馈电网络302再将能量传递给天线阵元301并向外辐射实现遥测的功能。本实施例中，在横向排布的两个天线阵列3能够通过测向确定水平方向，在俯仰方向的两个天线阵列3能够通过测向确定俯仰角度，从而实现了同时对水平和俯仰方向测向；同时，本实施例每个天线阵列3又能够实现遥测功能，进而实现遥测和测向一体天线。通过四个馈线进行馈电，天线可增加6dBi的增益。

本发明中天线阵列3的排布并不限于上述实施例一和实施例二：(1)水平测向，实施例一中说明了一种遥测和水平测向的排布方式，图2中的天线阵列3可沿横向排列更多组，组数根据需要的覆盖范围确定；(2)俯仰测向，如图9所示，沿纵向排布天线阵列3即可实现俯仰方向的测向，同样天线阵列3的组数可根据需要的覆盖范围确定；(3)兼具水平和俯仰测向，可以是如图8实施例二所说明的排布方式，还可以是图10所示的方式，只是与实施例二的覆盖角度不同，其他与图10类似的单行多列或单列多行排布方式，也均能满足兼具水平和俯仰的测向要求。上述(1)和(2)，不同天线阵列3的位置不同，对于不同的波方向，每个天线阵列3接收的信号相位信息也不同，根据天线阵列3的接收信号相位差信息解算出波方向，从而达到测向的效果。

本发明的一体天线，可以根据使用需要，即遥测需求和测向范围需求进行任意组阵，通过组阵一方面提高天线增益，另一方面增大测向范围。每个天线阵元301均需要通过HFSS仿真确定长和宽，使得谐振频率覆盖预设频段，每个天线阵元301的长宽等效约为半个波长。另外，除实施例一和实施例二中使用铝作为反射背板2、天线阵元301和馈电网络302外，也可以采用铁板、钢板或铜板等其他固态金属材质，实施例中由于铝板廉价且加工便利作为优选方案，选用的固态金属材质厚度可根据需要进行选择，可以是0.5mm、1mm、2mm、3mm或4mm中的任意厚度。

另外，为了美观和减重，天线阵列3可固定于同一反射背板2的正上方，多个天线阵列3可共用一个反射背板2。

本发明的遥测和测向一体天线，通过对天线阵列3的组阵排布兼具遥测增加通信距离和多维测向的功能，同时具有比微带阵列天线以及其他类别天线更高的增益，且带宽拓宽2-3倍。此外，不需要加工昂贵的大尺寸PCB板，仅采用较薄的金属板进行简单的机加工即可，最大化的降低加工成本，加工过程中也无需焊接，装配及其简单，解决了组装调试繁杂、重量大、尺寸大、成本高、带宽窄和安装携带不方便等一系列问题。

以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种遥测和测向一体天线，其特征在于：包括天线罩(1)、反射背板(2)和多组天线阵列(3)；

多组天线阵列(3)固定于反射背板(2)的正上方且与反射背板(2)保持平行；反射背板(2)和多组天线阵列(3)封装于天线罩(1)内；

多组天线阵列(3)沿横向均匀排布为一行，

或沿纵向均匀排布为一列，

或分别沿横向、纵向呈单行多列排布，

或分别沿横向、纵向呈单列多行排布，

或分别沿横向、纵向排布为一个矩阵；

天线阵列(3)包括馈电网络(302)和若干天线阵元(301)；天线阵元(301)呈行列排布，每列的天线阵元(301)通过馈电网络(302)依次相连，各列的天线阵元(301)通过馈电网络(302)并联；天线阵元(301)和馈电网络(302)为一体式结构；天线阵元(301)、馈电网络(302)和反射背板(2)均为固态金属材质，天线阵元(301)的厚度与馈电网络(302)厚度相同；

馈电网络(302)的中心处设有馈电点(303)；馈电点(303)处通过SMA连接器(4)与反射背板(2)相连。

2.如权利要求1所述一种遥测和测向一体天线，其特征在于：还包括多个ABS材质的支撑柱(5)；天线阵元(301)中心开设有第一通孔(6)，反射背板(2)在与第一通孔(6)相对应位置开设有第二通孔(201)，支撑柱(5)两端均开设有螺纹孔，支撑柱(5)设于反射背板(2)和天线阵元(301)之间，两端的螺纹孔分别与第一通孔(6)和第二通孔(201)相对；支撑柱(5)一端通过螺钉(7)与反射背板(2)固定，另一端通过螺钉(7)与天线阵元(301)相连。

3.如权利要求2所述一种遥测和测向一体天线，其特征在于：所述螺钉(7)为M4以下的金属螺钉。

4.如权利要求1所述一种遥测和测向一体天线，其特征在于：SMA连接器(4)包括内导体(401)、介质(402)和法兰(403)；

馈电点(303)处开设有孔径与内导体(401)直径相同的第三通孔(8)，反射背板(2)与第三通孔(8)相应的位置开设有第四通孔(202)；

介质(402)一端穿过第四通孔(202)，另一端贴合于馈电点(303)的背面；

法兰(403)套设固定于介质(402)外部，第四通孔(202)两侧开设有两个螺纹孔(203)，法兰(403)通过螺栓与螺纹孔(203)配合固定于反射背板(2)的背面；

内导体(401)一端穿过第三通孔(8)固定于介质(402)顶部，另一端外部设有螺纹，螺母(404)与所述螺纹配合连接于内导体(401)外部，螺母(404)贴合于馈电网络(302)的正面。

5.如权利要求1所述一种遥测和测向一体天线，其特征在于：所述若干天线阵列(3)固定于同一反射背板(2)的正上方。

6.如权利要求1所述一种遥测和测向一体天线，其特征在于：所述天线阵元(301)、馈电网络(302)和反射背板(2)的材质均为铝。

7.如权利要求1所述一种遥测和测向一体天线，其特征在于：所述天线阵元(301)的边长等效为预设覆盖频段波长的一半。

8.如权利要求1所述一种遥测和测向一体天线，其特征在于：所述天线罩(1)采用ABS或环氧玻璃布材质。

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