CN213636284U - 一种分布式的机载定向跟踪天线系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种分布式的机载定向跟踪天线系统，该系统包括地面接收端以及飞行器，飞行器上具有至少3个定向天线、射频开关以及天线切换控制器，天线切换控制器安装在飞行器的控制中心，与射频开关通过导线连接，射频开关分别与至少3个定向天线电性连接，至少3个定向天线分布设置于飞行器的外壳结构的指定位置上，天线切换控制器用于接收来自飞行器特定方向的机头指向信号，并向射频开关输出切换控制信号以控制射频开关选择切换定向天线指向地面接收端，与无线电台对接。应用本实用新型结构简单合理，采用射频开关切换定向天线，天线切换响应速度快、对准速度快，覆盖范围大，能实现定向天线与地面接收端始终相互对应。

Description

一种分布式的机载定向跟踪天线系统

技术领域

本实用新型涉及无人机技术领域，尤其涉及一种分布式的机载定向跟踪天线系统。

背景技术

无人机要进行超远距离飞行时，要保证无线信号连接正常，一般是增大无线通信设备的发射功率，还有使用高增益的定向天线。高增益的定向天线可以架设在地面上，对着无人机的方向。但是无人机上一般都是安装的全向天线，因为无人机在飞行时要经常改变方向，所有无法使用固定方向的定向天线，来指向地面接收端。而在无人机上安装伺服机构转动无人机上的定向天线去对准地面端，则这个伺服机构可能会增加无人机的重量，严重影响无人机的续航性能，而且存在机械结构传送，在空中风大的时候，特别是飞机快速飞行时，有可能容易损坏伺服机构。

而传统的伺服机构定向天线，在安装上，只能是装在飞行器的底部，因为安装在飞行器前方，则飞行器后方就会被自己的机身遮挡，安装在飞行器后方，则被飞行器前面的机身遮挡。因此前后左右都不能安装，只能装在底部，但是无人机的底部一般都有脚架，这个脚架又会遮挡一部分视角，所以并没有完美的安装位置。

基于此，有必要提出一种分布式的机载定向跟踪天线系统来解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种结构简单合理，采用射频开关切换定向天线，从而实现天线切换响应速度快以及对准速度快的分布式的机载定向跟踪天线系统。

为了实现上述的主要目的，本实用新型提供的一种分布式的机载定向跟踪天线系统，其包括地面接收端以及飞行器，所述飞行器上具有至少3个定向天线、射频开关以及天线切换控制器，所述天线切换控制器安装在所述飞行器的控制中心，与所述射频开关通过导线连接，所述射频开关分别与至少3个所述定向天线电性连接；至少3个所述定向天线分布设置于所述飞行器的外壳结构的指定位置上，所述天线切换控制器用于接收来自飞行器特定方向的机头指向信号，并向所述射频开关输出切换控制信号以控制所述射频开关选择切换所述定向天线指向地面接收端，与无线电台对接。

进一步的方案中，至少3个所述定向天线嵌入安装于所述飞行器的外壳结构上，第1个所述定向天线嵌入安装于所述飞行器的外壳结构的前侧，第2个所述定向天线嵌入安装于所述飞行器的外壳结构的左侧，第3个所述定向天线嵌入安装于所述飞行器的外壳结构的右侧，第4个所述定向天线嵌入安装于所述飞行器的外壳结构的后侧。

更进一步的方案中，所述天线切换控制器为所述飞行器的总控制器上的天线控制器，其包括主控芯片、GPS定位器以及地磁场传感器，所述主控芯片分别与所述GPS定位器、地磁场传感器连接。

更进一步的方案中，所述GPS定位器与所述主控芯片之间进行串口通信，所述地磁场传感器与所述主控芯片之间进行I2C通信。

更进一步的方案中，所述射频开关连接于所述天线切换控制器与所述定向天线之间，用于根据所述天线切换控制器输出切换控制信号调整所述定向天线朝向所述地面接收端。

更进一步的方案中，所述射频开关为1分4的射频开关，其包括射频开关芯片以及连接在所述射频开关芯片上的第一控制信号脚、第二控制信号脚以及4个天线接口，所述天线切换控制器分别向所述第一控制信号脚、第二控制信号脚输出切换控制信号。

更进一步的方案中，所述射频开关芯片根据接收到的切换控制信号连通或断开4个所述天线接口与所述定向天线的信号连接，以控制在同一时刻只有一个所述定向天线与无线电台对接。

更进一步的方案中，所述射频开关芯片为SKY13380开关IC。

更进一步的方案中，所述射频开关芯片的第3引脚与所述第二控制信号脚之间连接有电阻R1、电阻R3以及电容C4，所述射频开关芯片的第4引脚与所述第一控制信号脚之间连接有电阻R2、电阻R4以及电容C5，所述电阻R1的第一端与所述电阻R2的第一端连接后接地，所述电阻R3的第一端接所述第二控制信号脚，所述电阻R4的第一端接所述第一控制信号脚，所述电阻R1、电阻R3、电容C4的第二端连接至所述射频开关芯片的第3引脚，所述电阻R2、电阻R4、电容C5的第二端连接至所述射频开关芯片的第4引脚。

更进一步的方案中，所述射频开关芯片的RF1引脚与第一个所述天线接口之间连接有电容C11，所述射频开关芯片的RF2引脚与第二个所述天线接口之间连接有电容C3，所述射频开关芯片的RF3引脚与第三个所述天线接口之间连接有电容C2，所述射频开关芯片的RF4引脚与第四个所述天线接口之间连接有电容C1。

由此可见，本实用新型提供机载定向跟踪天线系统根据飞行器的机头指向来切换定向天线，天线切换控制器根据磁场传感器来确定方向，无论无人机飞到哪里和机头指向哪个方向，总能选择到一个指向正确的定向天线，对射地面接收端，可以极大地提高信号强度，能够保持定向天线的正确指向，易于工程实现，提高了系统可靠性。

所以，本实用新型结构简单，稳定性好，覆盖范围大，能实现定向天线与地面接收端始终相互对应，能实现天线全角度覆盖，通讯质量好。

附图说明

图1是本实用新型一种分布式的机载定向跟踪天线系统实施例中飞行器与定向天线的结构示意图。

图2是本实用新型一种分布式的机载定向跟踪天线系统实施例中定向天线嵌入安装于飞行器的外壳结构上的结构示意图。

图3是本实用新型一种分布式的机载定向跟踪天线系统实施例中飞行器与定向天线的俯视示意图。

图4是本实用新型一种分布式的机载定向跟踪天线系统实施例的原理图。

图5是本实用新型一种分布式的机载定向跟踪天线系统实施例的定位定向示意图。

图6是本实用新型一种分布式的机载定向跟踪天线系统实施例中射频开关的电路原理图。

以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。

具体实施方式

参见图1至图5，本实用新型的分布式的机载定向跟踪天线系统包括地面接收端以及飞行器1，飞行器1上具有至少3个定向天线10、射频开关30以及天线切换控制器20，天线切换控制器20安装在飞行器1的控制中心，与射频开关30通过导线连接，射频开关30分别与至少3个定向天线10电性连接；至少3个定向天线10分布设置于飞行器1的外壳结构的指定位置上，天线切换控制器20用于接收来自飞行器1特定方向的机头指向信号，并向射频开关30输出切换控制信号以控制射频开关30选择切换定向天线10指向地面接收端，与无线电台对接。

在本实施例中，至少3个定向天线10嵌入安装于飞行器1的外壳结构上，第1个定向天线10嵌入安装于飞行器1的外壳结构的前侧，第2个定向天线10嵌入安装于飞行器1的外壳结构的左侧，第3个定向天线10嵌入安装于飞行器1的外壳结构的右侧，第4个定向天线10嵌入安装于飞行器1的外壳结构的后侧。作为优选，如图3所示，本实施例采用4个或4个以上定向天线10。可见，本实施例采用的是射频开关30切换定向天线10，定向天线10切换的响应速度很快，可以达到1us级别，对准速度快。

具体的，如图2所示，前侧，左侧，右侧的3个定向天线10可以分布式地嵌入到飞行器1的外壳结构，不会因为机体而遮挡本身的信号辐射，可以很好地与飞行器1融为一体，减少空气阻力。因此，定向天线10可以是嵌入到飞行器1的外壳结构上的定向天线，具有一定的增益和辐射覆盖角度。

在本实施例中，天线切换控制器20为飞行器1的总控制器上的天线控制器，其包括主控芯片、GPS定位器以及地磁场传感器，主控芯片分别与GPS定位器、地磁场传感器连接。

其中，GPS定位器与主控芯片之间进行串口通信，地磁场传感器与主控芯片之间进行I2C通信。

作为优选，天线切换控制器20的主控芯片可以是STM32F427单片机，其中包含了GPS定位器(与主控芯片是串口通信)、和地磁场传感器(与主控芯片是I2C通信)。

具体地，天线切换控制器20就是飞行器1上的总控制器的一部分，天线切换控制器20可用来接收来自飞行器1特定方向的机头指向信号，并将接收到的机头指向信号及其对应的方向角进行分析，能根据电子磁罗盘的判断本身飞行器1的机头指向，例如，当计算出了飞行器1机头角度是90°，即当时飞行器1机头是朝着正北方向。此时还不能确定应该切换哪个天线，因为飞行器1本身还不知道地面接收端在相对于自己的哪一个方向上，所以飞行器1自身还需要有GPS位置定位(即通过GPS定位器定位)，确定飞行器1的实时位置，假设飞行器1是从地面接收端的位置起飞的，那么起飞之前，飞行器1先记录下地面接收端的GPS位置，即可获得地面接收端的位置。

然后，当获取到飞行器1的实时位置以及地面接收端的位置，可以计算出地面接收端相对飞行器1的实时角度，并根据这个角度值，来实时切换对应角度的定向天线10。

在实际应用中，已知地面接收端位置，飞行器1在地面接收端的西方10km远，如图5所示。

(1)此时如果飞行器1机头指向北，则应该将定向天线10切换到右侧的定向天线10以指向地面接收端。

(2)此时如果飞行器1机头指向南，则应该将定向天线10切换到左侧的定向天线10以指向地面接收端。

(3)此时如果飞行器1机头指向东，则应该将定向天线10切换到前侧的定向天线10以指向地面接收端。

(4)此时如果飞行器1机头指向西，则应该将定向天线10切换到后侧的定向天线10以指向地面接收端。

在本实施例中，射频开关30连接于天线切换控制器20与定向天线10之间，用于根据天线切换控制器20输出切换控制信号调整定向天线10朝向地面接收端。

参见图6，射频开关30为1分4的射频开关30，其包括射频开关30芯片以及连接在射频开关30芯片上的第一控制信号脚、第二控制信号脚以及4个天线接口，天线切换控制器20分别向第一控制信号脚、第二控制信号脚输出切换控制信号。

其中，射频开关30芯片根据接收到的切换控制信号连通或断开4个天线接口与定向天线10的信号连接，以控制在同一时刻只有一个定向天线10与无线电台对接。可见，本实施例的射频开关30负责连通无线电台的信号到其中一个定向天线10，同一时刻，只有一个定向天线10能与无线电台对接。

其中，射频开关30芯片的第3引脚与第二控制信号脚之间连接有电阻R1、电阻R3以及电容C4，射频开关30芯片的第4引脚与第一控制信号脚之间连接有电阻R2、电阻R4以及电容C5，电阻R1的第一端与电阻R2的第一端连接后接地，电阻R3的第一端接第二控制信号脚，电阻R4的第一端接第一控制信号脚，电阻R1、电阻R3、电容C4的第二端连接至射频开关30芯片的第3引脚，电阻R2、电阻R4、电容C5的第二端连接至射频开关30芯片的第4引脚。

其中，射频开关30芯片的RF1引脚与第一个天线接口之间连接有电容C11，射频开关30芯片的RF2引脚与第二个天线接口之间连接有电容C3，射频开关30芯片的RF3引脚与第三个天线接口之间连接有电容C2，射频开关30芯片的RF4引脚与第四个天线接口之间连接有电容C1。

作为优选，射频开关30芯片为SKY13380开关IC。

具体的，天线切换控制器20用于控制射频开关30选择哪一个定向天线10与无线电台对接，如图4所示的1分4射频开关30，包括CTRL1和CTRL2两个控制信号脚，天线切换控制器20通过控制CTRL1和CTRL2这两个信号脚，一共可以表示00，01，10，11这4种控制状态，分别对应4个定向天线10。

由此可见，本实用新型提供机载定向跟踪天线系统根据飞行器1的机头指向来切换定向天线10，天线切换控制器20根据磁场传感器来确定方向，无论无人机飞到哪里和机头指向哪个方向，总能选择到一个指向正确的定向天线10，对射地面接收端，可以极大地提高信号强度，能够保持定向天线10的正确指向，易于工程实现，提高了系统可靠性。

所以，本实用新型结构简单，稳定性好，覆盖范围大，能实现定向天线10与地面接收端始终相互对应，能实现天线全角度覆盖，通讯质量好。

以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，在本公开中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本公开的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本公开为必须采用上述具体的细节来实现。

本公开中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。

需要说明的是，以上仅为本实用新型的优选实施例，但实用新型的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本实用新型做出的非实质性修改，也均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分布式的机载定向跟踪天线系统，其特征在于，包括：

地面接收端以及飞行器，所述飞行器上具有至少3个定向天线、射频开关以及天线切换控制器，所述天线切换控制器安装在所述飞行器的控制中心，与所述射频开关通过导线连接，所述射频开关分别与至少3个所述定向天线电性连接；

至少3个所述定向天线分布设置于所述飞行器的外壳结构的指定位置上，所述天线切换控制器用于接收来自飞行器特定方向的机头指向信号，并向所述射频开关输出切换控制信号以控制所述射频开关选择切换所述定向天线指向地面接收端，与无线电台对接。

2.根据权利要求1所述的分布式的机载定向跟踪天线系统，其特征在于：

至少3个所述定向天线嵌入安装于所述飞行器的外壳结构上，第1个所述定向天线嵌入安装于所述飞行器的外壳结构的前侧，第2个所述定向天线嵌入安装于所述飞行器的外壳结构的左侧，第3个所述定向天线嵌入安装于所述飞行器的外壳结构的右侧，第4个所述定向天线嵌入安装于所述飞行器的外壳结构的后侧。

3.根据权利要求1所述的分布式的机载定向跟踪天线系统，其特征在于：

所述天线切换控制器为所述飞行器的总控制器上的天线控制器，其包括主控芯片、GPS定位器以及地磁场传感器，所述主控芯片分别与所述GPS定位器、地磁场传感器连接。

4.根据权利要求3所述的分布式的机载定向跟踪天线系统，其特征在于：

所述GPS定位器与所述主控芯片之间进行串口通信，所述地磁场传感器与所述主控芯片之间进行I2C通信。

5.根据权利要求1所述的分布式的机载定向跟踪天线系统，其特征在于：

所述射频开关连接于所述天线切换控制器与所述定向天线之间，用于根据所述天线切换控制器输出切换控制信号调整所述定向天线朝向所述地面接收端。

6.根据权利要求5所述的分布式的机载定向跟踪天线系统，其特征在于：

所述射频开关为1分4的射频开关，其包括射频开关芯片以及连接在所述射频开关芯片上的第一控制信号脚、第二控制信号脚以及4个天线接口，所述天线切换控制器分别向所述第一控制信号脚、第二控制信号脚输出切换控制信号。

7.根据权利要求6所述的分布式的机载定向跟踪天线系统，其特征在于：

所述射频开关芯片根据接收到的切换控制信号连通或断开4个所述天线接口与所述定向天线的信号连接，以控制在同一时刻只有一个所述定向天线与无线电台对接。

8.根据权利要求7所述的分布式的机载定向跟踪天线系统，其特征在于：

所述射频开关芯片为SKY13380开关IC。

9.根据权利要求6至8任一项所述的分布式的机载定向跟踪天线系统，其特征在于：

所述射频开关芯片的第3引脚与所述第二控制信号脚之间连接有电阻R1、电阻R3以及电容C4，所述射频开关芯片的第4引脚与所述第一控制信号脚之间连接有电阻R2、电阻R4以及电容C5，所述电阻R1的第一端与所述电阻R2的第一端连接后接地，所述电阻R3的第一端接所述第二控制信号脚，所述电阻R4的第一端接所述第一控制信号脚，所述电阻R1、电阻R3、电容C4的第二端连接至所述射频开关芯片的第3引脚，所述电阻R2、电阻R4、电容C5的第二端连接至所述射频开关芯片的第4引脚。

10.根据权利要求6至8任一项所述的分布式的机载定向跟踪天线系统，其特征在于：

所述射频开关芯片的RF1引脚与第一个所述天线接口之间连接有电容C11，所述射频开关芯片的RF2引脚与第二个所述天线接口之间连接有电容C3，所述射频开关芯片的RF3引脚与第三个所述天线接口之间连接有电容C2，所述射频开关芯片的RF4引脚与第四个所述天线接口之间连接有电容C1。

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