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CN110600893A - 一种无人机载应急通信三频段天线装置 - Google Patents

一种无人机载应急通信三频段天线装置 Download PDF

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Abstract

本发明适用于天线技术领域，提供一种无人机载应急通信三频段天线装置，所述装置包括腔体反射面，所述腔体反射面顶部沿中心轴圆周均匀设置有多个1.4G天线单元，所述装置还包括一体化天线单元，所述一体化天线单元包括2.4G天线与800M天线，所述800M天线底部有同轴线馈电线，所述腔体反射面底部还设置有天线控制盒，同一时刻只有一路1.4G天线单元与所述天线控制盒选通，成本低、工作稳定；另外2.4G天线与800M天线采用一体化设计，实现整个天线装置三频点工作而不相互干扰。本三频段天线装置结构设计紧凑，重量轻，具有三个频点兼容，易于集成使用，特别适合机载应急通信。

Description

一种无人机载应急通信三频段天线装置
技术领域
本发明属于天线领域，尤其涉及一种无人机载应急通信三频段天线装置。
背景技术
在无人机应急通信应用中，通信载荷通常要求移动通信终端天线具有多频带、高增益、大带宽等性能特点，以满足通信要求，而且随着移动终端发展趋于小型化，因此对天线尺寸提出了更高的要求。
对于三频段天线，工作频率范围为1350MHz～1500MHz(简称1.4G天线)、2300MHz～2500MHz(简称2.4G天线)、750MHz～850MHz(简称800M天线)三个波段，其中1350MHz～1500MHz频段为水平窄波束切换天线，2300MHz～2500MHz为对地高增益天线，750MHz～850MHz为水平全向天线。天线单元较多，单元天线设计中为了满足带宽、增益、工作频带要求，通常要用到较多的微波介质，这样不仅大大增加了天线重量，天线效率较低，而且，水平波束扫描天线与其他两波段天线兼容设计国内外未见相关产品报道。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种无人机载应急通信三频段天线装置，旨在解决在保证尺寸小、重量轻、结构紧凑且满足三频段天线兼容设计的问题。
本发明采用如下技术方案：
所述无人机载应急通信三频段天线装置，包括腔体反射面，所述腔体反射面顶部沿中心轴圆周均匀设置有多个1.4G天线单元，所述装置还包括一体化天线单元，所述一体化天线单元包括2.4G天线与800M天线，所述2.4G天线位于腔体反射面顶部中心轴位置，所述800M天线底部有同轴线馈电线，所述800M天线位于所述2.4G天线正上方且高度高于所述1.4G天线单元，所述腔体反射面底部还设置有天线控制盒，所述800M天线通过所述同轴线馈电线连接至所述天线控制盒，所述2.4G天线以及所有1.4G天线单元均连接至所述天线控制盒，所有1.4G天线单元中，同一时刻只有一路1.4G天线单元与所述天线控制盒选通。
进一步的，所述1.4G天线单元从下至上依次为1.4G天线反射面、第一微波介质板、1.4GHz激励贴片以及1.4GHz寄生贴片，所述第一微波介质板的底面形状与1.4G天线反射面顶部形状相同，且所述第一微波介质板通过远离1.4GHz激励贴片的金属螺钉紧固在1.4G天线反射面上，所述1.4GHz寄生贴片相距1.4GHz激励贴片一定距离设置，所述1.4G天线反射面两边边缘向上弯折90度，且弯折部分与所述1.4GHz寄生贴片垂直，所述1.4G天线反射面底面有1.4GHz馈电口。
进一步的，所述2.4G天线从下至上依次为2.4G天线反射面、第二微波介质板、2.4GHz激励贴片以及2.4GHz寄生贴片，所述第二微波介质板的底面形状与2.4G天线反射面顶部形状相同，且所述第二微波介质板通过远离2.4GHz激励贴片的金属螺钉紧固在2.4G天线反射面上，所述2.4GHz寄生贴片相距2.4GHz激励贴片一定距离设置，所述2.4G天线反射面底面有2.4GHz馈电口和800MHz馈电口，所述800M天线位于2.4GHz寄生贴片正上方，所述同轴线馈电线依次穿过2.4GHz寄生贴片、2.4GHz激励贴片、第二微波介质板、2.4G天线反射面的中心轴位置后与所述800MHz馈电口连接。
本发明的有益效果是：
第一，本发明设计的三频段天线装置包括多个1.4G天线单元形成波束切换天线阵，同一时刻单路选通，波束切换天线阵节省大量的TR组件，成本低、工作稳定；
第二，采用一体化设计的2.4G天线与800M天线，适合单极子天线与微带天线兼容设计，进而实现整个天线装置三频点工作而不相互干扰；
第三，1.4G天线、2.4G天线特殊结构设计，可以优化天线辐射的前后比和增益，降低了生产成本；
第四，三频段天线装置结构设计紧凑，重量轻，具有三个频点兼容，易于集成使用，特别适合机载应急通信。
附图说明
图1是本发明实施例提供的无人机载应急通信三频段天线装置的正视示意图；
图2是本发明实施例提供的无人机载应急通信三频段天线装置的仰视示意图；
图3是本发明实施例提供的1.4G天线单元的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的2.4G天线与800M天线的一体化设计结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
图1、2示出了本发明实施例提供的无人机载应急通信三频段天线装置的结构，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。
本实施例提供的无人机载应急通信三频段天线装置，包括腔体反射面1，所述腔体反射面1顶部沿中心轴圆周均匀设置有多个1.4G天线单元2，所述装置还包括一体化天线单元，所述一体化天线单元包括2.4G天线3与800M天线4，所述2.4G天线3位于腔体反射面1顶部中心轴位置，所述800M天线3底部有同轴线馈电线5，所述800M天线4位于所述2.4G天线3正上方且高度高于所述1.4G天线单元2，所述腔体反射面底部还设置有天线控制盒6，所述800M天线4通过所述同轴线馈电线5连接至所述天线控制盒6，所述2.4G天线以及所有1.4G天线单元2均连接至所述天线控制盒6，所有1.4G天线单元中，同一时刻只有一路1.4G天线单元与所述天线控制盒6选通。
本实施例中，所述腔体反射面为圆形，1.4G天线单元有8个，且圆周均匀布置，腔体反射面作为整个天线装置的接地板，且每路1.4G天线单元的馈电连接线连接到所述天线控制盒，天线控制盒在一个时刻只选通一路1.4G天线单元，通过控制8个1.4G天线单元产生8个波束，每个水平面波束覆盖45度，45度范围内增益大于7dB，点对点远距离宽带通信需求。800M天线与2.4G天线一体化设计，置于腔体反射面圆心位置，2.4GHz天线主要用于对地通信，其紧贴腔体反射面，800M天线伸出高度需要高于1.4G天线单元以能实现水平全向辐射，伸出长度通过控制同轴线馈电线长度实现。
本实施例为了实现三个波段天线兼容设计，1.4G天线单元沿圆周布置8个单元实现8个波束切换，天线背板朝圆周中心，因此，1.4G天线对圆周中心部分辐射较小，可以布置其他两波段天线。考虑到2.4G天线功能是对地通信，800M天线实现水平通信，2.4G天线置于腔体反射面中心，800M天线置于腔体反射面上方，并穿过2.4G天线中心(电位零点)引出馈电线，实现三品天线兼容而不遮挡。通过以上单元天线与组阵设计，本发明实施例三频天线结构紧凑，重量轻，易于生产，特别适合机载应急通信。
作为所述1.4G天线单元2的一种具体结构，如图3所示，从下至上依次为1.4G天线反射面21、第一微波介质板22、1.4GHz激励贴片23以及1.4GHz寄生贴片24，所述第一微波介质板22的底面形状与1.4G天线反射面21顶部形状相同，且所述第一微波介质板22通过远离1.4GHz激励贴片的金属螺钉紧固在1.4G天线反射面21上，所述1.4GHz寄生贴片24相距1.4GHz激励贴片23一定距离设置，所述1.4G天线反射面21两边边缘向上弯折90度，且弯折部分与所述1.4GHz寄生贴片24垂直，所述1.4G天线反射面底面有1.4GHz馈电口25。
本结构中，1.4G天线单元采用空气耦合的层叠结构，不仅实现宽频工作，而且具有较高的辐射增益。第一微波介质板属于微波材料，损耗角正切小于0.01，第一微波介质板底面形状与1.4G天线反射面内顶面形状相同，且第二微波介质板通过金属螺钉紧固在1.4G天线反射面内壁上，要求金属螺钉位置远离1.4GHz激励贴片。1.4GHz激励贴片属于导电金属层，用于激励线化波，1.4GHz寄生贴片属于金属导体，位于1.4GHz激励贴片的正上方，并通过介质螺钉(图中未示出)固定于1.4G天线反射面的上方。特别的，本实施例中，1.4G天线反射面其特点在于与极化方向垂直的两边边缘向上弯折90度，弯折部分与1.4GHz寄生贴片垂直，该结构设计提高了天线的辐射前后比，实践表明通过这种结构设计天线辐射前后比可提高6dB，其原理在于1.4G天线反射面两边边缘向上弯折的金属壁形成了类似于喇叭的腔体，提高了地面的尺寸，而且通过调整向上弯折的金属壁的高度，可以优化天线辐射增益与前后比，其规律表现为向上弯折的金属壁的高度越高，天线前后比越大，增益越高；而且实现了天线的小型化设计，其原理在于1.4GHz寄生贴片与1.4G天线反射面向上弯折的金属壁产生电场耦合，提高了1.4GHz寄生贴片的等效谐振长度，而且通过调整耦合距离可以调节天线尺寸和阻抗带宽，其规律表现为耦合距离越小，则在相同工作频率下，天线横向尺寸越小。
因此这种空气耦合层叠结构的特殊微带天线设计，1.4G天线通过将极化方向地板上折形成低剖面喇叭结构，并通过空气耦合激励实现宽频工作，并把上层贴片边缘靠近上折地板部分产生耦合，缩小了天线尺寸，且提高天线辐射前后比，频段在满足带宽(10％)需求的情况下，天线高度仅为0.05λ(λ为天线的工作波长)。
作为所述2.4G天线与800M天线的一种具体结构，所述2.4G天线与800M天线采用一体化兼容设计，实现整个天线装置三频点工作而不相互干扰。如图4所示，所述2.4G天线3从下至上依次为2.4G天线反射面31、第二微波介质板32、2.4GHz激励贴片33以及2.4GHz寄生贴片34，所述第二微波介质板32的底面形状与2.4G天线反射面31顶部形状相同，且所述第二微波介质板32通过远离2.4GHz激励贴片的金属螺钉紧固在2.4G天线反射面31上，所述2.4GHz寄生贴片34相距2.4GHz激励贴片33一定距离设置，所述2.4G天线反射面底面有2.4GHz馈电口35和800MHz馈电口41，所述800M天线4位于2.4GHz寄生贴片34正上方，所述同轴线馈电线5依次穿过2.4GHz寄生贴片34、2.4GHz激励贴片33、第二微波介质板32、2.4G天线反射面31的中心轴位置后与所述800MHz馈电口41连接。
本实施例2.4G天线单元采用空气耦合的层叠结构，其特点在于2.4GHz激励贴片、2.4GHz寄生贴片、第二微波介质板以及2.4G天线反射面中心具有圆形孔，用于穿插同轴线馈电线5，同轴线馈电线连接800MHz天线，采用此设计结构，同轴线馈电线不会对2.4G天线单元产生影响，其原理在于2.4GHz激励贴片、2.4GHz寄生贴片、2.4G天线反射面中心均为电位零点，天线工作时不会产生高频电流，从而实现天线一体化设计。
因此综上，本发明1.4G天线、2.4G天线双层贴片采用空气耦合，激励层仅使用了较薄的微波介质板，且对微波介质板的损耗角正切要求不高(小于0.01即可)，降低了生产成本；而且对于1.4G单元天线，将与天线极化方向垂直的地板两边向上弯折90度，通过调整折起的高度可以优化天线辐射的前后比和增益；另外，天线单元采用具有单向辐射特性的微带天线结构，且本发明设计的1.4G天线单元具有较高的辐射前后比，实践表明前后比具有16dB，通过微波开关阵列来控制待选通的8个天线单元，从而可产生水平8个波束，单波束水平45度范围增益优于7dB，该方法设计的波束切换天线阵节省大量的TR组件，成本低、工作稳定。此外，2.4G天线与800M天线一体化设计，适合单极子天线与微带天线兼容设计，进而实现整个天线装置三频点工作而不相互干扰；本发明设计的天线装置结构紧凑，重量轻，具有三个频点兼容，易于集成使用，特别适合机载应急通信。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种无人机载应急通信三频段天线装置，其特征在于，所述装置包括腔体反射面，所述腔体反射面顶部沿中心轴圆周均匀设置有多个1.4G天线单元，所述装置还包括一体化天线单元，所述一体化天线单元包括2.4G天线与800M天线，所述2.4G天线位于腔体反射面顶部中心轴位置，所述800M天线底部有同轴线馈电线，所述800M天线位于所述2.4G天线正上方且高度高于所述1.4G天线单元，所述腔体反射面底部还设置有天线控制盒，所述800M天线通过所述同轴线馈电线连接至所述天线控制盒，所述2.4G天线以及所有1.4G天线单元均连接至所述天线控制盒，所有1.4G天线单元中，同一时刻只有一路1.4G天线单元与所述天线控制盒选通。
2.如权利要求1所述无人机载应急通信三频段天线装置，其特征在于，所述1.4G天线单元从下至上依次为1.4G天线反射面、第一微波介质板、1.4GHz激励贴片以及1.4GHz寄生贴片，所述第一微波介质板的底面形状与1.4G天线反射面顶部形状相同，且所述第一微波介质板通过远离1.4GHz激励贴片的金属螺钉紧固在1.4G天线反射面上，所述1.4GHz寄生贴片相距1.4GHz激励贴片一定距离设置，所述1.4G天线反射面两边边缘向上弯折90度，且弯折部分与所述1.4GHz寄生贴片垂直，所述1.4G天线反射面底面有1.4GHz馈电口。
3.如权利要求2所述无人机载应急通信三频段天线装置，其特征在于，所述2.4G天线从下至上依次为2.4G天线反射面、第二微波介质板、2.4GHz激励贴片以及2.4GHz寄生贴片，所述第二微波介质板的底面形状与2.4G天线反射面顶部形状相同，且所述第二微波介质板通过远离2.4GHz激励贴片的金属螺钉紧固在2.4G天线反射面上，所述2.4GHz寄生贴片相距2.4GHz激励贴片一定距离设置，所述2.4G天线反射面底面有2.4GHz馈电口和800MHz馈电口，所述800M天线位于2.4GHz寄生贴片正上方，所述同轴线馈电线依次穿过2.4GHz寄生贴片、2.4GHz激励贴片、第二微波介质板、2.4G天线反射面的中心轴位置后与所述800MHz馈电口连接。
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