阅读说明：本技术 一种无人机地面站定向天线阵列及其扫描方法 (A kind of unmanned aerial vehicle station directional antenna array and its scan method ) 是由 许鸣 黄婷 于 2019-07-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种无人机地面站定向天线阵列及其扫描方法,其在天线支架上设有多个不同仰角的第一斜面和第二斜面,斜面上固定有对应的圆极化天线和四臂共轴线性极化天线,通过配置振子的馈电网络,介入功分网络和开关网络进行统一控制。利用该装置扫描无人机时,先以低增益搜索高仰角周向空域,再以高增益分别搜索垂直振子和水平振子的低仰角空域。本发明所述的天线阵列采用电扫描方式,扫描速度快,设备结构磨损小；实现全空域覆盖,能容忍无人机的各种飞行姿态。(The invention discloses a kind of unmanned aerial vehicle station directional antenna array and its scan methods, its first inclined-plane and the second inclined-plane that multiple and different elevations angle are equipped on antenna holder, corresponding circular polarized antenna and the coaxial linearly polarized antenna of four arms are fixed on inclined-plane, by configuring the feeding network of oscillator, intervenes power division network and switching network is uniformly controlled.When scanning unmanned plane using the device, high elevation angle circumferential direction airspace is first searched for low gain, then searches for the low elevation angle airspace of vertical dipole and horizontal dipole respectively with high-gain.Aerial array of the present invention uses electric scanning mode, and scanning speed is fast, and device structure abrasion is small；It realizes full airspace covering, can tolerate the various flight attitudes of unmanned plane.)

一种无人机地面站定向天线阵列及其扫描方法

技术领域

本发明涉及无人机航空通信设备和无线通信领域，具体地说涉及一种无人机地面站定向天线阵列及其扫描方法。

背景技术

随着无人机的快速发展，无人机与地面之间快速、准确、远距离的通信已成为无人机测控系统的一个关键问题，这就对天线技术提出了很高的要求。

在现有的天线技术中，天线分为定向和全向两种，定向天线比全向天线方向性更好，在地面跟踪无人机这种远距离的应用中，一般选用定向天线。定向天线跟踪扫描传统使用机械式扫描方式，扫描速度收到机械惯性限制，不能实现快速扫描，且机械结构庞大，磨损也大。随着无人机技术的发展，无人机的飞行姿态越来越***，亟需一种电控扫描、多极化全空域覆盖的定向天线。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种基于电控扫描方式的多极化无人机地面站定向天线阵列及其扫描方法，扫描速度快，能够容忍无人机各种飞行姿态，实现全空域覆盖扫描。

技术方案：为实现上述目的，本发明的一种无人机地面站定向天线阵列，包括支架和固定于支架上的若干天线，所述支架的横截面为N边形，支架包括N个第一斜面和N 个第二斜面，每个第一斜面上固定有一个圆极化天线，每个第二斜面上固定有两个四臂共轴线性极化天线，形成两对水平振子和两对垂直振子；

所述圆极化天线射频的N个第一射频电缆、2×N对水平振子形成的N个第二射频电缆、以及2×N对垂直振子形成的N个第三射频电缆共同连接至所述支架底部的控制线板，并封装于一个1分3×N开关网络中；其中，所述N＝4～6。

本发明所述的天线阵列形状为正多边形，包括但不限于正四边形、正五边形和正六边形。N的数值越小，对天线扫描覆盖范围要求越高，六边形框架设计是本发明的优选方案，六边形框架不仅结构简单、对天线单元的覆盖空域要求低，而且可以有效提高全面覆盖率。

为了实现全方位全周向的扫描，对于圆极化天线，因其覆盖仰角最大为50～60°，其安装于第一斜面，且第一斜面的仰角为20～45°从而能实现20～80°的仰角覆盖；优选地，所述第一斜面仰角为35°，实现30～80°的仰角覆盖，30°以下的由四臂共轴线性极化天线覆盖。为此，所述四臂共轴线性极化天线安装于第二斜面上，第二斜面的仰角为75-90°，优选地，第二斜面的仰角为80°。

本发明所述的圆极化天线包括但不限于四臂共轴天线、微带天线、喇叭天线等类型的天线。天线振子为抗氧化表面处理的金属材料制成。

本发明所述的四臂共轴线性极化天线由四个振子组成，振子呈50度角与基部圆环连接，均使用镀银的铝金属材料。每个振子中间部分为信号端口，端口的两臂分别与电缆的内外导体相连，电缆沿着天线单元的支架往下行走，连接至功分网络。

功分网络是一种实现将一路输入信号能量分成两路或多路输出相等或不相等能量，也可反过来将多路信号能量合成一路输出的功能集合，在本发明中是为了将四个垂直振子、四个水平振子以及圆极化天线中的四个振子进行合路和移相处理。其设于天线阵列支架的底板背面。每个圆极化天线的一对水平振子与一对垂直振子分别连接一个功分器，再经移相器合路后连接至开关网络。每个四臂共轴线性极化天线的两对水平振子连接至同一个功分器，再连接至开关网络，两对垂直振子连接至另一个功分器，再连接至开关网络。

所述开关网络包括5根控制线、一级开关群、二级开关群和三级开关群；其中高两位的控制线连接一级开关群，中间两位的控制线连接二级开关群，低一位的控制线连接三级开关群。

对于本发明的一种基于权利要求1所述无人机地面站定向天线阵列扫描高空飞行器的方法，先以低增益搜索N个圆极化天线扫描的高仰角全周向空域，再以高增益搜索四臂共轴线性极化天线垂直振子扫描的低仰角空域，最后以高增益搜索四臂共轴线性极化天线水平振子扫描的低仰角空域，做到全方位覆盖。

基于上述方法搜索飞行器的好处在于：6个圆极化天线单元搜索6次，即可扫描完仰角30度～80度，方位角0～360度空域，能够快速判定飞机的高低空飞行。飞机若是高空飞行则搜索完毕；若是低空飞行则使用水平极化和垂直极化天线再次搜索，如此可以节约搜索时间。

本发明的馈电网络采用1分18功分网络采用一体化搭建方式，将1分18网络做在一个封装内，这样可以避免转换接头带来的不必要的损耗。使用同一个CPLD芯片或 FPGA进行通断控制。功分网络每一级采用符合功率要求的、插损较小的、适合串联使用的PIN芯片，功分网络每个端口的插损不超过3dB。

本发明使用了电扫描方式，天线阵列的扫描速度快，设备结构磨损小；使用了圆极化、水平极化、垂直极化等多极化天线，全空域覆盖，能容忍无人机的各种飞行姿态。本发明是一款低频段高增益的天线，天线驻波比在750～800Mhz时小于1.3，垂直极化水平极化增益高达12dBi以上，圆极化增益高于9dBi。

附图说明

图1是本发明天线列阵的结构示意图；

图2是圆极化天线功分网络示意图；

图3是线性极化天线功分网络示意图；

图4是功分网络连接示意图；

图5是四臂共轴线性极化天线的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供的是一种无人机地面站定向天线阵列，包括多面体支架1、安装于支架上的N圆极化天线2和2×N个四臂共轴线性极化天线3。该多边形支架采用4mm厚度铝板制成，支架底面镂空，以方便安装开关网络和连接电缆。横截面为正N边形(N＝4～6)。

该多面体支架1在上部空间中心对称分布有N个第一斜面4，每个第一斜面4上焊接固定有一个圆极化天线2。多面体支架1于下部空间中心对称分布有N个第二斜面5，每个第二斜面5纵向焊接固定有两个四臂共轴线性极化天线3，形成两对水平振子和两对垂直振子。

其中，圆极化天线可选用四臂共轴天线、微带天线、喇叭天线的任意一种，但凡具有圆极化特点的天线都可以作为圆极化天线使用

请参考图5所示，所述四臂共轴线性极化天线由四个形状相同的振子组成，每个振子呈50度角与基部的圆环330连接，每个振子中线处为信号端口340，信号端口的左右两臂根部分别与射频电缆的内外导体相连。四臂共轴线性极化天线优选用镀银的铝金属材料。图5中展示的一对垂直振子311，312与同一平面另一个四臂共轴线性极化天线的一对垂直振子互联；水平振子321，322亦是同平面的两对互联。

圆极化天线和四臂共轴线性极化天线的射频电缆连接入功分网络，必要地连接功分器和移相器，使用同一个CPLD芯片或FPGA进行通断控制，每个端口的插损不超过 3dB；再从支架内向下延伸至支架底板，封装于支架底板上的1分3×N开关网络中。

上述的无人机地面站定向天线阵列扫描高空飞行器的方式是：先以低增益搜索N个圆极化天线扫描的高仰角全周向空域；再以高增益搜索四臂共轴线性极化天线垂直振子扫描的低仰角空域，最后以高增益搜索四臂共轴线性极化天线水平振子扫描的低仰角空域。

实施例2

为了控制成本，本实施例提供的是以四臂共轴线性极化天线兼用作圆极化天线的实施方式，但馈电网络连接方式的不同，使得同一种天线能满足多极化的需求。四臂共轴线性极化天线覆盖仰角最大值不超过30°，同时为了实现360°全周向覆盖和0～80°俯仰角覆盖，采用横截面为正六边形的多面体支架。

在实施例1的基础上，第一斜面仰角为35°，第二斜面仰角为80°，四臂共轴线性极化天线垂直焊接于第一斜面和第二斜面上。

如图2所示，固定于第一斜面的六个四臂共轴线性极化天线即圆极化天线2，其接入功分网络时，每个圆极化天线的一对水平振子与一对垂直振子分别连接一个功分器，再经移相器合路后连接至1分18开关网络。

如图3所示，固定于第二斜面的十二个四臂共轴线性极化天线，每个四臂共轴线性极化天线的两对水平振子连接至同一个功分器，再连接至开关网络，两对垂直振子连接至另一个功分器，再连接至开关网络。

图4展示的是1分18开关网络的连接示意图，开关网络包括5根控制线7、一级开关群61、二级开关群62和三级开关群63；其中高两位的控制线连接一级开关群61，中间两位的控制线连接二级开关群62，低一位的控制线连接三级开关群63，三级开关群 63分别连接圆极化天线的射频电缆及其功分网络20，四臂共轴线性极化天线(垂直振子)的射频电缆及其功分网络32，四臂共轴线性极化天线(水平振子)的射频电缆及其功分网络34。

利用上述实施例2公开的无人机地面站定向天线阵列进行扫描，按照如下流程执行：

S100：系统上电后，天线阵列接收到系统开始搜索的指令，先以低增益搜索6个圆极化天线扫描的高仰角全周向空域。如与无人机建立通信，则转为S400；如未与无人机建立通信，则进入流程S200。

S200：以高增益搜索四臂共轴线性极化天线垂直振子扫描的低仰角空域。如与无人机建立通信，则转入流程S400，如未与无人机建立通信，则进入流程S300。

S300：以高增益搜索四臂共轴线性极化天线水平振子扫描的低仰角空域。如与无人机建立通信，则转入流程S400，如未与无人机建立通信，则回到S100；当第10次S300 步骤扫描未与无人机建立通信，转入流程S500。

S400：扫描过程中，如果地面与无人机建立通信，则立刻停止扫描，并根据地面和飞机相对方位的计算结果，立即切换到指定天线。

S500：停止搜索，上报无法建立通信消息，等待系统下达重新搜索指令。

上述步骤S100、S200、S300扫描时是依次按照0～60°，60～120°，120～180°， 180～240°，240～300°，300～360°沿顺时针方向每60°逐一扫描，每个天线停留时长为2秒。

上述步骤S100、S200、S300在通信过程中，如果出现通信终端响应10秒以上，则从S100开始重新启动搜索序列。

通信过程中，通过计算结果，实时切换覆盖天线，保证无人机始终笼罩在最大增益天线范围内，并在相邻天线区域覆盖留有1度以上的交叉覆盖空间。

如表1，表2，表3所示，为了实现射频系统的阻抗匹配和满足无人机地面站对天线发射信号覆盖范围和强度的要求，本发明的圆极化天线驻波比在750～800Mhz时小于 1.3，增益高于9dBi。四臂共轴线性极化天线驻波比在750～800Mhz时小于1.3，增益高于12dBi。

表1圆极化天线仿真性能列表

表2垂直极化天线仿真性能列表

	750MHz	760MHz	770MHz	780MHz	790MHz	800MHz
							驻波比	1.12	1.13	1.14	1.16	1.20	1.25
垂直极化增益(dBi)	12.55	12.58	12.58	12.55	12.49	12.40
							3dB波瓣宽度E(degree)	35.6	34.9	34.5	34.0	33.6	33.1
3dB波瓣宽度H(degree)	50.2	50.4	50.7	51.0	51.3	51.6

表3水平极化天线仿真性能列表