天线装置和无人机的制作方法

本公开是关于电子技术领域，尤其是关于一种天线装置和无人机。

背景技术：

在无人机向地面的控制端发送信息的过程中，可以通过无人机上的天线装置进行信息的传输。天线装置是一种能量的变换器，它可以把射频馈线上传播的高频电信号，变换成在自由空间中传播的电磁波。天线装置可以是定向天线，其在空间中某一特定方向上的信号传输能力极强。可以在无人机中设置多个天线装置，以增强空间中各方向上的信号传输能力。

多个天线装置所围成的形状可以为正九棱柱，每个天线装置设置在正九棱柱的每个柱面上。在使用该装置时，可以同时启用相邻的3个天线装置，3个天线装置同时产生激励，形成指向某一特定方向的波束。

在实现本公开的过程中，发明人发现至少存在以下问题：

要覆盖空间中各方向就要设置多个天线装置，所需天线装置的数量较多，导致装置整体的体积较大。

技术实现要素：

为了克服相关技术中存在的问题，本公开提供了以下技术方案：

根据本公开实施例的第一方面，提供一种天线装置，所述天线装置包括射频馈线、辐射单元、N个条形的寄生单元、N个电控开关和射频地线；

所述射频馈线与所述辐射单元电连接，所述射频馈线用于与调制解调器电连接；

N个寄生单元分别与所述射频地线电连接，N个电控开关分别设置在N个寄生单元与所述射频地线的连接线路上；

N个寄生单元均匀设置在所述辐射单元周围，且N个寄生单元分别与所述辐射单元的主轴平行，其中，所述辐射单元的主轴为所述辐射单元对应的电磁场中心轴。

可选地，所述N为偶数，且所述N大于等于4。

可选地，每个寄生单元与所述辐射单元的主轴的距离为预设的所述天线装置传输的射频信号的波长的四分之一。

根据本公开实施例的第二方面，提供一种无人机，所述无人机包括调制解调器、处理器以及第一方面所述的天线装置；

所述处理器和所述调制解调器电连接，所述调制解调器和所述射频馈线电连接，所述处理器分别和N个电控开关电连接；

所述处理器，用于：

基于所述无人机与所述控制设备的相对位置信息、以及所述无人机的姿态信息，确定目标波束指向，其中，所述目标波束指向是所述无人机与所述控制设备的连线在目标平面内的投影线与所述无人机上的预设参考方向之间的夹角，所述目标平面是与所述主轴垂直的任意平面，所述预设参考方向与所述主轴垂直；

根据预先存储的波束指向与开关控制信息的对应关系，确定所述目标波束指向对应的目标开关控制信息，其中，所述开关控制信息包括每个电控开关对应的控制方式，所述控制方式为开启或闭合；

基于所述目标开关信息，对所述天线装置的电控开关进行控制。

可选地，所述处理器，用于：

按照预设的周期，获取所述无人机的定位信息；

控制所述天线装置向所述控制设备发送所述定位信息；

接收所述控制设备返回的所述无人机与所述控制设备的相对位置信息。

可选地，波束指向与开关控制信息的对应关系为波束指向范围与开关控制信息的对应关系，所述处理器，用于：

根据预先存储的波束指向范围与开关控制信息的对应关系，确定所述目标波束指向所属的波束指向范围对应的目标开关控制信息。

可选地，所述处理器，用于：

分别确定所述目标波束指向与预先存储的多个波束指向的差值；

根据预先存储的波束指向与开关控制信息的对应关系，确定所述对应关系中与所述目标波束指向的差值最小的波束指向对应的目标开关控制信息。

可选地，所述无人机包括至少两个天线装置；

所述处理器，用于：

当接收到所述控制设备发送的测试信号时，分别确定所述至少两个天线装置接收到的测试信号的信号强度；

基于天线装置的信号强度由低到高的顺序，依次基于所述目标开关信息，对每个天线装置的电控开关进行控制。

可选地，所述无人机还包括固定部件，所述固定部件设置在所述无人机的机腹下，所述天线装置安装在所述固定部件中。

可选地，所述无人机中的天线装置包括至少一个第一类别天线装置和至少一个第二类别天线装置，其中，所述第一类别天线装置用于传输所述无人机搭载的图像采集装置拍摄的图像，所述第二类别天线装置用于传输所述无人机和所述控制设备之间的控制信息。

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

通过控制电控开关的通断，可以控制电控开关对应的寄生单元与射频地线的通断，进而可以控制哪个方向上的寄生单元对辐射单元散发的电磁波进行反射。最终，可以有效控制电磁波的传播方向，即控制天线装置的方向性。原本要采用多个天线装置才能覆盖空间中各方向，而通过本公开实施例提供的天线装置，只需要1个天线装置就可以覆盖空间中各方向，本公开实施例提供的天线装置体积大大减小。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。在附图中：

图1是根据一示例性实施例示出的一种天线装置的结构示意图；

图2是根据一示例性实施例示出的一种天线装置的结构示意图；

图3是根据一示例性实施例示出的信号强度示意图；

图4是根据一示例性实施例示出的信号强度示意图；

图5是根据一示例性实施例示出的信号强度示意图；

图6是根据一示例性实施例示出的信号强度示意图；

图7是根据一示例性实施例示出的信号强度示意图；

图8是根据一示例性实施例示出的信号强度示意图；

图9是根据一示例性实施例示出的信号强度示意图；

图10是根据一示例性实施例示出的信号强度示意图；

图11是根据一示例性实施例示出的一种无人机的结构示意图；

图12是根据一示例性实施例示出的一种固定部件的结构示意图。

图例说明

110射频馈线 120辐射单元

130寄生单元 140电控开关

150射频地线 1110调制解调器

1120处理器 1130天线装置

通过上述附图，已示出本公开明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本公开构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本公开的概念。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本公开一示例性实施例提供了一种天线装置，如图1所示，天线装置包括射频馈线110、辐射单元120、N个条形的寄生单元130、N个电控开关140和射频地线150。

连接关系和结构关系为，射频馈线110与辐射单元120电连接，射频馈线110用于与调制解调器电连接；N个寄生单元130分别与射频地线150电连接，N个电控开关140分别设置在N个寄生单元130与射频地线150的连接线路上；N个寄生单元130均匀设置在辐射单元120周围，且N个寄生单元130分别与辐射单元120的主轴平行。其中，辐射单元120的主轴为辐射单元120对应的电磁场中心轴。辐射单元120可以是PIFA(Inverted-F antenna，倒F型天线)、对称振子等。

在实施中，天线装置可以安装于各种通信设备中，例如安装于无人机中，用于和地面上的控制设备进行通信。

射频馈线110可以与调制解调器连接，调制解调器可以包括射频接收器和射频发射器。可选地，射频馈线110还可以通过功分器和调制解调器相连接。射频馈线110用于传输射频信号，在发送信号时，射频馈线110将射频信号传输至辐射单元120。在辐射单元120中，射频信号可以以电磁波的形式全面地向自由空间中扩散。在接收信号时，辐射单元120从自由空间中接收射频信号，将射频信号传输至射频馈线110，射频馈线110将射频信号通过调制解调器传输至处理器，对射频信号携带的信息进行处理。

在辐射单元120的周围均匀设置有N个寄生单元130，这N个寄生单元130分别通过N个电控开关140和射频地线150相连接。当电控开关140开启时，寄生单元130和射频地线150导通。

当寄生单元130和射频地线150导通时，寄生单元130中的电压和射频地线150中的射频地的电压一致，而射频地对电磁波具有反射作用，是向射频地所处的水平面中的位置的180°方向反射。处于射频地所处的水平面中的位置的180°方向上的不与射频地线150导通的寄生单元130对电磁波具有引向作用。因此，在设置天线装置的结构时，N个寄生单元130均匀设置在辐射单元120周围，且N个寄生单元130分别与辐射单元120的主轴平行，这样更便于控制电磁波传播的方向。

例如，如图2所示，电控开关140可以包括电控开关A、电控开关B、电控开关C和电控开关D。相应地，寄生单元130可以包括寄生单元A、寄生单元B、寄生单元C和寄生单元D。可以建立一个坐标系，该坐标系以电控开关C到电控开关A的连线为x轴，以电控开关D到电控开关B的连线为y轴，以射频馈线110所在的线为z轴。从电控开关A到电控开关B到电控开关C到电控开关D再到电控开关A为正向360°。在研究天线装置的方向性时，主要只考虑水平方面的方向性，即x轴和y轴所组成的水平面。当电控开关A开启且电控开关B-D全部关闭时，电控开关A对辐射单元120上发射的电磁波具有反射作用。在水平面中，处于电控开关A的180°方向上的电控开关C对辐射单元120上发射的电磁波具有引向作用。此时，可以测得这种状态下的辐射单元120发射的信号在水平面中各个方向上的信号强度，具体可见图3。图3中的图例中，Name是测试点的标识，具体为m1-m4四个测试点。Phi为希腊字母φ，表示绝对角度。Ang为Angle，表示相对角度。Mag为Magnetic，表示测试点上的信号强度。图4-图10中的图例含义一样，下文不再对其进行说明。通过图3可以见得，信号强度所描绘的曲线呈扇形，在180°或者-180°的方向上，信号强度最强。

再例如，如图2所示，当电控开关A和电控开关B同时开启，且电控开关C和电控开关D同时关闭时，电控开关A和电控开关B联合开启的等效反射点为45°位置。在水平面中，处于等效反射点的180°方向上的电控开关C和电控开关D的等效引向点对辐射单元120上发射的电磁波具有引向作用。最终，可以测得在-135°的方向上，信号强度最强。

可以认为反射和引向是寄生单元130对电磁波的耦合作用。通过寄生单元130对电磁波的耦合作用。可以使得原本从辐射单元120全面向自由空间中扩散的电磁波，向某一特定方向聚集扩散，这样，在该方向上测得的信号强度就极强。通过控制单个或者多个寄生单元130和射频地线150的导通，来控制天线装置的方向性。需要说明的是，当处于180°的方向上的两个或者多个寄生单元130同时与射频地线150导通时，它们会互相抵消之间的方向性，因此，不同时让处于180°的方向上的两个或者多个寄生单元130与射频地线150导通。例如，在图2中，不同时控制电控开关A和电控开关C打开，且控制电控开关B和电控开关D关闭。

可选地，N为偶数，且N大于等于4。

在实施中，由于至少需要一个寄生单元130起反射作用，需要另一个寄生单元130起引向作用，因此，N设置为偶数。另外，当N为2时，即有2个寄生单元130，这2个寄生单元130设置在相对的位置上，可以得到的方向为2种。在实际应用中，天线装置只具有两种方向不能满足实际需求。因此，设置最少4个寄生单元130，以获得多种方向。当继续提高N的数量时，可以获得的方向更多，天线装置的方向性也更加准确。

在本实施例中，以图2为例，当N为4时，获得至少8种可用的方向，包括(以下没有提到的电控开关为关闭状态)：

(1)电控开关A打开，在-180°的方向上，信号强度最强。信号强度图如图3所示。

(2)电控开关B打开，在270°的方向上，信号强度最强。信号强度图如图4所示。

(3)电控开关C打开，在0°的方向上，信号强度最强。信号强度图如图5所示。

(4)电控开关D打开，在90°的方向上，信号强度最强。信号强度图如图6所示。

(5)电控开关A、B同时打开，在-135°的方向上，信号强度最强。信号强度图如图7所示。

(6)电控开关B、C同时打开，在-45°的方向上，信号强度最强。信号强度图如图8所示。

(7)电控开关C、D同时打开，在45°的方向上，信号强度最强。信号强度图如图9所示。

(8)电控开关D、A同时打开，在135°的方向上，信号强度最强。信号强度图如图10所示。

上述信号强度图虽然是在天线装置向外发射信号时测试的，但是，在接收信号时，天线装置具有相同的天线增益，即接收信号时，也可以通过控制电控开关140处于不同状态，获得不同方向的接收能力最强的天线装置。

可选地，每个寄生单元130与辐射单元120的主轴的距离为预设的天线装置传输的射频信号的波长的四分之一。

在实施中，通过调整寄生单元130和辐射单元120之间的距离，可以相应调整天线装置的方向性。具体可以通过测试、模拟等手段，确定最佳的寄生单元130和辐射单元120之间的距离。在本公开实施例中，设置寄生单元130和辐射单元120之间的距离为天线装置传输的射频信号的波长的四分之一。

本实施例提供的天线装置包括射频馈线、辐射单元、N个条形的寄生单元、N个电控开关和射频地线。射频馈线与辐射单元电连接，射频馈线用于与调制解调器电连接。N个寄生单元分别与射频地线电连接，N个电控开关分别设置在N个寄生单元与射频地线的连接线路上。N个寄生单元均匀设置在辐射单元周围，且N个寄生单元分别与辐射单元的主轴平行，其中，辐射单元的主轴为辐射单元对应的电磁场中心轴。通过控制电控开关的通断，可以控制电控开关对应的寄生单元与射频地线的通断，进而可以控制哪个方向上的寄生单元对辐射单元散发的电磁波进行反射。最终，可以有效控制电磁波的传播方向，即控制天线装置的方向性。原本要采用多个天线装置才能覆盖空间中各方向，而通过本公开实施例提供的天线装置，只需要1个天线装置就可以覆盖空间中各方向，本公开实施例提供的天线装置体积大大减小。

本公开另一示例性实施例提供了一种无人机，如图11所示，无人机包括调制解调器1110、处理器1120以及上面实施例所述的天线装置1130。

连接关系为，处理器1120和调制解调器1110电连接，调制解调器1110和射频馈线电连接，处理器1120分别和N个电控开关电连接。

实现的功能为，处理器1120用于：基于无人机与控制设备的相对位置信息、以及无人机的姿态信息，确定目标波束指向，其中，目标波束指向是无人机与控制设备的连线在目标平面内的投影线与无人机上的预设参考方向之间的夹角，目标平面是与主轴垂直的任意平面，预设参考方向与主轴垂直；根据预先存储的波束指向与开关控制信息的对应关系，确定目标波束指向对应的目标开关控制信息，其中，开关控制信息包括每个电控开关对应的控制方式，控制方式为开启或闭合；基于目标开关信息，对天线装置1130的电控开关进行控制。

在实施中，在将天线装置1130安装于无人机上时，如图12所示，无人机还可以包括固定部件，固定部件可以设置在无人机的机腹下，天线装置1130可以安装在固定部件中。

可选地，无人机中的天线装置1130包括至少一个第一类别天线装置1130和至少一个第二类别天线装置1130，其中，第一类别天线装置1130用于传输无人机搭载的图像采集装置拍摄的图像，第二类别天线装置1130用于传输无人机和控制设备之间的控制信息。

在实施中，可以在无人机上设置4个天线装置1130，其中2个用于传输无人机搭载的图像采集装置拍摄的图像，另外2个用于传输无人机和控制设备之间的控制信息。它们工作在不同的频段，同一类别的天线装置1130可以同时进行数据传输，这样4个天线装置1130组成的天线系统可以工作在MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多入多出)模式。在设置这4个天线的位置时，不同类的天线相邻，这样可以减轻同频的干扰。

在实施中，控制设备可以是地面上的控制端，可以用于控制无人机执行任务，接收无人机采集的数据等。当控制设备和无人机进行数据传输时，需要用到天线装置1130。由于无人机不是固定在天空中某一处或者某一朝向的，因此无人机和控制设备的相对位置是经常变换的。

首先，处理器1120可以用于：按照预设的周期，获取无人机的定位信息；控制天线装置1130向控制设备发送定位信息；接收控制设备返回的无人机与控制设备的相对位置信息。无人机可以通过无人机上携带的定位部件采集无人机当前的定位信息。由于无人机的制作要求为低功耗，以延长可以在天空飞行的时间，因此，数据处理可以交由控制设备操作。无人机可以将采集的定位信息发送至控制设备，控制设备根据无人机的定位信息和控制设备的定位信息，确定无人机与控制设备的相对位置信息。该相对位置信息可以是相对角度信息，也可以是水平面中的相对角度。控制设备可以将无人机与控制设备的相对位置信息发送至无人机。

接着，无人机根据无人机与控制设备的相对位置信息、以及无人机的姿态信息，确定目标波束指向。无人机的姿态信息为无人机在水平面中相对于预设的姿态下的旋转角度。目标波束指向可以是角度信息，即在当前的无人机的姿态下，无人机相对于控制设备的相对角度。在确定目标波束指向的过程中，需要考虑无人机的姿态信息是因为，随着无人机的旋转，固定在无人机机身的天线装置1130也会随着无人机旋转，因此，在确定相对角度时，要考虑无人机自身旋转的因素。目标波束指向是无人机与控制设备的连线在目标平面内的投影线与无人机上的预设参考方向之间的夹角。目标平面可以是图2中x轴和y轴所围成的平面。预设参考方向可以是x轴正半轴的方向。这样，可以确定在水平面中，无人机和控制设备的相对角度。

随后，在无人机的存储器中可以预先存储波束指向与开关控制信息的对应关系，即当需要波束指向哪个角度时，需要打开哪些电控开关和关闭哪些电控开关。根据预先存储的波束指向与开关控制信息的对应关系，确定目标波束指向对应的目标开关控制信息。

最后，基于目标开关信息，对天线装置1130的电控开关进行控制。

可选地，波束指向与开关控制信息的对应关系为波束指向范围与开关控制信息的对应关系，处理器1120可以用于：根据预先存储的波束指向范围与开关控制信息的对应关系，确定目标波束指向所属的波束指向范围对应的目标开关控制信息。

在实施中，根据图3-10所示的信号强度图，可以为不同波束指向划分波束指向范围。例如，当电控开关A闭合，其他电控开关断开的状态下，最强的信号强度的波束指向是-180°。在-180°上，信号强度为5.625dB，以3dB为界限，和最强的信号强度相差3dB的波束指向属于同一范围，例如135°至-225°之间的目标波束指向都属于同一范围。假如目标波束指向为160°，则属于该范围，则控制电控开关A闭合，其他电控开关断开，以增强160°方向上天线装置1130传输信号的能力。

可选地，处理器1120除了通过上述方式确定目标开关控制信息之外，处理器1120还可以用于：分别确定目标波束指向与预先存储的多个波束指向的差值；根据预先存储的波束指向与开关控制信息的对应关系，确定对应关系中与目标波束指向的差值最小的波束指向对应的目标开关控制信息。

在实施中，例如，当电控开关A闭合，其他电控开关断开的状态下，最强的信号强度的波束指向是-180°。当目标波束指向为160°，则160°与-180°相差20°。在电控开关为其他单个或者组合状态时，目标波束指向与这些状态下得到的最强的信号强度的波束指向的差值都大于20°。因此，确定与目标波束指向的差值最小的波束指向为-180°，波束指向为-180°对应的电控开关状态为：电控开关A闭合，其他电控开关断开。最终，可以确定目标开关控制信息为：电控开关A闭合，其他电控开关断开。

可选地，无人机包括至少两个天线装置1130。处理器1120可以用于当接收到控制设备发送的测试信号时，分别确定至少两个天线装置1130接收到的测试信号的信号强度；基于天线装置1130的信号强度由低到高的顺序，依次基于目标开关信息，对每个天线装置1130的电控开关进行控制。

在实施中，2个天线装置1130可以是同一类别的天线装置1130，用于传输相同的数据。当确定无人机相对于控制设备发生位置改变时，可能需要切换波束指向，即控制电控开关处于不同状态。在进行切换操作之前，首先当接收到控制设备发送的测试信号时，分别确定至少2个天线装置1130接收到的测试信号的信号强度。基于天线装置1130的信号强度由低到高的顺序，依次基于目标开关信息，对每个天线装置1130的电控开关进行控制。先将信号强度弱的天线装置1130进行切换，另外的天线装置1130保持与控制设备的通信。在信号强度弱的天线装置1130完全切换之后，再切换信号强度强的天线装置1130。这样，总能保证最少1个天线装置1130可以与控制设备进行通信，以避免丢失数据。此外，先将信号强度弱的天线装置1130进行切换，可以总保持传输能力强的天线装置1130在线，进而可以提高天线系统的传输信号的能力。

通过控制电控开关的通断，可以控制电控开关对应的寄生单元与射频地线的通断，进而可以控制哪个方向上的寄生单元对辐射单元散发的电磁波进行反射。最终，可以有效控制电磁波的传播方向，即控制天线装置的方向性。原本要采用多个天线装置才能覆盖空间中各方向，而通过本公开实施例提供的天线装置，只需要1个天线装置就可以覆盖空间中各方向，本公开实施例提供的天线装置体积大大减小。小体积的天线装置利于安装于无人机之中，被无人机携带。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。