一种地面遥测和遥控一体天线及平台的制作方法

本发明属于天线传输技术领域，具体涉及一种地面遥测和遥控一体天线及平台。

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，具体更多的用于石油和天燃气管道寻线、电力寻线、物流行业、测绘和环境监测等各个领域。为保障无人机广泛应用中更安全可靠，为增加无人机的通信、图传和数传距离，无人机天线起着至关重要的作用，且有着广泛的发展前景。

现有的无人机频分数据链平台，多选用低频作为地面的遥控发射，高频作为地面的遥测接收。选用低频作为地面的遥控发射，是因为低频在自由空间衰落小，传输距离远、带宽窄，无人机也避免安装高增益接收天线增加重量。选用高频作为地面的遥测接收是因为传输的数据量大，包括图像等信息，所需带宽大，高频信号空间衰减大，传输距离短，为了保证过传输的距离，所以地面必须采用高增益遥测接收天线，同样也避免安装高增益接收天线增加重量。

在这种情况下，地面就会存在两个天线，一个遥测天线和一个遥控天线。部分采用两个三脚架方式，每个三脚架上都安装一个天线，增加了整体的成本，若采用转台成本会进一步提升；或者在一个三脚架上同时安装两种天线，每个天线的安装非常费时。无论前述的哪种形式，长途运输或是搬运都非常不便。

技术实现要素：

本发明的主要目的是在于提供一种地面遥测和遥控一体天线及平台，旨在解决天线重量高、尺寸大、成本高以及安装携带不便等一系列问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种地面遥测和遥控一体天线，其特殊之处在于，包括天线罩、遥控天线、遥测天线、第一射频电缆线、第二射频电缆线、第一射频连接器、第二射频连接器和固定柱；所述遥控天线包括第一介质板、若干第一辐射单元和第一馈电网络；其中第一馈电网络呈工字型排布，包括两条第一横向馈线和一条第一纵向馈线；两条横向馈线两端均设有第一辐射单元，纵向馈线中点设置第一馈电点；第一辐射单元和第一馈电网络均覆铜于第一介质板。遥测天线包括第二介质板、若干第二辐射单元和第二馈电网络；其中第二馈电网络包括四条平行排布的第二横向馈线和与四条第二横向馈线各中点垂直相交的第二纵向馈线，每个第二横向馈线和第二纵向馈线交点处均设有阻抗变换；第二纵向馈线中点设有第二馈电点，第二辐射单元沿各平行排布第二横向馈线分布，并关于纵向馈线对称；第二辐射单元和第二馈电网络均覆铜于第二介质板；第一辐射单元和第二辐射单元均包括偶极子的两个枝节，所述两个枝节对应的覆铜于介质板两面，构成双面偶极子阵列天线；遥控天线和遥测天线呈上下平行排布并封装于天线罩内，第一辐射单元的投影处于第二辐射单元空白处；第一介质板与第二介质板均开设有通孔，固定柱穿过通孔将两个介质板固定于天线罩内；第一射频连接器和第二射频连接器均固定于天线罩内，第一射频电缆线一端连接第一射频连接器，另一端连接第一馈电点；第二射频电缆线一端连接第二射频连接器，另一端连接第二馈电点。

进一步地，部分第一辐射单元和第二辐射单元的枝节弯折90°。

进一步地，天线罩底部还设有与遥控天线和遥测天线平行布置的天线背板，天线背板上开设有通孔，第一介质板、第二介质板和天线背板的通孔能使固定柱贯通；天线背板至遥控天线和遥测天线的距离分别为其各自波长的四分之一。

进一步地，天线背板为铝板。

进一步地，第一介质板和第二介质板均为1mm的fr4介质板。

进一步地，第一馈电网络和第二馈电网络均为双面平行带线馈电网络，分别在第一介质板和第二介质板的两面对应进行馈线覆铜。

进一步地，第一射频电缆线和第二射频电缆线均为50欧姆同轴线；所述第一射频连接器和第二射频连接器均为sma或n型带法兰射频。

进一步地，馈线在第一辐射单元和第二辐射单元馈电口处的阻抗均为50欧姆。

进一步地，固定柱包括上固定柱和下固定柱；其中上固定柱穿过遥控天线和遥测天线的通孔，上端通过固定螺丝与遥控天线紧固，下端通过双头螺栓的一头与遥测天线固定；下固定柱穿过遥测天线和天线罩，其下端通过固定螺丝与天线罩固定，上端通过双头螺栓的另一头与遥测天线紧固。

一种地面遥测和遥控一体天线平台，其特殊之处在于，包括三角架转台，以及置于三角架转台上的如上所述的地面遥测和遥控一体天线。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明一种地面遥测和遥控一体天线，通过将遥控天线与遥测天线一体化封装于天线罩内，且低频天线放置于高频天线上方，低频天线辐射单元投影在高频天线的空白区，不对高频天线辐射枝节遮挡，杜绝遥控天线和遥测天线的相互影响，有效降低了遥测遥控天线的体积、重量和成本；采用介质板双面形式的偶极子天线，即偶极子的一个枝节在介质板正面覆铜，另一个枝节在介质板背面覆铜，共同构成一个辐射单元。偶极子天线具有带宽宽、效率高和体积小等特点；辐射单元阵列以馈电网络为中心轴呈两侧对称排列结构，馈电网络具备阻抗匹配作用；另外天线的增益和频率都可以通过辐射单元的调整进行选择；提供了一种小尺寸、双频、低成本、低重量的地面遥测和遥控天线。

2.若天线的尺寸受使用或封装限制，则可以将辐射单元的枝节设计为全部弯折或部分弯折90°，弯折的长度占单枝节长度的三分之一到四分之一。

3.在天线背面增加反射背板尤其是铝板，能够实现更高增益且带来很少的重量增加。

4.采用1mm厚度常规介质板fra，其介电常数高，可相应缩小天线尺寸，且fr4介质板成本非常低。

5.采用双面平行带线馈电网络形式，对介质板的上下面馈线进行对称覆铜，极少的占用辐射单元净空区间，并且不对辐射单元的效率和增益造成影响。

6.辐射单元处的馈电线阻抗为50欧姆，符合微波原理中的四分之一阻抗变换器原理。

7.通过固定柱的长度保证介质板距离天线背板的距离，将固定柱设为两段式，并通过双头螺栓有效的保证了介质板固定的同时确保介质板相对天线罩的水平度。

8.本发明一种地面遥测和遥控一体天线平台，将遥控天线和遥测天线安装在天线罩中，放置于三角架转台上，对被控对象进行自动跟踪通信。

附图说明

图1为本发明遥控天线的整体结构示意图；

图2为本发明遥控和遥测天线上下布置的俯视图；

图3为本发明整体结构示意图；

图4为本发明遥控天线的驻波比仿真图；

图5为本发明遥测天线的驻波比仿真图；

图6为本发明遥控天线的益方向图；

图7为本发明遥测天线的益方向图。

其中，1-天线罩；2-遥控天线；3-遥测天线；4-第一射频连接器；5-第二射频连接器；6-天线背板；7-固定柱；8-固定螺丝；9-第一介质板；10-第一馈电点；11-第一辐射单元；12-第二介质板；13-第一馈电网络；14-通孔；15-第二辐射单元；16-第二馈电网络；17-第二馈电点；18-阻抗变化。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。

本发明一种地面遥测和遥控一体天线，包括天线罩1、遥控天线2、遥测天线3、第一射频电缆线、第二射频电缆线、第一射频连接器4、第二射频连接器5和固定柱7。

如图1，遥控天线2包括第一介质板9、若干第一辐射单元11和第一馈电网络13；其中第一馈电网络13呈工字型排布，工字平行横向馈线两端均设有第一辐射单元11，纵向馈线中点设置第一馈电点10；第一辐射单元11和第一馈电网络13均覆铜于第一介质板9。

参见图2，遥测天线3包括第二介质板12、若干第二辐射单元15和第二馈电网络16；其中第二馈电网络16包括四条平行排布和与其各中点垂直相交的纵向馈线，每个馈线交点处均设有阻抗变换18；纵向馈线中点设有第二馈电点17，第二辐射单元15沿各平行排布馈线分布，并关于纵向馈线对称；第二辐射单元15和第二馈电网络16均覆铜于第二介质板12。

上述两种天线的增益可根据辐射单元数量进行灵活的增减，天线的频率也可以根据辐射的长短进行有效的延长和缩短。

第一辐射单元11和第二辐射单元15均包括偶极子的两个枝节，所述两个枝节对应的覆铜于介质板两面，构成双面偶极子阵列天线，在空间受限时可进行部分辐射单元的枝节弯折90°，弯折的长度占单枝节长度的三分之一到四分之一。偶极子天线具有带宽宽、效率高和体积小等特点，所以可在常规介质板上实现偶极子天线，但实现基于介质板的阵列偶极子天线较为困难。本发明中为介质板双面形式，即偶极子的一个枝节在介质板正面覆铜，另一个枝节在介质板背面覆铜，共同构成一个辐射单元。每个辐射单元不需要很宽，辐射单元阵列以阻抗匹配馈电网络为中心轴呈两侧对称排列结构。

参见图3，遥控天线2和遥测天线3呈上下平行排布并封装于低损耗介质的天线罩1内，第一辐射单元11的投影处于第二辐射单元15空白处。第一介质板9与第二介质板12均开设有通孔14，固定柱7穿过通孔14将两个介质板固定于天线罩1内，固定柱的长度保证介质板距离天线背板的距离等于各自波长的四分之一。第一射频连接器4和第二射频连接器5均固定于天线罩1内，本实施例是固定于天线罩下表面，但固定于天线罩1内其他位置并不影响其使用。第一射频电缆线一端连接第一射频连接器4，另一端连接第一馈电点10；第二射频电缆线一端连接第二射频连接器5，另一端连接第二馈电点17。

本实施例的第一介质板和第二介质板均采用1mm厚度常规介质板fr4，尺寸为450mm*600mm*1mm，也可采用其他厚度和其他种类的介质板材。考虑到成本和重量因素，fr4介电常数高，可缩小天线尺寸，且fr4介质板成本又非常低。

为实现更高增益且不增加辐射单元，天线罩1底部设置与遥控天线2和遥测天线3平行布置的金属天线背板6，最好为薄铝板，天线罩可胶封于铝板上，增加天线背板后天线辐射增益可以大大提升，同时带来很少的重量增加。天线背板6上开设有通孔，第一介质板9、第二介质板12和天线背板6的通孔能使固定柱7贯通。天线背板6至遥控天线2和遥测天线3的距离分别为其各自波长的四分之一。固定柱的长度保证介质板距离天线背板的距离等于各自波长的四分之一，固定柱为两段式包括上固定柱和下固定柱，其每一段的两端均开设螺纹孔洞，上固定柱穿过第一介质板和第二介质板通孔，两端均通过固定螺丝固定；下固定柱穿过第二介质板和天线背板，两端也均通过固定螺丝固定。第一馈电网络13和第二馈电网络16均为双面平行带线馈电网络，分别在第一介质板9和第二介质板12的两面对应进行馈线覆铜。该馈电网络不同于微带馈电网络，不需要大面积的覆铜地，只需要对介质板的上下面馈线进行对称覆铜，这样极少的占用辐射单元的净空区间，没有对辐射单元的效益和增益造成影响。

本实施例中第一射频连接器和第二射频连接器均为sma或n型带法兰射频，第一射频电缆线和第二射频电缆线均为50欧姆同轴线，馈线在第一辐射单元和第二辐射单元馈电口处的阻抗均为50欧姆。射频连接器固定于天线罩1，用于连接数据链，馈线需要仿真双面平行带线的阻抗，应用微波原理中的四分之一阻抗变换器原理，保证在辐射单元处的馈线阻抗为50欧姆，首先用50欧姆同轴线焊接于馈电点处，分为两支100欧姆双面平行带线，再通过四分之一阻抗变换馈线，使馈线在每个辐射单元馈电口处阻抗为50欧姆。

另外，提供一种地面遥测和遥控一体天线平台，包括三角架转台，以及置于三角架转台上如前所述的地面遥测和遥控一体天线，进行自动跟踪通信。

本发明可具体应用于无人机。根据我国工信部规定，无人驾驶航空器系统的使用频段，根据《中华人民共和国无线电频率划分规定》及我国频谱使用情况，规划840.5-845mhz、1430-1444mhz和2408-2440mhz频段用于无人驾驶航空器系统。但是840mhz频率和电信的上行频率重合，2400mhz和wifi、蓝牙频率重合。在这两个频段下，无人机地面站接收机很容易受到周围电磁环境的干扰。而1400mhz频率附近还未被民用通信占据，也未划分给其他应用，所以840mhz用于地面遥控发射，1400mhz频率应用于无人机地面遥测接收有着巨大潜力。

仿真第二辐射单元，使其谐振频率覆盖1400mhz法定的无人机频段，辐射单元长度等效约为半个波长，在第二介质板上下面覆铜辐射枝节；同理仿真第一辐射单元使其谐振频率覆盖840mhz的辐射枝节，同样在第一介质板上下面覆铜辐射枝节。

如图4和图5分别是遥控天线和遥测天线的驻波比仿真图，驻波比(swr)全称为电压驻波比(vswr)。在无线电通信中，天线与馈线的阻抗不匹配或天线与发信机的阻抗不匹配，高频能量就会在天线产生反射波，反射波和入射波在天馈系统汇合产生驻波。为了表征和测量天馈系统中的驻波特性，也就是天线中正向波与反射波的情况，建立了“驻波比”这一概念，实际上总存在反射，所以驻波比总是大于1的。驻波比是检验馈线传输效率的依据，电压驻波比要小于1.5。电压驻波比过大，将缩短通信距离，反射功率将返回发射机功放部分，容易烧坏功放管，影响通信系统正常工作。从图4和5可见，遥控天线和遥测天线的天线驻波都在1.5db左右，同时满足工信部划定的无人机频段，也能够满足无人机数据链信号的使用。

图6和图7是遥控天线和遥测天线的益方向图，可见遥控天线采用4阵元，增益可达10dbi，遥测天线采用的24阵元最高可以达到18dbi的增益。如有其它系统需求更高增益，也可采用本发明的方案，通过增加阵元数量来进一步提升天线增益。

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。