一种无人船用干扰监测定位阵列天线装置的制作方法

1.本技术涉及定位阵列天线的技术领域，具体而言，涉及一种无人船用干扰监测定位阵列天线装置。


背景技术：

2.近年来，我国在无人船领域发展迅猛，但其航行领域通常存在无线电信号污染，无线电干扰会导致无人船通信系统信噪比下降，影响解调性能、误码率大大增加，并且通信时延加大、带宽减小，严重时会出现通信中断情况。为了确保无人船安全可靠运行，需要在无人船中利用超宽带天线进行干扰测向定位。
3.为了有效的增强无线电通信系统抗干扰性能，可以利用阵列天线装置中具有干扰监测定位功能的扫描天线机进行宽频扫描，探测出干扰源的信号幅度与频率，再通过测向天线电控扫描确定干扰源的方位，同时幅度和频率也再次被确认，干扰类型也可以解析出来。之后，无线电通信系统可以根据探测结果通过改频、增幅、切换天线方位等措施进行有效的干扰躲避与干扰抑制，保障了无人船安全、可靠、稳定的运行。
4.而现有技术中，虽然超宽带天线的频率类型较多，且对应的专用频带、频率覆盖范围也比较大，但是并不能够完全覆盖0.5g到6ghz。
5.另外，由于体积较小的天线其增益较低，不适合作为测向天线使用，因此，对于用于测向定位的超宽带天线而言，其体积一般都较大。
6.对于高增益的超宽带天线，由于天线体积和小型平台空间的限制，往往无法组成天线阵列以获得较高的天线性能，特别是对于无人船而言，由于无人船载荷较多，测向定位天线一般布置于无人船上的最高点，因此，测向天线安装空间有限，需要进行测向定位阵列天线的小型化设计。


技术实现要素：

7.本技术的目的在于：减小干扰监测定位阵列天线的体积，并提高阵列天线的频率覆盖范围。
8.本技术的技术方案是：提供了一种无人船用干扰监测定位阵列天线装置，该装置包括：维瓦尔第天线1，圆极化扫频天线2以及pcb板；pcb板包括多级，其中，第一级pcb板31与第二级pcb板32上设置有成对的多组卡槽；圆极化扫频天线2设置于第一级pcb板31的上方，圆极化扫频天线2的顶部设置有圆形基板21，圆形基板21上设置有汇聚连接的等角螺旋馈电结构22和阿基米德螺旋馈电结构23；维瓦尔第天线1的上下两侧设置有凸台11，凸台11插入卡槽，以将多个维瓦尔第天线1安装在第一级pcb板31与第二级pcb板32之间，多个维瓦尔第天线1用于组成测向阵列天线。
9.上述任一项技术方案中，进一步地，圆形基板21上设置有汇聚连接的等角螺旋馈电结构22和阿基米德螺旋馈电结构23，具体包括：圆形基板21的中心设置有馈电点25，馈电点25的两侧沿径向设置有两个矩形馈电结构26；等角螺旋馈电结构22的一端汇聚并向馈电
点25所在位置螺旋以连接于矩形馈电结构26的一端；等角螺旋馈电结构22的另一端汇聚并向馈电点25所在位置的反方向螺旋至第一预设位置以连接于阿基米德螺旋馈电结构23的一端；阿基米德螺旋馈电结构23的另一端由内向外旋转并汇聚于第二预设位置，其中，第二预设位置正对于矩形馈电结构26的另一端。
10.上述任一项技术方案中，进一步地，第一级pcb板31与第二级pcb板32为正八边形，维瓦尔第天线1的数量为8个，任一个维瓦尔第天线1的安装位置与正八边形的一个顶点与圆心的连线重合。
11.上述任一项技术方案中，进一步地，pcb板还包括第三级pcb板33，第三级pcb板33通过多根连接柱4设置于第二级pcb板32的下方，装置还包括：第一电子开关6以及第二电子开关；第一电子开关6和第二电子开关设置于第三级pcb板33上，其中，第一电子开关6的信号输入端电连接于维瓦尔第天线1，第二电子开关的信号输入端电连接于圆极化扫频天线2。
12.上述任一项技术方案中，进一步地，圆极化扫频天线2还包括：阻抗板24；阻抗板24设置于圆形基板21的下方，阻抗板24的一端连接于馈电点25，阻抗板24的另一端连接于第二电子开关的信号输入端。
13.上述任一项技术方案中，进一步地，阻抗板24的正反两面分别设置有指数渐变微带线，正反两面的指数渐变微带线的起始端位于阻抗板24的顶部，连接于馈电点，正反两面的指数渐变微带线的终止端位于阻抗板24的底部，其中，正面指数渐变微带线终止端的宽度小于反面指数渐变微带线终止端的宽度。
14.上述任一项技术方案中，进一步地，第一电子开关6为隔离程控电子开关。
15.上述任一项技术方案中，进一步地，隔离程控电子开关包括：壳体以及开关组；壳体的内部设置有屏蔽结构，屏蔽结构将壳体的内部划分为多个腔室，其中，第一腔室62位于壳体内部的中间区域，多个第二腔室61分布于第一腔室62的外侧与壳体内壁之间；开关组包括第一开关603和第二开关601，第一开关603设置于第一腔室62内，第二开关601设置于第二腔室61内，第二开关601的一端设置于隔离程控电子开关的输入端，第二开关601的另一端连接于第一开关603的输入端，第一开关603的输出端设置于隔离程控电子开关的输出端，其中，第一开关603为多路选通开关，第二开关601为pin开关，pin开关与多路选通开关之间通过射频方式连接。
16.上述任一项技术方案中，进一步地，第二开关601为单刀双掷开关，第二开关601的动端电连接于第一开关603，第二开关601的第一不动端电连接于维瓦尔第天线，第二开关601的第二不动端电连接于隔离电阻的一端，隔离电阻的另一端接地，其中，第二开关601与第一开关603联动。
17.上述任一项技术方案中，进一步地，第一级pcb板31的中心处设置有通孔，第二级pcb板32的中心处设置有安装孔，装置还包括：加强铝管5；加强管的上端穿过通孔连接于圆极化扫频天线2的底部，加强管的下端通过安装孔安装于第二级pcb板32上。
18.本技术的有益效果是：
19.本技术中的技术方案，采用在pcb板上设置卡槽的形式，将维瓦尔第天线和圆极化扫频天线进行集成化设计，在提高阵列天线频率覆盖范围的前提下，减小阵列天线的体积，特别是将8个维瓦尔第天线围成一个圆形、等间距分布的阵列，并通过设置加强铝管，以插
入圆极化扫频天线的阻抗板，有助于维瓦尔第天线和圆极化扫频天线之间的信号屏蔽，实现了无人船中干扰监测定位阵列天线的小型化设计。
20.在本技术的优选实现方式中，为了与8个维瓦尔第天线相配合，并提高隔离程控电子开关的隔离度，在壳体内设置屏蔽结构，为每个开关提供一个单独的腔室，通过物理隔离的方式，对隔离程控电子开关中的辐射干扰进行隔离，增加隔离程控电子开关中各个开关的隔离度，有助于使隔离程控电子开关的整体频率相应特性保持一致，减小了不同频率干扰的维瓦尔第天线测向幅度误差。
21.在本技术的优选实现方式中，利用等角螺旋馈电结构和阿基米德螺旋馈电结构组成圆极化扫频天线，借助阿基米德螺旋馈电结构的加载特性以充分利用等角螺旋馈电结构的宽带特性，在展宽频段的同时降低天线的物理尺寸，实现了无人船中干扰监测定位阵列天线的小型化设计。
附图说明
22.本技术的上述和/或附加方面的优点在结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
23.图1是根据本技术的一个实施例的无人船用干扰监测定位阵列天线装置的主视图；
24.图2是根据本技术的一个实施例的无人船用干扰监测定位阵列天线装置的侧视图；
25.图3是根据本技术的一个实施例的圆极化扫频天线的主视图；
26.图4是根据本技术的一个实施例的圆极化扫频天线的俯视图；
27.图5(a)是根据本技术的一个实施例的阻抗板正面的示意图；
28.图5(b)是根据本技术的一个实施例的阻抗板反面的示意图；
29.图6是根据本技术的一个实施例的圆极化扫频天线增益的仿真图；
30.图7是根据本技术的一个实施例的维瓦尔第天线的前视图；
31.图8是根据本技术的一个实施例的维瓦尔第天线的后视图；
32.图9是根据本技术的一个实施例的维瓦尔第天线增益的仿真图；
33.图10是根据本技术的一个实施例的维瓦尔第天线的驻波比仿真图；
34.图11是根据本技术的一个实施例的干扰监测定位阵列天线装置的隔离度仿真图；
35.图12是根据本技术的一个实施例的干扰监测定位阵列天线装置的端口驻波比仿真图；
36.图13是根据本技术的一个实施例的干扰监测定位阵列天线装置的方向性仿真图；
37.图14是根据本技术的一个实施例的壳体的俯视图；
38.图15是根据本技术的一个实施例的隔离程控电子开关的示意图。
具体实施方式
39.为了能够更清楚地理解本技术的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本技术进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
40.在下面的描述中，阐述了很多具体细节以便于充分理解本技术，但是，本技术还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本技术的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
41.实施例一：
42.如图1和图2所示，本实施例提供了一种无人船用干扰监测定位阵列天线装置，该装置包括：维瓦尔第天线1，圆极化扫频天线2以及pcb板；pcb板包括多级，其中，第一级pcb板31与第二级pcb板32为正八边形，第一级pcb板31与第二级pcb板32上设置有成对的多组卡槽；圆极化扫频天线2设置于第一级pcb板31的上方。
43.本实施例中，将圆极化扫频天线2安装在第一级pcb板31的上方，即天线装置的顶部，可有效的接收空中和岸基发送的电磁波信号。并且，为了减轻天线装置整体重量，天线装置的整体按照模块化设计思路，采用第一级pcb板31与第二级pcb板32作为支撑板，通过适当的开槽或孔作为卡槽，将维瓦尔第天线1和圆极化扫频天线2固定在一起，没有使用螺钉、结构件等固定部件，不仅能够降低天线装置的整体重量，而且还节约了天线各部件的安装空间，有助于实现天线装置的小型化，更加适用于无人船的干扰监测定位。
44.进一步的，本实施例示出了一种圆极化扫频天线的实现方式，如图3和图4所示，圆极化扫频天线2包括：圆形基板21，等角螺旋馈电结构22，阿基米德螺旋馈电结构23以及阻抗板24；圆极化扫频天线2的顶部设置有圆形基板21，圆形基板21的中心设置有馈电点25，馈电点25的两侧沿径向设置有两个矩形馈电结构26；等角螺旋馈电结构22的一端汇聚并向馈电点25所在位置螺旋以连接于矩形馈电结构26的一端；等角螺旋馈电结构22的另一端汇聚并向馈电点25所在位置的反方向螺旋至第一预设位置以连接于阿基米德螺旋馈电结构23的一端；阿基米德螺旋馈电结构23的另一端由内向外旋转并汇聚于第二预设位置，其中，第二预设位置正对于矩形馈电结构26的另一端；阻抗板24设置于圆形基板21的下方，阻抗板24的一端连接于馈电点25，阻抗板24的另一端连接于第二电子开关。
45.具体的，螺旋天线具有多方面的宽频带特性，无论是方向特性、阻抗特性还是极化特性都是宽带的，而且具有体积小、重量轻、结构稳定、圆极化特性好等优点，因而引起了高度重视并得到了广泛应用。但是一般的平面螺旋天线或者锥面螺旋天线，在确定频带情况下，都很难在设计尺寸上进一步实现在体积上的小型化。
46.虽然等角螺旋天线具有良好的宽带特性，但是如果兼容低频段整体尺寸就会变得非常庞大，因此，可以借助阿基米德螺旋加载特性，在展宽频段的同时降低天线的物理尺寸。所以，采用标准的阿基米德螺旋与等角螺旋天线进行改良，将两者的优势进行组合。
47.本实施例中，设定圆极化扫频天线2的指标包括：频带fh/fl＝12，vswr不小于3，轴比不大于3db，天线尺寸直径不大于波长的六分之一。圆极化扫频天线2的仿真指标具体如表1所示。
48.表1
[0049][0050]
具体的，在圆形基板21的上表面设置等角螺旋馈电结构22和阿基米德螺旋馈电结构23，等角螺旋馈电结构22分为两组对称的馈电结构。在圆形基板21的所在平面建立平面直角坐标系，原心为圆形基板21的圆心，设定两个矩形馈电结构26相对设置，两个矩形馈电结构26长度方向中心线的连线与y轴重合，逆时针旋转方向为正方向，以任一个等角螺旋馈电结构22为例，
[0051]
该等角螺旋馈电结构22的一端汇聚并向内旋转，与一个矩形馈电结构26的一端连接。该等角螺旋馈电结构22的另一端汇聚并向外旋转，旋转至第一预设位置时，与阿基米德螺旋馈电结构23的一端连接，其中，第一预设位置由圆极化扫频天线2的天线指标通过仿真确定，该第一预设位置与其相连的矩形馈电结构26之间的夹角为7/4。
[0052]
同样的，阿基米德螺旋馈电结构23的另一端由内向外旋转并汇聚于第二预设位置，第二预设位置正对于矩形馈电结构26的另一端，与其相连的矩形馈电结构26之间的夹角为3/2。
[0053]
进一步的，本实施例还示出一种阻抗版24的实现方式，其结构如图5(a)和图5(b)所示，阻抗板24的正反两面分别设置有指数渐变微带线，正反两面的指数渐变微带线的起始端位于阻抗板24的顶部，连接于馈电点，正反两面的指数渐变微带线的终止端位于阻抗板24的底部，其中，正面指数渐变微带线终止端的宽度小于反面指数渐变微带线终止端的宽度。
[0054]
具体的，在阻抗板24的顶部中心位置处设置中心凸起28，作为正反两面的指数渐变微带线的起始端，同时，在圆形基板21的中心位置处设置凹槽，插入中心凸起28后，通过镀铜的方式，形成圆形基板21的馈电点25。
[0055]
需要说明的是，正反两面的指数渐变微带线的形状由圆极化扫频天线指标确定，其实现方式可以采用巴伦阻抗变换线。
[0056]
通过设置正反两面的平行双线，利用正反两面微带线的参考地板指数渐变到同样宽度，将非平衡馈电方式转换为平衡馈电方式，实现阻抗匹配与巴伦(平衡/不平衡)转换，
得到较宽的带宽，保持良好的性能。
[0057]
本实施例中，同样采用卡槽连接的方式，将阻抗板24安装在圆形基板21的下方。因此，圆形基板21上方设置有至少两个槽位29，在阻抗板24的上方设置相应的凸起27，通过凸起27与槽位29配合，完成阻抗板24与圆形基板21的安装。
[0058]
通过仿真，如图6所示，本实施例中的圆极化扫频天线2提高了天线的增益并实现天线的良好辐射特性，并且，通过上述方式将等角螺旋与阿基米德螺旋进行组合，一方面改善了等角螺旋天线的低频特性，另一方面客服了阿基米德螺旋天线臂长，传输损耗大，天线效率低的特点。变异的螺旋天线不仅改善了超宽带特性，也大幅度缩小了天线的尺寸，利于工程化设计。
[0059]
本实施例中，维瓦尔第天线1的上下两侧设置有凸台11，凸台11插入卡槽，以将多个维瓦尔第天线1安装在第一级pcb板31与第二级pcb板32之间，多个维瓦尔第天线1用于组成测向阵列天线。
[0060]
具体的，维瓦尔第天线1包括方形基板12、辐射槽线13、介质透镜14、渐变带状线15等结构。进行天线设计时，在方形基板12的长边的两侧增加相应的凸台11，以便与第一级pcb板31、第二级pcb板32上规则设置的卡槽相配合，利用两块pcb板卡住维瓦尔第天线1，没有多余的结构件与安装螺钉，可以减轻重量，方便安装。
[0061]
本实施例中，如图7和图8所示，维瓦尔第天线1的数量为8个，任一个维瓦尔第天线1的安装位置与正八边形的一个顶点与圆心的连线重合。
[0062]
具体的，本实施例中的维瓦尔第天线1也称锥形槽天线tsa，是一种针对宽带应用的理想天线，由辐射槽线13、方形基板12、介质透镜14以及渐变带状线15组成，其中，辐射槽线13的开口宽度为200mm，渐变带状线15作为维瓦尔第天线1的馈线部分，其馈电口设置于方形基板12的侧边底部，使其与下方的第一电子开关6的接口位于一条近似直线，进而使得两者之间的连接线最短，有助于实现阵列天线小型化。
[0063]
本实施例中，维瓦尔第天线1的宽度为262mm，长度为300mm。
[0064]
通过电加载方式，缩小了标准维瓦尔第天线vivaldi在水平方向的尺寸，以便能够利用8个维瓦尔第天线1组成测向阵列天线，同时其性能仍能保持标准维瓦尔第天线vivaldi的指标。
[0065]
设定8个维瓦尔第天线1用于组成测向阵列天线仿真指标如表2所示。
[0066]
表2
[0067][0068]
传统的维瓦尔第天线是一种有渐变缝隙的天线，使用微带来馈电，微带馈线中的电磁波通过金属层上所开的缝隙向外辐射。不同形式的缝隙可以使用表面微带实现，不同的结构和性能的微带缝隙天线通过改变天线的介质基板材料，调整天线馈点阻抗、调整天线渐变线与外形尺寸，获得最佳的辐射增益与端口阻抗。
[0069]
本实施例利用介质透镜14以及渐变带状线15组成馈电结构，实现馈电及阻抗变换的作用，通过修正馈电结构的尺寸以及天线的外形尺寸获得最佳的宽带天线的端口阻抗和辐射效果。并进行阵列化结构调整，将馈电口调整到侧边底部，方便与第一电子开关6进行总线连接，尾部空间可以作为圆极化全向天线的基座并且可以利用金属隔板提高天线之间隔离度。
[0070]
通过仿真，如图9所示，该维瓦尔第天线1在0.5-6g频率范围内的天线增益平均为8dbi。如图10所示，该维瓦尔第天线1在0.5-6g频率范围内驻波比vswr小于2，端口阻抗符合阵列天线的要求。
[0071]
进一步的，pcb板还包括第三级pcb板33，第三级pcb板33通过多根连接柱4设置于第二级pcb板32的下方，装置还包括：第一电子开关6以及第二电子开关；第一电子开关6和第二电子开关设置于第三级pcb板33上，其中，第一电子开关6的信号输入端电连接于维瓦尔第天线1，第二电子开关的信号输入端电连接于圆极化扫频天线2，第一电子开关6和第二电子开关闭合时，可向外提供接收到的天线信号，其中，第一电子开关6为隔离程控电子开关。
[0072]
具体的，第一电子开关6由高速高隔离电控开关设计而成，具有快速响应，远程控制等功能，其具体实现方式本实施例并不限定，其中，第一电子开关6设置有多个接口，其接口数量与维瓦尔第天线1的数量相同。
[0073]
需要说明的是，也可以通过集成设计，将第一电子开关6与第二电子开关进行集成化。
[0074]
进一步的，第一级pcb板31的中心处设置有通孔，第二级pcb板32的中心处设置有安装孔，装置还包括：加强铝管5；加强管的上端穿过通孔连接于圆极化扫频天线2的底部，加强管的下端通过安装孔安装于第二级pcb板32上。
[0075]
具体的，将圆极化扫频天线2的阻抗板24穿过加强铝管5，电连接至设置在第三级pcb板33上的第二电子开关的信号输入端接口，通过设置加强铝管5，有助于提高圆极化扫频天线2与维瓦尔第天线1之间隔离度。同时，第一电子开关6的信号输入端接口电连接于8个维瓦尔第天线1，可通过总线的形式将接收到的两种天线信号进行汇总，再统一对外连接，有助于实现阵列天线的小型化。
[0076]
通过对上述阵列天线装置进行仿真，如图11至13所示，由上述仿真曲线可知，在工作频段带0.5-6ghz内，方向性系数大于4dbi。输入驻波比平均小于2，相邻单元低频段耦合较大，整体隔离度大于30db，单元之间隔离度较好，主要依靠单元之间的间距较大，且阵列中间有金属圆管进行隔离。
[0077]
实施例二：
[0078]
在上述实施例的基础上，为了配合设置的8个维瓦尔第天线，提高隔离程控电子开关的隔离度，本实施例还示出一种隔离程控电子开关的实现方式，如图14和图15所示，该隔离程控电子开关包括：壳体以及开关组；壳体的内部设置有屏蔽结构，屏蔽结构将壳体的内部划分为多个腔室，其中，第一腔室62位于壳体内部的中间区域，多个第二腔室61分布于第一腔室62的外侧与壳体内壁之间；开关组包括第一开关603和第二开关601，第一开关603设置于第一腔室62内，第二开关601设置于第二腔室61内，第二开关601的一端设置于隔离程控电子开关的输入端，第二开关601的另一端连接于第一开关603的输入端，第一开关603的输出端设置于隔离程控电子开关的输出端，其中，第一开关603为多路选通开关，第二开关601为pin开关，pin开关与多路选通开关之间通过射频方式连接。
[0079]
进一步的，第二开关601为单刀双掷开关，第二开关601的动端电连接于第一开关603，第二开关601的第一不动端电连接于维瓦尔第天线，第二开关601的第二不动端电连接于隔离电阻的一端，隔离电阻的另一端接地，其中，第二开关601与第一开关603联动。
[0080]
具体的，在壳体内设置屏蔽结构，为每个开关提供一个单独的腔室，通过物理隔离的方式，对隔离程控电子开关中的辐射干扰进行隔离，增加隔离程控电子开关中各个开关的隔离度，有助于使隔离程控电子开关的整体频率相应特性保持一致，减小了不同频率干扰的维瓦尔第天线测向幅度误差。
[0081]
以上结合附图详细说明了本技术的技术方案，本技术提出了一种无人船用干扰监测定位阵列天线装置，包括：维瓦尔第天线1，圆极化扫频天线2以及pcb板；pcb板包括多级，其中，第一级pcb板31与第二级pcb板32上设置有成对的多组卡槽；圆极化扫频天线2设置于第一级pcb板31的上方，圆极化扫频天线2的顶部设置有圆形基板21，圆形基板21上设置有汇聚连接的等角螺旋馈电结构22和阿基米德螺旋馈电结构23；维瓦尔第天线1的上下两侧设置有凸台11，凸台11插入卡槽，以将多个维瓦尔第天线1安装在第一级pcb板31与第二级pcb板32之间，多个维瓦尔第天线1用于组成测向阵列天线。通过本技术中的技术方案，实现了一种小型化的用于测向定位的超宽带天线，并有助于提高阵列天线的频率覆盖范围。
[0082]
在本技术中，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0083]
附图中的各个部件的形状均是示意性的，不排除与其真实形状存在一定差异，附图仅用于对本技术的原理进行说明，并非意在对本技术进行限制。
[0084]
尽管参考附图详地公开了本技术，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本技术的应用。本技术的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本技术保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。