跟踪通信基站天线系统的制作方法

本实用新型涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种跟踪通信基站天线系统。

背景技术：

无人机图传和遥控是一种信息传输的无线电技术。在图传和遥控系统中，距离越远，信号越弱，制约了无线电通信系统的传输距离。提高图传和遥控距离目前一般方法是加功放，低噪放和提高天线增益，天线作为无线电系统的基本部件，它为辐射和接收无线电波提供了手段，其性能优劣，直接影响信号发射和接收的效果，对提高无人机通信距离有着极其重要的作用。

现在的消费级无人机地面端的天线早期结构为铜管式的偶极子结构，之后随着频率、极化要求以及使用要求，配合不同的馈入方式而衍生出各种不同设计结构，比如平板微带天线。

但是目前所使用的方法存在许多不足：一个是地面站遥控器的全向天线增益不够高，一般为2dBi；另一个是地面通信装置使用高增益定向天线，同时采用伺服跟踪天线技术，这种技术波束扫描速度受转动的机械惯性限制，整个天线系统不能快速对准无人机所处方位，天线技术复杂，存在机械转动结构，设备故障率高，造价更高。

技术实现要素：

本实用新型为解决上述技术问题提供一种跟踪通信基站天线系统，能够使天线方向图对准无人机等遥控设备，保障通信信号质量，实现定向扇区天线全向覆盖，天线智能化程度高，结构新颖，且不存在机械转动结构，设备故障率低，具有全向高增益及宽带的优点，特别适合应用于MIMO以及COFDM无线通信系统。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种跟踪通信基站天线系统，包括：组合构成方位面上全向角度的两个以上扇区天线；分别与各所述扇区天线电连接、用于同步获取各所述扇区天线所接收信号并检测出质量最佳的第一信号的信号检测单元；具有多路可被选择性连通的第一链路的第一开关单元，所述第一开关单元包括一个公共射频端口和多个非公共射频端口，所述公共射频端口可选择性地与任一所述非公共射频端口电连接形成多路所述第一链路，所述第一链路的数量与所述扇区天线的数量相同，所述第一开关单元的公共射频端口用于与外部通信机射频收发端口电连接、各非公共射频端口分别与一所述扇区天线电连接；以及分别与所述信号检测单元及所述第一开关单元电连接、用于控制所述第一开关单元选择性地连通质量最佳的第一信号所对应的所述扇区天线与外部通信机射频收发端口之间的所述第一链路的控制终端。

进一步地，所述基站天线系统包括与所述扇区天线数量相同、具有直通线和耦合线的第一定向耦合器，各所述第一定向耦合器中直通线的输入端分别与一所述扇区天线电连接、输出端分别与所述第一开关单元的一非公共射频端口电连接，各所述第一定向耦合器中耦合线的一耦合端均分别电连接所述信号检测单元。

进一步地，所述基站天线系统包括与全部所述扇区天线的极化总数量相同的巴特勒矩阵馈电网络、第二开关单元，各所述巴特勒矩阵馈电网络包括n个输出端口和n个输入端口，n与所述扇区天线中天线单元的数量相同，n是大于等于2的偶数；每个所述巴特勒矩阵馈电网络对应与一个所述扇区天线中一极化方向的射频出口连接，其中，所述扇区天线中天线单元在同一极化方向上的射频出口分别连接至所述巴特勒矩阵馈电网络的不同输入端口；所述第二开关单元具有多路可被选择性连通的第二链路，所述第二链路的数量与所述巴特勒矩阵馈电网络输入端口的数量相同，所述第二开关单元包括一个公共射频端口和多个非公共射频端口，所述第二开关单元的公共射频端口可选择性地与其任一非公共射频端口电连接形成多路所述第二链路，所述第二开关单元的公共射频端口与所述第一开关单元的一非公共射频端口电连接、所述第二开关单元其余的非公共射频端口分别与所述巴特勒矩阵馈电网络的每一输出端口电连接；所述巴特勒矩阵馈电网络的各输出端口分别接入所述信号检测单元，所述信号检测单元同步获取所述巴特勒矩阵馈电网络的各输入端口所接收信号并检测出质量最佳的第二信号；所述第二开关与所述控制终端电连接，以控制所述第二开关单元选择性地连通质量最佳的第二信号所对应的所述巴特勒矩阵馈电网络的输出端口与第一开关单元的一非公共射频端口之间的所述第二链路。

进一步地，所述基站天线系统包括与所述巴特勒矩阵馈电网络输出端口数量相同、具有直通线和耦合线的第二定向耦合器，各所述第二定向耦合器中直通线的输入端分别与所述巴特勒矩阵馈电网络的一输出端口电连接、输出端分别与所述第二开关单元的一非公共射频端口电连接，各所述第二定向耦合器中耦合线的一耦合端均分别电连接至信号检测单元。

进一步地，各所述扇区天线中各天线单元的射频出口分别连接一T/R组件进而构成有源相控阵天线形式，各所述T/R组件分别连接至同一波控单元及同一功率分配网络，所述功率分配网络公共输出端口进一步通过第三定向耦合器的直通线连接至第一开关单元的一非公共射频端口、通过耦合线连接至所述信号检测单元。

进一步地，所述扇区天线中的天线单元是单极化天线或双极化天线；每个所述扇区天线中的天线单元的组阵形式可以是一维阵列或二维阵列。

进一步地，所述扇区天线的数量为m，m≥2，每个所述扇区天线在方位面上所覆盖的角度为360°/m。

所述第一开关单元与外部通信机射频收发端口之间设置双向放大电路，所述双向放大电路包括第一单刀双掷开关、第二单刀双掷开关、功率放大器、衰减器、带通滤波器、低噪声放大器、功率检测单元、收发控制单元以及功率控制单元；所述第一单刀双掷开关的动端与所述第一开关单元的公共射频端口电连接，所述第二单刀双掷开关的动端用于与外部通信机射频收发端口电连接；所述衰减器的输入端与所述第二单刀双掷开关的第一不动端电连接、输出端与所述功率放大器的输入端电连接，所述功率放大器的输出端与所述第一单刀双掷开关的第一不动端电连接；所述带通滤波器的输入端与所述第一单刀双掷开关的第二不动端电连接、输出端与所述低噪声放大器的输入端电连接，所述低噪声放大器的输出端与所述第二单刀双掷开关的第二不动端电连接；所述收发控制单元分别电连接所述控制终端、及所述第一单刀双掷开关和所述第二单刀双掷开关；所述功率检测单元分别电连接所述功率控制单元、所述控制终端及外部通信机射频收发端口；所述功率控制单元与所述衰减器电连接。进一步地，所述信号检测单元根据链接速率、信号强度、误码率、接收灵敏度及丢包率中的一个或多个指标对信号的质量进行检测。

进一步地，所述扇区天线的工作频段是2.4GHz、或5.8GHz、或433MHz、或1.2GHz、或900MHz；或840.5-845MHz、1430-1444MHz及2408-2440MHz中适用于无人机的合法频段。

本实用新型的跟踪通信基站天线系统，具有如下有益效果：

通过设置信号检测单元以检测出质量最佳的信号所对应的扇区天线，并通过控制终端控制第一开关单元选择性地将该扇区天线与外部通信机射频收发端口连通，进而能够使天线方向图对准无人机等遥控设备，保障通信信号质量，实现定向扇区天线全向覆盖，天线智能化程度高，结构新颖，且不存在机械转动结构，设备故障率低，具有全向高增益及宽带的优点，特别适合应用于MIMO以及COFDM无线通信系统。

附图说明

图1是本实用新型跟踪通信基站天线系统一实施例的电路结构示意图。

图2是图1所示跟踪通信基站天线系统中扇区天线的组装结构示意图。

图3是图2所示扇区天线为三副时的方位面方向图的覆盖示意图。

图4是本实用新型跟踪通信基站天线系统中扇区天线采用双极化天线形式时的扇区天线与第一开关单元进行连接的电路结构示意图。

图5是本实用新型跟踪通信基站天线系统另一实施例的扇区天线内部电路结构示意图。

图6是本实用新型跟踪通信基站天线系统再一实施例的扇区天线内部电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型提供一种跟踪通信基站天线系统。如图1所示，该跟踪通信基站天线系统包括：

两个以上扇区天线1，全部扇区天线1组合构成方位面上全向角度，即在方位面上覆盖360°空间范围。其中，扇区天线1的数量为m，m≥2，每个扇区天线1在方位面上所覆盖的角度为360°/m。举例而言，扇区天线1的数量为2、或3或4时，每个扇区天线1在方位面上所覆盖的角度分别为180°、或120°或90°。本实用新型主要以扇区天线1数量为3进行说明。

信号检测单元2，其分别与各扇区天线1电连接，用于同步获取各扇区天线1所接收信号并检测出质量最佳的第一信号。其中，信号检测单元2主要可根据链接速率、信号强度、误码率、接收灵敏度及丢包率中的一个或多个指标对信号的质量进行检测。从简便角度考虑出发，可以仅从信号强度为指标对信号的质量进行检测。

第一开关单元3，其具有多路可被选择性连通的第一链路。其中，第一开关单元3包括一个公共射频端口和多个非公共射频端口，该第一开关单元3的公共射频端口可选择性地与任一非公共射频端口电连接形成上述的多路第一链路。进一步地，该第一链路的数量与扇区天线1的数量相同，该第一开关单元3的公共射频端口用于与外部通信机射频收发端口100（例如，可以是路由器、通信机、遥控器、图传接收机等通信设备的射频收发端口）电连接、各非公共射频端口分别与一扇区天线1电连接。其中，该第一开关单元3通常可选择单刀多掷开关，其具体根据扇区天线1的数量进行选择，如扇区天线1数量为3时，选择单刀三掷开关作为该第一开关单元3。

以及控制终端4，举例可采用MCU，其分别与信号检测单元2及第一开关单元3电连接，用于控制第一开关单元3选择性地连通质量最佳的第一信号所对应的扇区天线1与外部通信机射频收发端口100之间的第一链路。进而完成对扇区天线1的选择，选择出的扇区天线1收发信号的质量最佳，适合对无人机、遥控船、遥控车的追踪。

在该实施例中，跟踪通信基站天线系统包括与扇区天线1数量相同、具有直通线和耦合线的第一定向耦合器5，各第一定向耦合器5中直通线的输入端分别与一扇区天线1电连接、输出端分别与第一开关单元3的一非公共射频端口电连接（即连接至其中一第一链路），各第一定向耦合器5中耦合线的一耦合端均分别电连接信号检测单元2，进而通过耦合的方式将信号传递给信号检测单元2。

更优选地，为检测出质量最佳的第一信号，可以在各第一定向耦合器5与信号检测单元2之间均依次串联低噪声放大器（LNA）6、下变频单元7、检波器8及运算放大器9，通过对所接收的信号进行预处理便于信号检测单元2更好地检测出质量最佳的第一信号，使后续能够选择出最合适的扇区天线1。

本实用新型的跟踪通信基站天线系统，具有如下有益效果：通过设置信号检测单元2以检测出质量最佳的信号所对应的扇区天线1，并通过控制终端4控制第一开关单元3选择性地将该扇区天线1与外部通信机射频收发端口100连通，进而能够使天线方向图对准无人机等遥控设备，保障通信信号质量，实现定向扇区天线1全向覆盖，天线智能化程度高，结构新颖，且不存在机械转动结构，设备故障率低，具有全向高增益及宽带的优点，特别适合应用于MIMO以及COFDM无线通信系统。

如图2和图3所示，扇区天线1常介由立放的支架102以背靠背的形式进行支撑固定。如扇区天线1数量为3个时，常采用三角支架来对各扇区天线1进行支撑固定。图3是采用三副扇区天线1时的方位面方向图的覆盖示意图。

扇区天线1采用单极化天线形式时其与第一开关单元3进行连接的电路结构示意图可见图1所示。而扇区天线1采用双极化天线形式时其与第一开关单元3进行连接的电路结构示意图可见图4所示，在图4中，扇区天线1包括三副扇区天线A、B、C，三副扇区天线A、B、C各有两个极化射频端口，分别是A-V极化射频端口和A-H极化射频端口、B-V极化射频端口和B-H极化射频端口、C-V极化射频端口和C-H极化射频端口，搭建成跟踪通信基站天线系统时，可以用如同轴线将扇区天线A-V极化射频端口连接到RFin-A-V极化射频端口，将扇区天线A-H极化射频端口连接到RFin-A-H极化射频端口，将扇区天线B-V极化射频端口连接到RFin-B-V极化射频端口，将扇区天线B-H极化射频端口连接到RFin-B-H极化射频端口，将扇区天线C-V极化射频端口连接到RFin-C-V极化射频端口，将扇区天线C-H极化射频端口连接到RFin-C-H极化射频端口，其作为射频输出端口RFout-V及RFout-H的公共射频端口连接至外部通信机射频收发端口100（如无人机遥控器或图传收发机的天线端口等）。工作时，若扇区天线A的信号质量最佳，则RFin-A-V极化射频端口与RFout-V极化射频端口连通，且RFin-A-H极化射频端口与RFout-H极化射频端口连通；在扇区天线B、C的信号质量最佳时，同理可参照扇区天线A的连接方式。

实际使用中，如对无人机进行追踪时，仅仅选择出合适的扇区天线1很多时候还不够，此时，可以进一步对扇区天线1的俯仰面进行电扫， 以实现电控俯仰面的波束对准无人机的方向。具体的，可以从以下两个实施例来实现。

<第一实施例>

设置巴特勒矩阵馈电网络19。如图5所示，具体而言：

设置与全部扇区天线1的极化总数量相同的巴特勒矩阵馈电网络19、及对应相同数量的第二开关单元20。以各扇区天线1采用相同结构为前提，每个扇区天线1中设置n个天线单元，则采用n×n巴特勒矩阵馈电网络19，即该巴特勒矩阵馈电网络19分别包括n个输出端口和n个输入端口，n常取大于等于2的偶数。例如，可以为n=8，相应的，采用8×8巴特勒矩阵馈电网络19为例说明。

每个巴特勒矩阵馈电网络19对应与一个扇区天线1中一极化方向的射频出口连接，其中，扇区天线1中天线单元在同一极化方向上的射频出口分别连接至巴特勒矩阵馈电网络19的不同输入端口。如扇区天线1中天线单元为单极化天线时，每个扇区天线1对应用一个巴特勒矩阵馈电网络19即可；如扇区天线1中天线单元为双极化天线时，更如包括垂直极化和水平极化两种极化方向（当然也可以为+45°极化和-45°极化，左旋圆极化和右旋圆极化两种极化方向），一个巴特勒矩阵馈电网络19对应用于该扇区天线1中天线单元的垂直极化，另一个巴特勒矩阵馈电网络19对应用于该扇区天线1中天线单元的水平极化。

第二开关单元20具有多路可被选择性连通的第二链路，第二链路的数量与巴特勒矩阵馈电网络19输入端口的数量相同。该第二开关单元20包括一个公共射频端口和多个非公共射频端口，第二开关单元20的公共射频端口可选择性地与其任一非公共射频端口电连接形成多路该第二链路。其中，该第二开关单元20的公共射频端口与第一开关单元3的一非公共射频端口电连接、第二开关单元20其余的非公共射频端口分别与巴特勒矩阵馈电网络19的每一输出端口电连接。

其工作原理为：巴特勒矩阵馈电网络19由定向耦合器以及移相器构成，当从一个输入端口输入能量时，在 n 个输出端口都能够得到等幅的出射波，同时相邻的波束之间会有相同的相位延迟或超前，进而就能改变整个天线阵列的波束指向，产生一个偏离了法向的波束。当改变输入端口的时候，会在这 n 个输出端口新的相差，这样就能够形成一个不同方向的波束指向，所以改变输入端口就能得到一个新的波束，由于微波网络互易的，也可以这样认为，每一个入射的方向图波束，对应的输入端口就会激励出较强微波信号输出。理论上，nn巴特勒矩阵馈电网络19可以产生n 个不同方向的波束，这里根据工程实际例如可只需要产生5个俯仰方向图指向0°，20°，40°的双极化波束。

进一步地，巴特勒矩阵馈电网络19的各输出端口分别接入信号检测单元2，信号检测单元2同步获取巴特勒矩阵馈电网络19的各输出端口所接收信号并检测出质量最佳的第二信号。优选地，跟踪通信基站天线系统包括与巴特勒矩阵馈电网络19输入端口数量相同、具有直通线和耦合线的第二定向耦合器，各第二定向耦合器中直通线的输入端分别与巴特勒矩阵馈电网络19的一输出端口电连接、输出端分别与第二开关单元20的一非公共射频端口电连接，各第二定向耦合器中耦合线的一耦合端均分别电连接至信号检测单元2。

第二开关单元20与控制终端4电连接，以控制第二开关单元20选择性地连通质量最佳的第二信号所对应的巴特勒矩阵馈电网络19的输出端口与第一开关单元3的一非公共射频端口之间的第二链路。在选择出最佳扇区天线1之后，进一步选择出最佳的波束方向，更好地实现电控俯仰面的波束对准无人机的方向。

<第二实施例>

将扇区天线1中天线单元101设置为有源相控阵天线形式。如图6所示，具体而言：

将各扇区天线1中的各天线单元101的射频端口分别连接一T/R组件21，并将各T/R组件21分别连接至同一个波控单元22（举例可采用MCU）及同一个功率分配网络23，功率分配网络23通常按照同一扇区天线1中天线单元101的数量进行等功率分配，该功率分配网络23的输出公共射频端口进一步经过第三定向耦合器24的直通线连接至第一开关单元3的一非公共射频端口、并经过耦合线连接至信号检测单元2。其中，天线单元101出口电连接到T/R组件21的天线端口，这样天线阵列的每一个天线单元101通道中均含有有源电路，对收发合一的相控阵天线来说，每一个 T/R 组件相当于一个高频头（可以既有发射功率放大器，又有低噪声放大器、波束控制电路等多种功能电路）。

其工作原理为：T/R组件21在波控单元22的控制下对天线阵列的每一个天线单元101进行幅度和相位配置，根据相控阵天线理论，相邻的天线单元101之间有相同的相位延迟或超前，就能改变整个天线阵列的波束指向，产生一个偏离了法向的波束。改变天线单元101之间的等差相位值，就能够形成一个不同方向的波束指向，通常T/R组件21中设置的移相器一般是数字式的，所以实现的偏离法向的波束指向角度有一个最小的离散波束跃度，天线只能在离散位置上实现波束的精确指向，但不影响天线系统工作。在实际工作中，T/R组件21对天线阵列配相，某一时刻只实现n 个不同方向的波束里的一个，这里根据工程实际举例可只产生21个俯仰方向图指向0°，4°，8°，12°，16°，20°，24°，28°，32°，36°，40°的正交双极化波束，扇区天线1不断在俯仰面进行快速电扫，当对准飞机方向或者信号检测单元2检测出接收到的信号强度大于门限值才固定此刻波束指向，实现扇区天线1在俯仰面对无人机进行跟踪通信。

在一较佳实施方式中，可以在第一开关单元3与外部通信机射频收发端口100之间设置双向放大电路。其中，双向放大电路包括第一单刀双掷开关14、第二单刀双掷开关15、功率放大器11、衰减器10、带通滤波器（BPF）12、低噪声放大器13、功率检测单元17、收发控制单元18以及功率控制单元16。

其中，第一单刀双掷开关14的动端与第一开关单元3的公共射频端口电连接，第二单刀双掷开关15的动端用于与外部通信机射频收发端口100电连接。衰减器10的输入端与第二单刀双掷开关15的第一不动端电连接、输出端与功率放大器11的输入端电连接，功率放大器11的输出端与第一单刀双掷开关14的第一不动端电连接，其中，第一单刀双掷开关14、带通滤波器12、低噪声放大器13及第二单刀双掷开关15连通构成信号接收通道；带通滤波器12的输入端与第一单刀双掷开关14的第二不动端电连接、输出端与低噪声放大器13的输入端电连接，低噪声放大器13的输出端与第二单刀双掷开关15的第二不动端电连接，其中，第二单刀双掷开关15、衰减器10、功率放大器11及第一单刀双掷开关14连通构成信号发射通道；收发控制单元18分别电连接控制终端4、第一单刀双掷开关14及第二单刀双掷开关15的控制端；功率检测单元17分别电连接功率控制单元16、控制终端4及外部通信机射频收发端口100；功率控制单元16进一步与衰减器10电连接。

该双向放大电路的工作原理为：当通信机射频收发端口举例如AP处在接收状态时，功率检测单元17检测不到来自于AP的信号，通过收发控制单元18使两个收发开关（即第一、第二单刀双掷开关14、15）均处在Rx档，即接收状态，与AP的工作方式保持一致，此时,功率放大器（PA）11处于关闭状态,低噪声放大器13正常工作；当AP处在发射状态时，功率检测单元17通过耦合检测到来自于AP的信号，通过收发控制单元18使两个收发开关切换到发射Tx档，同时开启功率放大器11，关闭低噪声放大器13。另外,功率控制单元16可根据功率检测单元17的输出电平大小来调整衰减器10的衰减量大小，使输出功率保持恒定，并阻止发射功率达到饱和状态。

上述实施方式中，扇区天线1中的天线单元是单极化天线或双极化天线（如正交双极化天线、或水平和垂直极化、或左旋和右旋圆极化）；每个扇区天线1中的天线单元的组阵形式可以是一维阵列或二维阵列。且天线单元的形式可以是偶极子天线、微带天线或螺旋天线等。

上述实施方式中，扇区天线1的工作频段可以是2.4GHz或5.8GHz（适用于WIFI）；或者433MHz、900MHz、1.2GHz（适用于ISM）；或者840.5-845MHz、1430-1444MHz、2408-2440MHz（适用于其它无人机的合法频段）。

在一实施方式中，跟踪通信基站天线系统可以设置为多个，其中相邻两跟踪通信基站天线系统之间的距离为3km～30km，跟踪通信基站天线系统之间通过光纤通信、微波点到点通信、或者通过网口连到因特网进行互联，从而实现对如无人机的接力跟踪通信。

以上仅为本实用新型的实施方式，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。