用于空中交通工具的机械操纵且水平极化天线以及相关系统和方法与流程

本技术的至少一个实施例总体涉及射频通信系统，并且特别涉及无人空中交通工具(uav)通信系统。

背景技术：

uav是不运载人类操作员并且使用空气动力提供交通工具升力的空中交通工具。uav可以具有种类广泛的形状、尺寸、配置和特性。uav可以自动飞行或可以被遥控驾驶。例如，使用已知的通信系统，uav可以从远程方位被控制，或使用动态自动化系统基于预编程飞行计划自动飞行，或两者组合。自动化系统可以通过使用机载智能系统或人工智能允许空中交通工具在预编程飞行计划之外飞行，以适应交通工具的航线中未计划的变化或处理广泛的指令(例如，由a点飞行到b点，其中燃料经济性最大并且无碰撞)。

uav的一个应用是军事或非军事操作侦查。侦查uav可以发射数据(例如视频数据)到远程方位和/或相互发射数据。这些侦查uav可以相当小以避免检测以及为了成本效益。uav可以具有固定的机翼或一个或多个旋翼。现代uav可以经过大距离行进。因此，用于uav的通信系统需要有能力支持超出小局部区域的长距离通信，该通信包括航空电子控制通信和监视数据发送。

技术实现要素：

本发明可以涉及空中交通工具天线系统，该空中交通工具天线系统可以包括具有水平极化天线嵌入在其中的旋转对称平面基板、通信控制器、电耦合到水平极化天线和通信控制器以与通信控制器通信的电互连件、耦合到旋转对称平面基板的旋转构件、以及伺服机构，其电耦合到通信控制器并耦合到旋转构件以根据来自通信控制器的命令转动旋转构件和旋转对称平面基板。该水平极化天线可以是八木天线、对数周期天线、缝隙天线、单偶极子天线或这些天线的任意结合。空中交通工具天线系统也可以包括通信接口，通信接口电耦合到通信控制器，其中通信接口包括接收器、发射器或收发器中的至少一个并且由旋转对称平面基板携带。通信控制器可以被配置为通过致动伺服机构将水平极化天线的增益廓线峰值大致对准通信目标来提供空对空通信或空对地通信中的至少一个。通信控制器可以耦合到飞行控制器并且被配置为当通过伺服机构进行的旋转对称平面基板的旋转没有将通信目标放在水平极化天线的增益廓线峰值范围内时，请求飞行控制器将携带空中交通工具天线系统的空中交通工具朝着通信目标倾侧或倾斜。通信控制器可以被配置为命令伺服机构转动旋转构件和水平极化天线；当伺服机构转动旋转构件时，监测在水平极化天线上接收到的信号强度；识别具有最高信号强度的方位角；以及基于方位角和空中交通工具天线系统的高度计算地面站的方位。

本发明可以涉及空中交通工具天线系统，该空中交通工具天线系统可以包括其中具有水平极化天线的平面基板；旋转构件，其中旋转构件携带平面基板，其中旋转构件的旋转轴线和水平极化天线的主平面之间具有非垂直角，并且旋转构件被配置为被耦合到携带空中交通工具天线系统的空中交通工具；以及耦合到旋转构件以转动旋转构件的致动器。旋转构件可以是圆形或椭圆形的杆。平面基板可以包括散热片(heatsinkfin)。旋转构件可以是可伸缩的。水平极化天线可以包括在平面基板内具有渐进厚度轮廓的一个或多个导电元件。

水平极化天线可以包括嵌入在平面基板内的相对于平面基板的平面表面非零倾侧的一个或多个导电元件。

本发明可以涉及操作空中交通工具通信系统的方法，该方法可以包括转动由第一空中交通工具携带的并具有嵌入其中的水平极化天线的平面基板，使得水平极化天线的增益廓线峰值被大致对准到第二空中交通工具，其中平面基板暴露在第一空中交通工具外部；以及通过水平极化天线在第一和第二空中交通工具之间建立空对空链接。平面基板可以是第一平面基板，水平极化天线可以是第一水平极化天线，并且增益廓线峰值可以是第一增益廓线峰值。该方法也可以包括转动由第一空中交通工具携带的并携带第二水平极化天线的第二平面基板，使得第二水平极化天线的第二增益廓线峰值被大致对准到地面站，其中第二平面基板暴露在空中交通工具外部；通过第二水平极化天线在第一空中交通工具和地面站之间建立空对地链接。该方法也可以包括通过作为通信中继的第一空中交通工具在第二空中交通工具和地面站之间建立超视距(blos)通信链接。该方法还可以包括请求空中交通工具的飞行控制器倾斜空中交通工具使得第二水平极化天线的第二增益廓线峰值被大致对准地面站。

本发明可以涉及空中交通工具系统，该空中交通工具系统可以包括空中交通工具；以及由空中交通工具携带的天线系统，并且天线系统包括具有嵌入其中的水平极化天线的旋转对称平面基板；以固定角携带平面基板的旋转构件；以及耦合到旋转构件以转动旋转构件的致动器。空中交通工具可以具有翼尖部分或小翼部分；并且其中旋转构件被附连到翼尖部分或小翼部分的上面或下面。空中交通工具可以具有机身部分、前部部分和后部部分；并且其中旋转构件被附着到前部部分、机身部分或后部部分的上面或下面。空中交通工具也可以包括第二天线系统，该第二天线系统可以包括具有嵌入其中的第二水平极化天线的第二平面基板；以不同于第一固定角的第二固定角携带第二平面基板的第二旋转构件；以及耦合到第二旋转构件以转动第二旋转构件的第二致动器。天线系统可以被配置为控制数据上行链路，并且第二天线系统被配置为控制数据下行链路。天线系统可以被配置为控制数据上行链路或控制数据下行链路，并且第二天线系统被配置为监视数据上行链路。

常规的高增益天线(例如，电子扫描天线)要求大的竖直横截面以便实现360°覆盖。这种大竖直横截面可以通过创造不需要的阻力不利地影响uav的空气动力性能。附加地，这些天线可能重、复杂和昂贵。这对像tier2uav的小型机载平台提出了尺寸、重量和功率(swap)问题。因此，改善uav通信仍然是本领域的需求。

本发明的一个实施例可以涉及空中交通工具天线系统，该空中交通工具天线系统包括具有被嵌入其中的水平极化天线的旋转对称平面基板；通信控制器；电耦合到水平极化天线和通信控制器以与通信控制器通信的电互连件；耦合到旋转对称平面基板的旋转构件；以及伺服机构，伺服机构电耦合到通信控制器，伺服机构耦合到旋转构件以便根据来自通信控制器的命令转动旋转构件和旋转对称平面基板。水平极化天线可以是八木天线、对数周期天线、缝隙天线、单偶极子天线或这些天线的任意组合。这可以提高系统的性能。空中交通工具天线系统也可以包括电耦合到通信控制器的通信接口，其中通信接口包括接收器、发射器或收发器中至少一个并且由旋转对称平面基板携带。通信控制器可以被配置为通过致动伺服机构将水平极化天线的增益轮廓峰值大致对准通信目标以提供空对空通信和空对地通信中的至少一个。通信控制器可以被耦合到飞行控制器并被配置为当经由伺服机构转动旋转对称平面基板没有将通信目标放置在水平极化天线的增益轮廓峰值之内时请求飞行控制器将携带空中交通工具天线系统的空中交通工具倾侧或倾斜向通信目标。通信控制器可以被配置为命令伺服机构以转动旋转构件和水平极化天线；当伺服机构转动旋转构件时监测在水平极化天线处接收的信号强度；识别具有最高信号强度的方位角；以及基于方位角和空中交通工具天线系统的仰角计算地面站的方位。

本发明的一个实施例可以涉及空中交通工具天线系统，该空中交通工具天线系统可以包括在其中具有水平极化天线的平面基板；旋转构件，其中旋转构件携带平面基板，旋转构件的旋转轴线和水平极化天线的主平面之间具有非垂直的角，该旋转构件被配置为耦合到携带空中交通工具天线系统的空中交通工具；以及耦合到旋转构件以转动旋转构件的致动器。旋转构件可以是圆形或椭圆形杆。平面基板可以包括散热片。旋转构件可以是可伸缩的。水平极化天线可以包括在平面基板中具有渐进厚度轮廓的一个或多个导电元件。水平极化天线可以包括相对于平面基板的平面表面以非零度倾侧嵌入平面基板内的一个或多个导电元件。

本发明的一个实施例涉及操作空中交通工具通信系统的方法，该方法包括转动由第一空中交通工具携带的并具有被嵌入其中的水平极化天线的平面基板，使得水平极化天线的增益轮廓峰值被大致对准到第二空中交通工具，其中平面基板暴露在第一空中交通工具外部；以及通过水平极化天线建立第一和第二空中交通工具之间的空对空链接。平面基板可以是第一平面基板，水平极化天线是第一水平极化天线，以及增益轮廓峰值是第一增益轮廓峰值；并且其中该方法进一步包含：转动由第一空中交通工具携带并且携带第二水平极化天线的第二平面基板，使得第二水平极化天线的第二增益轮廓峰值被大致对准向地面站，其中第二平面基板暴露在空中交通工具外部；通过第二水平极化天线在第一空中交通工具和地面站之间建立空对地链接。该方法也可以包括通过作为通信中继的第一空中交通工具在第二空中交通工具和地面站之间建立超视距(blos)通信链接。该方法也可以包括请求空中交通工具的飞行控制器倾斜空中交通工具使得第二水平极化天线的第二增益轮廓峰值被大致对准地面站。

本发明的另一个实施例可以涉及空中交通工具，该空中交通工具可以包括空中交通工具；以及由空中交通工具携带的天线系统，并且该天线系统包含：具有被嵌入其中的水平极化天线的旋转对称平面基板；以固定角携带平面基板的旋转构件；以及耦合到旋转构件以转动旋转构件的致动器。空中交通工具系统可以包括翼尖部分或小翼部分，其中旋转构件被附接到翼尖部分或小翼部分的上面或下面。根据权利要求17的空中交通工具系统，其中空中交通工具具有机身部分、前部部分以及后部部分；并且其中旋转构件被附接到前部部分、机身部分或后部部分的上面或下面。天线系统可以是第一天线系统，水平极化天线是第一水平极化天线，旋转构件是第一旋转构件，平面基板是第一平面基板，固定角是第一固定角，以及致动器是第一致动器，并且其中空中交通工具进一步包含第二天线系统，其中第二天线系统可以包括具有被嵌入其中的第二水平极化天线的第二基板；以不同于第一固定角的第二固定角携带第二平面基板的第二旋转构件；以及耦合到第二旋转构件以转动第二旋转构件的第二致动器。第一天线系统可以被配置为控制数据上行链路并且第二天线系统被配置为控制数据下行链路。第一天线系统可以被配置为控制数据上行链路或控制数据下行链路并且第二天线系统被配置为监视数据上行链路。

附图说明

图1是根据本公开技术的一些实施例说明空中交通工具通信系统的示意图。

图2a是根据本公开技术的各种实施例的用于空中交通工具的天线系统的代表性天线构件的俯视图。

图2b是根据本公开技术的实施例的图2a的代表性天线构件以及相应的增益值的示意俯视图。

图2c是根据本公开技术的实施例的图2a的代表性天线构件以及相应的增益值的示意侧视图。

图3是根据本公开技术的实施例的空中交通工具的天线系统的部分示意侧视图。

图4是根据本公开技术的实施例说明导向空中交通工具的天线系统的过程的部分示意俯视透视图。

图5a是根据本公开技术的实施例说明用于安装一个或多个天线系统的可能位置的空中交通工具的第一示例的部分示意俯视透视图。

图5b是根据本公开技术的实施例说明用于安装一个或多个天线系统的可能位置的空中交通工具的第二示例的部分示意俯视透视图。

图6是根据实施例操作空中交通工具的通信系统的方法的流程图。

这些附图描绘本技术的各种实施例目的仅在于说明。本领域的技术人员可以从以下讨论中将准备意识到，本文说明的结构和方法的其他实施例可以被采用并不违背本公开技术的原则。

具体实施方式

本技术的实施例针对具有小竖直横截面的机械操纵的水平极化的定向天线。该定向天线可以是空中交通工具(诸如无人空中交通工具(uav))天线系统的一部分。在其他实施例中，本公开技术可以根据其他实施例实施。描述了已知的并且与uav天线有关的但是不必要地使本技术的一些方面模糊的结构或工序的一些细节处于清楚的目的没有在以下描述中陈述。此外，尽管以下公开展示本技术的不同方面的一些实施例，本技术的一些其他实施例可以具有与该部分所描述的那些实施例不同的配置和/或不同的部件。因此，本技术可以具有带有附加元件或没有以下参考图1-6中描述的一些元件的其他实施例。

在本公开中，“水平面”是指与空中交通工具飞行所在的陆地相切的表面大致平行的平面，例如当空中交通工具稳定飞行时与空中交通工具壳体的底平面平行的平面。“竖直面”是指与水平平面大致垂直的平面。“定向”天线通常是指当发射时产生射频(rf)波前的天线，该rf波前在水平面和垂直面都是狭窄的。在一些实施例中，同一个天线不仅用于接收而且用于发射rf信号。在一些实施例中，与用于发射rf信号的天线不同的天线可以用于接收rf信号。当天线用于发射时，不同的天线可以具有相同的定向增益轮廓。狭窄可以意味着rf波前的波束角小于90°(例如，+/-45°)或小于60°(例如+/-30°)。除非另作说明，本文使用的术语“大致”当被应用到数字术语中表达的术语时或者当被应用到在数字术语中表达易受影响的术语中时，意味着在10％以内。

本公开天线的示例包括单偶极子天线和被水平极化的任何其他合适类型的周期天线。例如，合适的天线类型包括至少八木天线、对数周期天线、其他周期天线以及偶极子的端射式线性阵列。天线可以是平面端射式天线。天线的辐射元件可以嵌入在薄平面基板内或由薄平面基板携带。薄平面基板可以具有沿至少一个轴线旋转对称的形状。例如，旋转对称形状可以是圆盘形状或碟盘形状。在一些实施例中，该形状可以近似旋转对称，诸如在其外周具有锯齿形状或波浪形状的圆形形状。圆盘的旋转对称性使其能够在其极化平面内具有360°射频覆盖(通过机械旋转)，不会在不同的旋转角具有不同的空气动力特性。更具体地，当薄平面基板暴露在空中交通工具外的气流时，当基板旋转时，基板和其携带的天线的空气动力性能将保持大致不变。在具体的实施例中，薄圆盘基板可以是印制电路板(pcb)。天线可以被制造为在pcb内或上的印刷导电电路。当天线发射时，天线的几何结构可以产生水平极化。

包括天线的天线系统可以机械转动薄平面基板并因此转动天线。在一些实施例中，天线系统可以绕薄平面基板的中心或天线的中心转动天线。在其他实施例中，天线系统可以绕薄平面基板的平面表面上的另一个点转动天线。当转动时，天线可以提供360°的覆盖方位角。例如，一个机械装置可以包括携带基板并连接到旋转致动器或伺服机构的伺服轴或其他旋转构件，使得转动伺服轴可转动薄平面基板和天线。

本公开天线系统的实施例由于一个或多个不同的原因可以是有利的。例如，基板的小竖直横截面可以提高空气动力性能和天线的高增益(在长距离)。本天线系统的实施例可以实现非常长距离的空对地或空对空数据链接，因此避开视距(los)限制。此通信技术可以用于中继飞行器和/或军事情报、监视和侦查(isr)飞行器。例如，该天线可以通过中继飞行器提供离地面控制站(gcs)400海里(nm)的范围。因此，天线系统可以为常规技术中存在的通信问题提供低阻力超视距(blos)解决方案。本blos解决方案可以在成本、时间站(timeonstation)、有效载荷能力、飞船兼容性、覆盖和/或数据链接有效性、数据速率和/或延时等方面优越于用于空中交通工具的常规通信系统(包括在卫星通信(satcom))。该通信技术可以用于各种应用，包括低成本、长航时uav。

水平极化定向天线比安装在uav上的常规通信系统具有显著的更多增益(在天线仰角范围内)。因此，定向天线为这些tier2低成本飞行器提供低成本高性能blos解决方案。例如，使用根据本技术的blos系统，常规los系统的50nm的典型操作范围可以被延伸到高达400nm。

总之，本技术的实施例包括相比于具有相同天线增益的常规最先进技术，具有显著减小的横截面和重量的天线。本公开天线可以使用水平极化提供360°的覆盖方位角。因为天线的低横截面和空气动力学改进的(例如，最优化)轮廓，该天线在小型uav上支持非常大的空对空数据链接范围。在更进一步的实施例中，此天线可以通过在360°圆内机械转动天线建立空对空数据链接用于定位目标飞行器以识别信号源。天线可以通过产生±20°到±30°的波束分散仰角来建立空对地数据链接。天线系统可以进一步包括倾侧设备以增加在竖直平面内的信号覆盖。

本公开技术的一些实施例可以采取计算机可执行指令的形式，该计算机可执行指令包括由可编程计算机或控制器执行的程序。相关领域的那些技术人员将认识到本技术可以被实施在除了下文示出和描述的那些之外的计算机或控制器系统上。本技术可以被嵌入在被特别编程、配置或构建以执行以下描述的计算机可执行指令中的一个或多个的专用计算机、控制器或数据处理器内。因此，通常在本文中使用的术语“计算机”和“控制器”包括合适的数据处理器并且可以包括网络装置和手持设备，包括掌上计算机、可穿戴计算机、手机或移动电话、多处理器系统、基于处理器的或可编程的消费电子产品、网络计算机、笔记本、迷你计算机或类似的装置。由这些计算机处理的信息可以展示在任意合适的显示介质中，显示介质包括液晶显示器(lcd)。如本领域所已知的，这些计算机和控制器通常具有各种处理器、存储器(例如，非暂时计算机可读介质)、输入/输出设备等。

本技术还可以在分布式环境中进行，其中任务或模块由通过通信网络链接的远程处理设备执行。在分布式计算环境中，程序模块或子程序可以位于本地或远程存储设备中。以下所述技术的方面可以被存储或分布在计算机可读介质上，以及被电子分布在网络上，所述计算机可读介质包括磁性的或光学的可读或可移动计算机光盘。特别对于本技术的某些方面，数据结构和数据传输也被包括在本技术的范围内。

图1是说明根据本技术的实施例配置的用于空中交通工具的通信系统100的示意图。通信系统100可以用于在地面控制站(gcs)102、第一空中交通工具104(例如，uav或其他isr飞行器)和/或第二空中交通工具106(例如，中继飞行器)之间或之内进行通信。第一空中交通工具104可以包括一个或多个机械操纵天线系统108以有助于在第一空中交通工具104和gcs102之间的通信。例如，机械操纵天线系统108可以有助于从gcs102到第一空中交通工具104的控制上行链路。独立的机械操纵天线系统108可以有助于从第一空中交通工具104到gcs102的控制下行链路。在另一个实施例中，相同的机械操纵天线系统108可以有助于控制上行链路和下行链路两者。

机械操纵天线系统108中至少一个可以有助于从第一空中交通工具104到gcs102的监视下行链路。例如，监视下行链路可以包括视频监视数据、摄影图像数据、射频数据、天气数据和/或在飞行中记录的其他合适的传感器数据。在一些实施例中，用于监视下行链路的机械操纵天线系统108与用于控制下行链路或控制上行链路的机械操纵天线系统108分离。在其他实施例中，用于监视下行链路的机械操纵天线系统108与用于控制下行链路和/或控制上行链路的天线系统相同。

通信系统100可以包括诸如卫星通信信道的备用通信信道110。例如，备用通信信道110可以是铱卫星通信网。在某些实施例中，备用通信信道110仅在机械操纵天线系统108不能够建立与gcs的连接时使用。

一个或多个机械操纵天线系统108也可以有助于第一空中交通工具104和第二空中交通工具106之间的通信。例如，第二空中交通工具106也可以包括一个或多个机械操纵天线系统108。第二空中交通工具106可以中继转发从gcs102到第一空中交通工具104的控制数据以及从第一空中交通工具104到gcs102的控制数据。第二空中交通工具106也可以中继转发从第一空中交通工具104到gcs102的监视数据。在一些实施例中，第一空中交通工具104和第二空中交通工具106可以作为彼此的中继器。

在说明的示例中，第一空中交通工具104是被命令以盘旋或保持在4000英尺的站上的isr飞行器。第二空中交通工具106是也被初始命令以盘旋或保持在4000英尺的站上的中继飞行器。空中交通工具104和106两者的机械操纵天线系统108都可以建立相互的空对空blos通信。gcs102可以命令第一空中交通工具104飞到相距gcs102更远的距离，诸如250nm。第二空中交通工具106可以在gcs102和第一空中交通104之间提供中继通信链接。特别地，第二空中交通工具106可以增加其在地平面之上的高度(例如，到10000英尺)以便维持通过其一个或多个机械操纵天线系统108在gcs102和第一空中交通工具104两者之间的通信。

图2a是根据本技术的各种实施例的用于空中交通工具的天线系统的代表性天线封装件200的俯视图。天线封装件200可以是被封装在不导电材料中的天线构件。天线封装件200可以是图1中天线系统108的一部分。天线封装件200可以包括基板202和一个或多个导电元件204(例如导电杆或板)。例如，基板202可以是包括用于天线的导电材料和作为支撑结构的陶瓷或其他不导电材料的pcb。基板202可以被塑形为圆盘或其他旋转对称形状(例如碟形或球形)，以降低机械操纵天线封装件200的空气动力影响。基板202可以在竖直平面上具有显著小于其在水平面内的范围(例如，长度、宽度或直径)的高度或厚度。例如，基板202的直径可以是7英寸并且基板202的厚度可以是小于半英寸。基板202可以具有不变的高度或维持绕竖直轴线旋转对称形状的可变高度。在一些实施例中，基板202具有带有矩形竖直轮廓的平面顶表面和平面底表面。在那些实施例中，基板202可以具有圆边以提高天线封装件200的空气动力性能。在其他实施例中，基板202具有拉长的椭圆形状(例如，从侧视图、俯视图/仰视图或侧视图和俯视图/仰视图两者中看)。

导电元件204可以通过各种合适的技术制造，这些技术包括电路印刷技术、平板蚀刻和/或图案化、其他集成电路制造技术。导电元件204可以形成各种类型的水平极化天线，例如对数周期天线、八木天线、单偶极子天线和/或其他类型的周期或线性极化天线。在一些实施例中，导电元件204具有相同的厚度。在其他实施例中，导电元件204具有渐进的厚度轮廓以增加附加地竖直增益。在一些实施例中，导电元件204被印刷在基板202的顶平表面上。在其他实施例中，导电元件204被嵌入在基板202内，例如，其中关于基板202的顶平表面小角度倾侧。即使当地面控制站在飞行器下方并且天线封装件200以固定角被安装在空中交通工具上时，该小角度倾侧可以有助于空对地通信。在一些实施例中，尽管导电元件204被嵌入在基板202内，但导电元件204在基板202的一个或多个表面处至少部分暴露。在其他实施例中，导电元件204被完全封闭在基板202内。

天线封装件200可以包括在天线封装件200顶/底表面处的附接点206。顶/底表面可以是与具有较小高度轮廓的一个或多个侧表面相比的较大表面。在一些实施例中，顶/底表面可以被轻微地弯曲或开槽以提高空气动力性能。附接点206可以被配置为附接到伺服轴或其他旋转构件。在一些实施例中，伺服轴是可伸缩的。附接点206可以被定位在基板202的中心，使得当伺服轴被附接时伺服轴能够对称性地转动基板。在其他实施例中，附接点206可以偏离中心(例如，位于重心处而不是顶或底表面的几何中心处)。

天线封装件200也可以包括与携带天线封装件200的空中交通工具的通信系统耦合的电接口208。电接口208可以与附着点206共定位或位于与导电元件204中的至少一个电接触的不同点。例如，电接口208可以可拆卸地连接到从空中交通工具延伸出来的电缆或电线。天线封装件200可以包括允许基板202转动而不扰乱基板202上的电学元件和基板202外的电学元件之间的电连接的滑环和/或其他合适连接件。

在特定的实施例中，天线封装件200也可以包括其他无源或有源电路元件210。例如，天线封装件200可以包括放大器。放大器可以有源地放大通过电接口208接收到的电信号，然后经由导电元件204发射电信号。放大器也可以放大穿过空气经由导电元件204接收到的rf信号，然后通过电接口208传递rf信号(如，到通信系统)。作为另一个示例，天线封装件200可以进一步包括一个或多个模拟电路元件，例如接收器、发射器、收发器、信号滤波器或这些元件的任意组合。这些模拟电路元件可以被嵌入或集成到基板202内或被印刷在基板202上(例如，在基板202是pcb的情况下)。

图2b是根据本技术的实施例的图2a的代表性天线封装件200连同相应的增益值的示意俯视图。此天线增益图说明天线封装件200沿从0°到360°方位角的预期增益。例如，天线封装件200可以在半功率(如，-3db)波束宽度处具有大约20°的水平波束宽度。如图所示，天线封装件200实现了具有从天线封装件200正指向的方向(如，0°)起±20°方位角内的操作增益水平的定向天线。该增益在超过±30°方位角时可以降低到大约为零。

图2b说明代表性的增益轮廓。在代表性的实施例中，图2b中的环有对数刻度。最外边的环(实线)可以是0db(例如，关于最大方向性或增益)，接着是-3db的虚线环，-10db的虚线环以及-20db最里边的环(虚线环)。在其他实施例中，环可以具有其他值。

图2c是根据本技术的实施例的图2a的代表性天线封装件200连同相应的增益值的示意侧视图。该天线增益图说明了天线封装件200随着从0°到360°仰角的预期增益。例如，代表性天线封装件200在-3db(例如，3db波束宽度)处可以具有大约30°的仰角波束宽度。如图所示，天线封装件200实现了具有从天线封装件200正指向的方向起±20°仰角在内的操作增益水平的水平极化天线。该增益在超过从天线封装件200正指向的方向起的正负30°仰角时可以降低到大约为零。例如，具有±20°或±30°的仰角的这些波束宽度可以有助于空对地通信而不用机械地倾侧天线封装件200。

图2c说明天线封装件的增益轮廓的示例。在代表性的实施例中，图2c中的环具有对数刻度。最外边的环(实线)可以是0db(例如，关于最大方向性或增益)，接着是-3db的虚线环，-10db的虚线环以及-20db的最里边的环(虚线环)。在其他实施例中，环可以具有其他值。

然而，即使在±30°的波束仰角的情况下，当空中交通工具直接在其需要与之通信的gcs的上方时，来自天线封装件200的rf信号的水平极化波前可能不能到达计划目标。通信可以在这种情景下通过各种方式被建立。例如，空中交通工具的天线系统可以具有机械设备以倾侧天线构件。作为另一个示例，导电元件204可以被形成相对于基板202的顶平表面有小角度倾侧。通过转动天线，天线可以向下指向gcs。在又一个示例中，空中交通工具的通信系统可以与空中交通工具的航空电子系统自动交涉以在飞行中有意地倾斜飞行器以便用向下角使导电元件204指向地面。在其他实施例中，通信系统可以监测空中交通工具的倾斜角和/或当空中交通工具倾斜到足够的向下角时试图与gcs通信。

通过空间地限制从天线封装件200发射的rf信号的波前轮廓，天线封装件200的方向性(例如，被限制的波束方位角)和水平极化(例如，被限制波束仰角)从信号安全性角度是有利的。由于波前的受限的仰角和方位角，要截获从空中交通工具发送的通信更加困难。这有助于来往空中交通工具的空间离散通信。因为增益轮廓定向地聚集，所以天线封装件200也可以延伸通信范围。给定相同的功率限制，具有定向聚集增益轮廓的天线可以在一个方向上聚集更多的能量并且因此延伸从天线封装件200发射的rf信号的范围。空间受限的波前轮廓通过实现频率复用或多用可以是进一步有利的。定向rf信号不太可能相互干扰，因为空间重叠的可能性降低。因此，相似频率的定向rf信号可以用在相同的区域。

图3是根据本技术的实施例配置的空中交通工具的天线系统300的侧视图。天线系统300包括天线构件302，例如在图2的天线封装件200中的导电元件204。可选择地，天线构件302可以被封装件303封闭，例如，以改进天线构件的空气动力轮廓。在其他实施例中，天线构件302可以被外壳(未示出)封闭。封装件303或外壳可以具有对称形状(例如，椭圆形状)的侧视图轮廓。然而，在一些实施例中，天线系统300不包括封装件或防护壳或外壳，并且因此可以比包括这些元件的天线系统更简单以及更廉价。天线构件302被附接(例如，永久或可拆卸地)到旋转构件(例如旋转轴304)。在一些实施例中，旋转轴304是可伸缩的。机械旋转设备306驱动旋转轴304。机械旋转设备306例如可以是伺服机构或发动机。

在一些实施例中，机械旋转设备306可以通过倾侧旋转轴304倾侧天线构件302。在其他实施例中，机械旋转设备306(或分离的设备)可以，例如通过相对于天线构件的附接点307倾侧天线构件302，倾侧天线构件302而不用倾侧旋转轴304。

在一些实施例中，空中交通工具的通信系统308控制机械旋转设备306。通讯系统308可以包括通信控制器。例如，通信系统308可以通过机械旋转设备306在306°范围内周期性地转动旋转轴304(并因此转动天线构件302)以便识别来自gcs或另一个飞行器的输入rf信号。当发射信号时，通信系统308可以转动旋转轴304以将天线构件302指向已知的目标接收器(例如，gcs或另一个飞行器)。通信系统308可以根据来自操作员的遥控命令转动旋转轴304。在其他实施例中，通信系统308可以根据目标接收器的已知方位(例如，先前通过在360°范围内转动天线构件302以追踪最高信号强度的方向而确认的)自动转动旋转轴304。在空中交通工具是uav的情况下，在空中交通工具上的天线系统中的至少一个与操作员建立了连接之后，操作员可以建立机械旋转设备306的人工控制。通常，天线构件302不在相同的方向连续转动，而是随着uav改变相对于uva正与之通信的目标方位的位置而缓慢地转动，和/或随着uav(和/或目标方位)的行进而摆动以保持天线指向正确的方向。

通信系统308通过rf连接器310电耦合到天线构件302内的导电元件。rf连接器310可以被耦合到互连件312(例如，电线、电缆和/或其他形式的电互连件)。如图说明的，互连件312可以暴露在旋转轴304外部，或可以放置在旋转轴304内。在一些实施例中，互连件312可以绕着旋转轴304缠绕。系统可以包括滑环和/或其他特征件以过渡从飞行器的壳体314到旋转轴304的互连件312。rf连接器310也可以包括放大器、接收器、发射器、收发器或这些器件的任意组合。通信系统308可以经由rf连接器301通过天线构件302发射或接收rf信号。天线系统300可以是有源(即，通过能量源电驱动)或无源天线系统。例如，天线构件302可以被在通信系统308内的能量源有源地驱动以辐射水平极化和定向的rf信号。在其他实施例中，天线构件302被机械地转动以捕获空气中的rf信号并且随后通过互连件312将rf信号路由(即，无源路由)到通信系统308。

空中交通工具的壳体314在图3中被示出以说明天线系统300的代表性安装位置。例如，天线系统300可以从空中交通工具的顶或底表面安装，可以安装到空中交通工具的顶或底表面，或可以相对于空中交通工具的顶或底表面安装，空中交通工具的顶或底表面为例如翼尖、机身和/或飞行器鼻的顶或底表面。在说明的示例中，壳体314可以封闭通讯系统308和机械旋转设备306。在其他示例中，通讯系统308和/或机械旋转设备306可以暴露在壳体314外部。天线构件302可以距离壳体314短距离安装使得在空中交通工具的稳定飞行中天线构件302的薄轮廓平行于地表面延伸。

图4是根据本技术的实施例说明了用于导向空中交通工具的天线系统400的过程的部分示意透视图。例如，天线系统400可以是图3中的天线系统300。伺服机构402可以顺时针和/或逆时针转动轴404。因此，轴404转动在水平平面内的天线构件406(例如圆盘状天线构件)。天线构件406可以向着给定的取向转动±180°，以覆盖360°。在其他实施例中，天线构件406可以旋转经过任意数量的连续360°循环。天线构件406可以绕枢转点408转动。枢转点408可以在天线构件406(例如圆盘状构件)的中心。在一些实施例中，机械设备(未示出)被耦合到天线(例如，在枢转点408)以倾侧天线构件406。在其他实施例中，天线构件406以固定角(例如，以垂直角)被耦合到轴404。天线构件406的天线元件410可以产生水平极化波前412。波前412可以是定向的，例如被限制在选择的方位角内。

本公开技术的实施例包括在不用全球定位系统(gps)的情况下操作天线系统400以定位地面站的方法。空中交通工具的通信系统(例如图3中的通信系统308)可以绕枢转点408机械地转动天线构件406。通信系统可以监测通过天线构件406接收的rf信号。然后通信系统可以识别具有最高信号强度的方位角并且使用该方位角和空中交通工具的仰角(例如，通信/天线系统的仰角)以确定(例如，计算)gcs的方位。如果gps系统(该系统被用在大多数和/或正常情况下)不可用，则此配置可以被使用。在这种情况下，具有本公开通信系统的空中交通工具可以追踪(home-in)gcs发射的rf信标信号，例如，以便当丢失之后定位它自己。

图5a是根据本技术的实施例说明了用于安装一个或多个天线系统的可能位置(如虚线圆圈所示)的空中交通工具500的第一个示例的透视图。空中交通工具500的所示示例是双尾桁uav。一个或多个天线系统可以被安装在空中交通工具500的顶侧或底侧。天线系统可以是图3中的天线系统300或图4中的天线系统400。在空中交通工具500上放置天线系统的代表性位置包括翼尖的上面和/或下面、小翼的上面和/或下面、主体(例如，货舱或机身)的上面和/或下面、机头/机鼻的上面和/或下面、尾部(例如，水平或垂直稳定器)的上面和/或下面、双尾桁中每一个的上面和/或下面的方位。

图5b是根据本技术的实施例说明了用于安装一个或多个天线系统的代表性位置(如虚线圆圈所示)的空中交通工具500的第二个示例的透视示意图。空中交通工具500的所示示例是固定翼uav。与空中交通工具500类似，天线系统的代表性方位可以包括翼尖的上面或下面、小翼的上面或下面、主体的上面或下面、机头/机鼻的上面或下面、尾部的上面或下面。

图5a和图5b中示出的空中交通工具都可以包括至少一个天线系统。当天线系统被不对称地放置在空中交通工具上时(例如，仅在一个翼尖上)，另一个天线系统可以被定位以消除不对称性(例如，仅在相对的翼尖上)。空中交通工具可以具有用于发射数据和接收数据的独立的天线系统。空中交通工具可以具有用于空对空通信和空对地通信的独立的天线系统。空中交通工具可以具有用于飞行器控制和用于监视数据传输的独立的天线系统。例如，uav可以具有三个天线系统，一个用于控制数据的上行链路，一个用于控制数据的下行链路，以及一个用于监视数据的上行链路。空中交通工具也可以具有带有不同的固定倾侧角的独立的天线系统。例如，这可以通过以倾侧的角度安装天线构件或将导电元件以倾侧的角度嵌入在天线构件内来实现。例如，空中交通工具可以具有被大致水平极化的天线系统(例如，用于空对空通信)和以微小倾侧部分地水平极化的天线系统(例如，用于空对地通信)。

图6是根据实施例的操作空中交通工具的通信系统的方法600的流程图。在方法600的步骤602中，通信控制器(例如图3中的通信系统308)可以被配置(例如，通过远程命令)为建立与另一个空中交通工具的相互中继(例如，相互点对点数据链接)。在步骤604中，通信控制器可以命令伺服机构或致动器(例如，图3中的机械旋转设备306)以转动其中嵌入了第一水平极化天线(例如，图3中的天线构件302)的第一基板(例如，图2中的基板202)，诸如平面基板，使得第一水平极化天线的第一增益轮廓峰值大致对准另一个空中交通工具。第一基板可以暴露在空中交通工具之外。例如，旋转设备(例如，伺服机构或致动器)可以转动由第一空中交通工具携带的并且具有被嵌入其中的水平极化天线的基板，使得水平极化天线的增益轮廓峰值大致对准第二空中交通工具。在步骤606中，通信控制器可以通过水平极化天线与另一个空中交通工具建立空对空链接。例如，通信控制器可以通过水平极化天线在第一空中交通工具和第二空中交通工具之间建立空对空链接。

在可以与步骤602、604和606并行或串行执行的步骤608中，通信控制器被配置(例如，响应于来自飞行控制器的或来自远程通信的命令)以建立与地面站的数据链接。在步骤610中，通信控制器可以转动诸如平面基板的第二基板，该第二基板具有被嵌入其中的第二水平极化天线，使得第二水平极化天线的第二增益轮廓峰值被大致对准地面站。第二基板可以被暴露在空中交通工具外部并且可被定位为相对于壳体的外表面的局部(例如，最近地)相切平面具有非平行的角度。在步骤612中，通信控制器可以请求空中交通工具的飞行控制器倾斜空中交通工具，使得第二水平极化天线的第二增益轮廓峰值被大致对准地面站。在步骤614，通信控制器可以建立与地面站的空对地通信链接。步骤614之后，更加远离gcs的空中交通工具可以通过接近gcs的空中交通工具进行中继通信以建立与gcs的blos通信链接。在前面的实施例的一个方面中，一个天线被用于空对空通信，以及不同的天线被用于空对地通信。在其他实施例中，同一个天线(例如，通过天线/通信系统的分时使用)提供这两个功能。

尽管过程或框在图6中被以给定的顺序展示，但其他实施例包括以不同的顺序执行具有步骤的程序或运用具有框的系统，并且一些过程或框可以被删除、移动、添加、细分、组合和/或修改以提供可替代方法或子组合。这些过程或框中的每一个可以以各种不同的方式实施。附加地，尽管过程或框有时被显示为被串行执行，但是这些过程或框可以代替地被并行执行，或者可以在不同的时间被执行。当过程或步骤“基于”估计或计算时，该过程或步骤应该被理解为至少基于所述估计或所述计算。

本公开技术的特定实施例的一个特征是它们可以包括将被水平极化的机械操纵定向天线附接到uav。由于机械操纵天线消耗较少的能量，所以机械操纵天线可以比电操纵天线有利。定向且水平极化天线的另一个优点是由于天线的集中增益轮廓，在给定的同一功率限制下uav可以发射到很长的距离。集中的增益轮廓进一步有助于在局域空间内进行空间离散通信(例如，增加隐私)以及频率再用或多用。因为天线可以在竖直平面内具有非常小的横截面，进而即使没有外壳也使得天线具有相当的空气动力，因此水平极化是有利的。另一个特征是定向天线的元件可以被嵌入在旋转对称基板中，并且因此降低由操纵天线到不同角度产生的空气动力影响(例如，阻力)。本技术的一些实施例的又一个特征是天线被以固定角固定到空中交通工具。由固定角天线产生的波束仰角和在正常操作中uav的预期频繁的倾斜可以足够用于gcs捕获天线的信号。因为在天线的所有操作状态期间天线系统可以维持大体相似的空气动力轮廓，所以这种特征是有利的。

综上所述，将要认识到本公开技术的特定实施例在本文中描述的目的是为了说明，但是在不违背本技术的情况下可以进行各种修改。例如，本公开天线的元件被显示为对数周期天线，然而其他例如偶极子的天线可以用于代替对数周期天线，或者除了对数周期天线之外的其他例如偶极子的天线可以被使用。作为另一个实施例，用于转动天线的致动机械装置可以是伺服机构、直流马达和/或其他合适的设备。

在特定实施例的背景下描述的本技术的一些方面可以在其他实施例中被组合或消除。例如，天线系统的一些实施例可以允许天线的倾侧，而天线系统的其他实施例不允许天线的倾侧。进一步地，尽管与本公开技术的某些实施例相关的优点已经在这些实施例的上下文中被描述，但是其他实施例也可以展现出这种优点，并且不是所有的实施例需要一定展现出这种优点才会落入本技术的范围内。因此，本公开以及关联技术可以包含本文未明确示出或描述的其他实施例。除上面描述的之外或代替上面描述的，本公开的一些实施例还具有其他方面、元件、特征以及步骤。

例如，一些实施例包括由空中交通工具携带的天线系统(例如，空中交通工具天线系统)。天线系统包括旋转对称平面基板(例如，图2中的基板202)，旋转对称平面基板具有由其携带的水平极化天线(例如，图3的天线构件302)。天线系统可以包括通信控制器(例如，图3的通信系统308)以及电耦合到水平极化天线和通信控制器以与通信控制器通信的电互连件(例如，图3的互连件312)。天线系统包括被耦合到旋转对称平面基板的旋转构件(例如，图3的旋转轴304)。

天线系统可以包括伺服机构，伺服机构被电耦合到通信控制器，伺服机构被耦合到旋转构件以便根据来自通信控制器的命令转动旋转构件并且由此转动旋转对称平面基板。通信控制器可以被配置为通过致动伺服机构将水平极化天线的增益轮廓峰值大致对准通信目标以提供空对空通信和/或空对地通信。通信控制器可以被耦合到飞行控制器并且被配置为当经由伺服机构转动旋转对称平面基板没有将通信目标放置在水平极化天线的增益轮廓峰值的范围内时请求飞行控制器将空中交通工具倾侧或倾斜向通信目标。天线系统可以进一步包括电耦合到通信控制器的通信接口(例如，图3中的rf连接器310)。通信接口可以包括接收器、发射器或收发器中的至少一个。在一些实施例中，通信接口由旋转对称平面基板携带(例如，嵌入在旋转对称平面基板之内或安装在其之上)。

一些实施例包括耦合到空中交通工具的天线系统(例如空中交通工具天线系统)。天线系统包括携带有(例如，嵌入在其之内或安装在其之上)水平极化天线的平面基板。天线系统包括具有第一端和第二端的旋转构件(例如，图3中的旋转轴304)。旋转构件可以携带平面基板(例如，图2中的基板202)，其中旋转构件的旋转轴线和水平极化天线的主平面之间具有非垂直角。主平面是与水平极化天线中所有或基本上所有导电元件相交的水平极化天线表面重合的平面。主平面在水平极化天线的厚度方向可以是横向的。第一角和/或第二角可以是基本非垂直的角(例如，小于75度或80度)。天线系统可以包括被耦合到旋转构件以转动旋转构件的致动器(例如图3中的机械旋转设备306)。

在一些实施例中，旋转构件是圆形或椭圆形杆。在一些实施例中，平面基板包括散热片。在一些实施例中，水平极化天线包含一个或多个导电元件。导电元件可以具有在平面基板中的渐进的厚度轮廓。导电元件可以以相对于平面基板的平面表面倾侧的角度(例如，非零度)由平面基板携带(例如，嵌入在平面基板之内或安装在其之上)。

一些实施例包括空中交通工具系统。空中交通工具系统包括空中交通工具以及一个或多个天线系统(例如，图3中的天线系统300)。例如，第一天线系统可以包括：携带有(例如，嵌入在其之内或安装在其之上)第一水平极化天线的第一平面基板；以第一固定角携带第一平面基板的第一旋转构件；以及耦合到第一旋转构件以转动第一旋转构件的第一致动器。第一水平极化天线可以沿着至少一个旋转轴线旋转对称。空中交通工具可以具有翼尖部分、小翼部分、机身部分、前部部分、后部部分或这些部分的任意组合。第一旋转构件可以被耦合在这些部分中的一个的上面或下面。例如，第二天线系统可以包括：携带第二水平极化天线(例如，嵌入在其之内或安装在其之上)的第二平面基板；以不同于第一固定角的第二固定角携带第二平面基板的第二旋转构件；以及耦合到第二旋转构件以转动第二旋转构件的第二致动器。在一些实施例中，第一天线系统被配置为控制数据上行链路并且第二天线系统被配置为控制数据下行链路。在一些实施例中，第一天线系统被配置为控制数据上行链路或控制数据下行链路并且第二天线系统被配置为监视数据上行链路。