一种高增益地面遥测天线的制作方法

本发明属于无人机遥测天线，具体涉及一种高增益地面遥测天线。

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。尤其是用于石油和天然气管道寻线、电力寻线、物流、测绘和环境监测等领域。其中无人机天线在无人机的安全性保障方面，在增加无人机的通信和图传距离、数传距离方面都起着至关重要的作用。

现有的能够满足超远距离传输的无人机遥测天线均是高增益天线，天线配合私服转台，将遥测天线安装在转台上，用无人机引导的方式，将天线时刻对准无人机飞行的方位。这种天线种类很多，如微带阵列天线、喇叭反射天线和八木天线等等。不同的天线其重量和尺寸不同，配套的转台也不同，因此成本就不同。目前大多采用微带阵列天线作为遥测天线，因为其重量轻且美观，同时为了缩小尺寸，多用于2400mhz高频段，但在该频段处遥测接收机易受周围wifi和蓝牙的干扰，所以每次飞行时，必须反复选择合适的场地，并对周围电磁环境进行监测，确认是否有2400mhz干扰。

微带天线实际使用时还存在如下缺点：(1)微带天线在2400mhz时能做到高增益、小尺寸和轻重量，且带宽足够，但是遥测接收机易受周围wifi和蓝牙的干扰；(2)在频率降低至1400mhz时，微带天线阵列单元和天线尺寸都会增大，为了保证增益同时尽可能降低尺寸，在设计时，可减小阵元数量，但同时必须选用昂贵的高频介质板材，如此就大大提升了天线的成本；而若采用常规的fr4介质板，又想要保证增益就必须增加阵元数量，如此又大大增加了天线的尺寸和重量；(3)微带天线的带宽很窄，2400mhz时能够满足使用，但在1400mhz时，常规的设计方法只能保证10mhz左右带宽，想要拓展带宽，就需要在天线单元上开孔或进行其他设计，仿真和设计都较繁杂，大大增加了测试调试成本，且设计周期漫长。

若选用其他类别的天线，满足性能的条件下，重量会过大，同时就增加了私服转台的承载能力，成本相应增加，安装和携带都非常不便。

技术实现要素：

本发明的主要目的是在于解决现有技术中无人机遥测天线采用微带天线时，2400mhz下易受外界干扰，1400mhz下尺寸较大或须采用昂贵的高频介质板成本过高，若采用其他类别的天线重量大成本高的问题，提供一种高增益地面遥测天线。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高增益地面遥测天线，其特殊之处在于，包括馈电网络、反射背板、天线罩和若干方形的天线阵元；天线阵元呈行列排布，每列的天线阵元通过馈电网络依次相连，各列的天线阵元通过馈电网络并联；天线阵元与馈电网络为一体式结构，均采用固态金属材质，天线阵元的厚度与馈电网络的厚度相同；天线阵元平行固定于反射背板上方，天线阵元和反射背板封装于天线罩内，反射背板为固态金属材质；馈电网络的中心处设有馈电点，馈电点通过sma连接器与反射背板相连。

进一步地，还包括多个abs材质的支撑柱；天线阵元中心开设有第一通孔，反射背板在与第一通孔相对应位置开设有第二通孔，支撑柱两端均开设有螺纹孔，支撑柱设置于反射背板和天线阵元之间，两端的螺纹孔分别与第一通孔和第二通孔相对；支撑柱一端通过螺钉与反射背板固定，另一端通过螺钉与天线阵元相连。保证了天线阵列与反射背板的安装距离和平行度。

进一步地，所述螺钉为m4以下的金属螺钉，保证所有天线阵元的几何中心都是高频零电位。

进一步地，sma连接器包括内导体、介质和法兰；馈电点处开设有孔径与内导体直径相同的第三通孔，反射背板与第三通孔相应的位置开设有第四通孔；介质一端穿过第四通孔，另一端贴合于馈电点的背面；法兰套设固定于介质外部，第四通孔两侧开设有两个螺纹孔，法兰通过螺栓与螺纹孔配合固定于反射背板的背面；内导体一端穿过第三通孔固定于介质顶部，另一端外部设有螺纹，螺母与所述螺纹配合连接于内导体外部，螺母贴合于馈电网络的正面。

进一步地，所述天线阵元、馈电网络和反射背板均采用铝材质，进一步降低了天线的质量和设计成本。

进一步地，所述天线阵元的边长等效为预设覆盖频段波长的一半。

进一步地，所述天线罩采用abs或环氧玻璃布材质，为低损耗介质，不会影响天线的性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明高增益地面遥测天线，通过调整天线阵元的尺寸、天线阵列与反射背板的距离，能够拓宽带宽满足带宽要求；另外天线阵元与馈电网络的一体式结构，使得天线在加工过程中无需焊接，省去了调试和焊接的过程，提升了加工效率，同时降低了遥测天线的设计成本；本发明的遥测天线通过天线阵元的设计使天线在2400mhz和1400mhz下均能够工作，且同时兼顾尺寸小、重量轻、成本低和携带方便的优点。另外，通过天线阵元的组阵，能够满足高增益的需求，也不需要昂贵的高频介质板，固态金属材质的反射背板进一步降低了加工成本。

2.本发明通过在每个天线阵元与反射背板之间设置支撑柱，保证了天线阵列与反射背板的安装距离和平行度。

3.本发明采用m4以下的金属螺钉固定天线阵元，保证所有天线阵元的几何中心都是高频零电位。

4.本发明中天线阵元、馈电网络和反射背板均采用质量较轻的铝材质，在不影响天线性能的同时，进一步降低了天线的设计成本。

5.本发明采用低损耗介质的abs或环氧玻璃布作为天线罩材质，不会对天线的性能造成影响，同时对天线起到保护作用。

附图说明

图1为本发明高增益地面遥测天线的结构示意图；

图2为本发明天线阵列的结构示意图；

图3为本发明反射背板的结构示意图；

图4为本发明实施例一的结构示意图；

图5为本发明实施例一的天线阵列表面电流幅度仿真结果示意图；

图6为本发明实施例一的天线阵列表面电流方向仿真结果示意图；

图7为本发明实施例一的天线阵列驻波比仿真结果示意图；

图8为本发明实施例一的天线阵列的方向图；

图9为本发明实施例二的天线阵列方向图；

图10为本发明实施例二的天线阵列阻抗图；

图11为本发明实施例二的天线阵列驻波比仿真结果示意图；

图12为本发明实施例二的天线阵列回波损耗图；

图13为本发明实施例三的结构示意图；

图14为本发明实施例三的天线阵列方向图；

图15为本发明实施例三的天线阵列回波损耗图；

图16为本发明实施例三的天线阵列阻抗图；

图17为本发明实施例三的天线阵列驻波比仿真结果示意图；

图18为本发明实施例四的结构示意图；

图19为本发明实施例四的天线阵列回波损耗图；

图20为本发明实施例四的天线阵列阻抗图；

图21为本发明实施例四的天线阵列驻波比仿真结果示意图；

图22为本发明实施例四的天线阵列方向图。

其中，1-天线阵元；2-馈电网络；3-反射背板；4-天线罩；5-馈电点；6-支撑柱；7-第一通孔；8-第二通孔；9-螺钉；10-sma连接器；101-内导体；102-介质；103-法兰；104-螺母；11-天线阵列；12-第四通孔；13-螺纹孔；14-第三通孔。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明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。

如图1和图2所示，一种高增益地面遥测天线，包括若干方形的天线阵元1、馈电网络2、反射背板3和天线罩4；天线阵元1呈行列排布，每列的天线阵元1通过馈电网络2依次相连，各列的天线阵元1通过馈电网络2并联；天线阵元1与馈电网络2为一体式结构，均采用固态金属材质，天线阵元1的厚度与馈电网络2的厚度相同；天线阵元1平行固定于反射背板3上方，天线阵元1和反射背板3封装于天线罩4内，反射背板3为固态金属材质；馈电网络2的中心处设有馈电点5，馈电点5通过sma连接器10与反射背板3相连。

上述遥测天线的辐射机理是基于高频电磁场的泄露。电磁场如果不是被导体完全封闭，不连续处就会产生电磁辐射泄露，在一定的频率下，电磁场采用金属片，使其工作在谐振状态下，辐射就会明显增强，辐射效率也会大大提高。基于上述原理，本实施例中天线阵元1与馈电网络2为一体式结构，且采用固态金属材质，无需进行pcb投板，只需对金属板进行切割成形，使天线的增益得到大幅提高。相当于采用两块金属板作为天线，其中一块作为反射背板3，另一块作为天线阵元1和馈电网络2，以空气作为介质，省去了昂贵的高频介质板材。天线阵元1与反射背板的距离可自由调整，用以调整谐振频率、阻抗和带宽。同时，天线采用串馈形式，馈电网络2同样采用金属板，形成垂直极化。

如图1至图3，天线阵元1平行固定于反射背板3上方具体为，还包括多个abs材质的支撑柱6；天线阵元1中心开设有第一通孔7，反射背板2在与第一通孔6相对应位置开设有第二通孔8，支撑柱6两端均开设有螺纹孔，支撑柱6设置于反射背板3和天线阵元1之间，两端的螺纹孔分别与第一通孔7和第二通孔8相对；支撑柱6一端通过螺钉9与反射背板3固定，另一端通过螺钉9与天线阵元1相连。

另外，sma连接器10的具体连接方式为，sma连接器10包括内导体101、介质102和法兰103；馈电点5处开设有孔径与内导体101直径相同的第三通孔14，反射背板3与第三通孔14相应的位置开设有第四通孔12；介质102一端穿过第四通孔12，另一端贴合于馈电点5的背面；法兰103套设固定于介质102外部，第四通孔12两侧开设有两个螺纹孔13，法兰103通过螺栓与螺纹孔13配合固定于反射背板2的背面；内导体101一端穿过第三通孔14固定于介质102顶部，另一端外部设有螺纹，螺母104与所述螺纹配合连接于内导体101外部，螺母104贴合于馈电网络2的正面。

如图1和图2，h为天线阵列11与反射背板3的间距，其取值能够影响天线的驻波比；t为馈电网络2的宽度；l为天线阵元1的长度，用来调整谐振的频率；w为天线阵元1的宽度，用于调整天线的驻波比；上述h、t、w和l的取值均可以通过hfss仿真设计，根据使用需求确定。

上述遥测天线的具体制作过程为：

(1)按需求选择合适的固态金属板，并确定天线尺寸，根据仿真设计确定h、t、w和l的取值；

(2)用切割机或精雕机进行切割，得到一体式的天线阵元1和馈电网络2，即天线阵列11；

(3)在天线阵列11中心处的馈电网络2中间打孔得到第三通孔14，第三通孔14的尺寸与内导体101外径相同；

(4)在每个天线阵元1的中心处打孔得到第一通孔7，在反射背板3上相应位置打孔记做第二通孔8；

(5)将天线阵元1放在反射背板3上方，按照图1所示，安装螺钉9和支撑柱6固定天线阵元，sma连接器固定；金属板所有天线阵元1的几何中心都是高频零电位，可以绝缘，也可以电气连接，不会对遥测天线的性能造成影响，如果此处螺钉9为金属材质，则优选m4以下的螺钉。

(6)在馈电点5处安装sma连接器10，在内导体101外拧紧螺母104，使螺母104紧贴馈电点5处上表面；

(7)采用低损耗介质的天线罩4，配合安装于反射背板3之上，可胶封于反射背板3上。

实施例一

如图4所示是单天线阵元1的天线，采用整张铝板进行加工得到天线阵元1和馈电网络2的整体，用支撑柱6和sma连接器10固定，馈电点5处通过sma连接器10，将能量传递给馈电网络2，馈电网络2再将能量传递给天线阵元1并向外辐射。根据如图5所示的天线阵列11表面电流幅度仿真结果，天线阵元1的几何中心都是高频零电位，可以绝缘，也可以进行电气连接，不会对天线性能造成影响。如图6所示的天线阵列11表面电流方向仿真结果，天线阵元1的表面电流上下变动，所以为垂直极化天线，更适用于接收机载的垂直极化电磁信号。

根据工程经验，一般天线驻波比小于2的频率范围，即为天线的带宽。由图7所示的天线阵列驻波比仿真结果可知，该实施例中天线阵列的带宽为65mhz，足够无人机遥测天线进行高清视频传输应用。如图8的天线阵列方向图，本实施例的天线阵列增益为10dbi。将本实施例的遥测天线应用于法定无人机1.43ghz频段，根据仿真结果得到w＝96mm，l＝90mm，h＝5.5mm，反射背板3按照各边比天线阵列11边缘超出30mm。

实施例二

为了进一步提高遥测天线增益，采用整张2mm厚的铝板进行加工得到天线阵元1和馈电网络2的整体，对实施例一中的单天线阵元1的天线进行组阵，得到如图2所示的2*2天线阵列11，装配方法与实施例一相同。各天线阵元1之间的间距为预设频段的半个波长。从图9所示的天线阵列方向图可知，本实施例中天线阵列11最大增益大于15dbi。

实施例三

同样为了提高遥测天线增益，在实施例一的基础上进行4*2的组阵，采用整张4mm厚的铝板进行加工得到天线阵元1和馈电网络2的整体，按照与实施例一相同的安装方法得到如图13所示的天线阵列11。采用低损耗的abs材质天线罩4配合安装于反射背板3上并胶封。

实施例四

在实施例一的基础上进行2*4的组阵，采用整张3mm厚的铝板进行加工得到天线阵元1和馈电网络2的整体，按照与实施例一相同的安装方法得到如图18所示的天线阵列11。采用低损耗的环氧玻璃布材质天线罩4配合安装于反射背板3上并胶封。

从图14和图22中可知，上述实施例三和实施例四中的天线阵列11增益都大于18dbi。如图11、图17和图21，实施例二至实施例三的天线阵列驻波比均小于2，满足划定的无人机频段，也能够满足无人机数据链信号的使用。图10、图16和图20分别为实施例二、实施例三和实施例四的天线阵列阻抗图，对于天线而言，天线输入端的电压与电流比值称为天线的输入阻抗，也常用馈电网络上的电压驻波比来表示天线的阻抗特性，一般天线的输入阻抗是复数，实部称为输入电阻，以ri表示，虚部称为输入电抗，以xi表示，实部越接近50欧姆，虚部越接近0匹配越好，从图10、图16和图20中可以看出，实施例二至实施例四均满足上述要求，匹配度较好。图12、图15和图19分别为实施例二、实施例三和实施例四的天线阵列回波损耗图，回波损耗又称反射损耗，是由于阻抗不匹配所产生的反射，反射损耗越小越好，工程上一般要求小于-10db，从图12、图15和图19可知，实施例二至实施例四的天线阵列回波损耗均远小于-10db，满足使用需求。

本发明的遥测天线，可以根据使用需要进行任意组阵，通过组阵来提高天线增益。每个天线阵元1均需要通过仿真确定长和宽，使得谐振频率覆盖预设频段，每个天线阵元1的长宽等效约为半个波长。另外，除实施例一至实施例四中使用铝作为反射背板3、天线阵元1和馈电网络2外，也可以采用铁板、钢板或铜板等其他固态金属材质，实施例中由于铝板廉价且加工便利作为优选方案，选用的固态金属材质厚度可根据需要进行选择，也可以是1mm或0.5mm。

本发明的高增益地面遥测天线，具有比微带阵列天线以及其他类别天线更高的增益，且带宽拓宽2-3倍。此外，不需要加工昂贵的大尺寸pcb板，仅采用较薄的金属板进行简单的机加工即可，最大化的降低加工成本，加工过程中也无需焊接，装配及其简单，解决了组装调试繁杂、重量大、尺寸大、成本高、带宽窄和安装携带不方便等一系列问题。

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。