一种用于潜航器的多频段天线集成装置

1.本实用新型涉及水下机器人领域，特别涉及一种用于水下机器人的示位通信定位多频段天线集成装置。


背景技术：

2.随着水下机器人的发展，水下机器人的返航、打捞、数据传输工作变得越来越重要。天线及示位功能无疑是水下机器人返航及打捞的重要设备，gps定位、北斗定位、无线电、无线网络数据传输均需要用到天线。所以为满足越来越高的水下机器人功能集成化要求，必须对多种功能天线进行合理集成设计。
3.现有的水下机器人天线塔集成设计，是将多种功能天线独立的排布在一个天线塔内，实际上各模块仍采用独立天线，占用空间较大。且每个天线均有一个对应接收模块，元器件多，体积大，功耗高，成本高。不适用于对空间及能源利用率要求更高的水下机器人。


技术实现要素：

4.本实用新型目的是提供一种用于水下机器人的定位通信示位多频段天线集成装置，以克服上述天线集成设计的缺陷。比现有水下机器人天线塔，具有元器件少，体积小，功耗低，成本低的优点。
5.本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案：一种用于潜航器的多频段天线集成装置，包括多频段天线设计单元、示位装置设计单元、结构设计单元；所述结构设计单元内设有多频段天线设计单元、示位装置设计单元；所述示位装置设计单元设置于多频段天线设计单元下方；
6.所述多频段天线设计单元包括依次连接的第一辐射部分、第二辐射部分及第三辐射部分；所述第一辐射部分底部设置有示位装置设计单元；所述第一辐射部分与第二辐射部分之间引出馈线与外部设备的天线射频接口连接。
7.所述示位装置设计单元包括串联的多个led构成环状电路，所述环状电路以第一辐射部分几何中心为圆心，多个led均匀分布置于第一辐射部分底部。
8.所述环状电路位多个。所述第一辐射部分为gps/bd双模天线。所述第二辐射部分为uhf天线。所述第三辐射部分为wi
‑
fi天线。所述结构设计单元为中空透明壳体。
9.所述第一辐射部分辐射中心与结构设计单元间的距离为第一辐射部分电磁波半波长的整数倍。
10.所述第三辐射部分辐射中心与结构设计单元间的距离为第三辐射部分电磁波半波长的整数倍。
11.本实用新型的有益效果及优点如下：
12.1.本实用新型采用第一辐射部分、第二辐射部分通过馈线连接在一起，形成多频段天线的两个分枝，相对于多分枝天线干扰影响较小。
13.2.本实用新型的示位装置设计单元采用串联的多个led构成环状电路，能够实现
多方位的显示，并设于第一辐射部分下方，不影响第一辐射部分对上空的辐射。
14.3.本实用新型的第一、三辐射部分辐射中心与结构设计单元间的距离为电磁波半波长的整数倍，能够减少结构设计单元壳体对电磁波能量的吸收，进而减少信号穿透的衰减，实现多频段电磁波的采集以及处理。
附图说明
15.图1多频段天线工作原理图；
16.图2多频段天线结构示意图。
具体实施方式
17.下面结合附图对本实用新型进行详细描述，以便更好的理解本专利。
18.本实用新型包含gps/bd定位、bd短报文、uhf、wifi的多频段天线设计单元。多频段天线设计单元包含：第一辐射部分gps/bd天线l1频点、b1频点作为定位，s频点作为bd短报文。第二辐射部分uhf天线频点460mhz，可通过但不限于增加馈电点寄生缝隙耦合增加带宽。第三辐射部分wifi为与s频点隔离采用5.8ghz天线，其提高增益对天线长度影响小，增加主辐射强度，减少旁瓣损失。第一辐射部分与第二、第三辐射部分采用但不限于分支方式组合，第二辐射部分与第三辐射部分采用但不限于倍频方式组合，该天线可在多频段下工作且频带较宽。示位装置设计单元是以天线轴为圆心点，安装环状示位装置。在天线与示位装置部分均采用透波、透明、耐压的结构设计。
19.一种用于水下机器人的示位通信定位多频段天线集成装置和方法，包含gps、bd、uhf、wi
‑
fi的多频段天线设计单元，示位装置设计单元，结构设计单元。
20.所述gps、bd、uhf、wi
‑
fi的多频段天线设计单元：由第一辐射部分、第二辐射部分及第三辐射部分组成。第一辐射部分为gps/bd双模天线，用于定位的gps天线l1频段为1575.42mhz、用于定位的bd天线b1频段为1561.098mhz，用于短报文的bd天线s频段为2491.75mhz。第二辐射部分uhf天线频段为460mhz。第三辐射部分wi
‑
fi天线频段为5.8ghz。第一辐射部分作为第一分枝，第二辐射部分与第三辐射部分作为第二分枝，第一分枝与第二分枝通过馈线连接在一起，形成多频段天线的两个分枝。
21.所述示位装置设计单元：以多频段天线轴心为圆心，r1为半径环状均匀分布置于第一分枝底部，以便不影响环状示位装置水平面以上多频段天线第二分枝对外辐射。半径r1值即天线第一分枝与环状示位装置相对距离值，根据第一分枝频段计算，以便不影响环状示位装置水平面多频段天线第一分枝对外辐射。
22.所述结构设计单元：采用透波性好、透光及耐压的材料设计。另外根据多频段天线第一分枝和第二分枝的频段特性，设计天线罩底部扁平、中上部细长的结构形状，以保证天线罩与天线第一分枝、第二分枝在多频段天线径向和轴向均处在高透波率的相对距离。
23.第二分枝包括第二辐射部分、第三辐射部分，其中第二辐射部分更靠近第一分枝与第二分枝的馈线连接点，即天线第二分枝的底端，第三辐射部分更靠近天线第二分枝的末端。把第二辐射部分频率作为基波，通过设计天线第二分枝末端弹簧多频天线的形态，通过调整弹簧的线圈半径r2、螺距l1等参数，从而获得第三辐射部分所需的高频谐波频段。
24.第二辐射部分还包括通过增加一段短路的耦合枝节来产生高频谐振或者拓展高
频带宽，短路的耦合枝节会和第二辐射部分产生耦合效应，相当于在第二辐射部分和短路的耦合枝节之间添加了一个电容，第二辐射部分通过耦合方式给短路的耦合分枝馈电，短路的耦合枝节将产生和自身结构尺寸相对应的谐振频点，从而拓展了第二辐射部分工作带宽。
25.第一辐射部分与第二辐射部分的辐射中心相对位置为l2，第二辐射部分与第三辐射部分的辐射中心相对位置为l3。根据第一辐射部分频段与第二辐射部分频段计算l2值，根据第二辐射部分频段与第三辐射部分频段计算l3值，以便减少第一辐射部分、第二辐射部分及第三辐射部分在多频段天线的轴向相互影响。
26.一种用于水下机器人的定位通信示位多频段天线集成装置和方法，由三个设计单元组成：gps、bd、uhf、wi
‑
fi的多频段天线设计单元，示位装置设计单元，结构设计单元。
27.所述gps、bd、uhf、wi
‑
fi的多频段天线设计单元：由第一辐射部分、第二辐射部分及第三辐射部分组成。第一辐射部分为gps/bd双模天线，用于定位的gps天线l1频段为1575.42mhz、用于定位的bd天线b1频段为1561.098mhz，用于短报文的bd天线s频段为2491.75mhz。第二辐射部分uhf天线频段为460mhz。第三辐射部分wi
‑
fi天线频段为5.8ghz。第一辐射部分作为第一分枝，第二辐射部分与第三辐射部分作为第二分枝，第一分枝与第二分枝通过馈线连接在一起，形成多频段天线的两个分枝。
28.第二分枝包括第二辐射部分、第三辐射部分，其中第二辐射部分更靠近第一分枝与第二分枝的馈线连接点，即天线第二分枝的底端，第三辐射部分更靠近天线第二分枝的末端。因为第二辐射部分与第三辐射部分主要为水平方向主辐射，采用上下放置的结构，可避免两者的辐射部分的金属材质在水平面上互相影响。
29.第二辐射部分还包括通过增加一段短路的耦合枝节来产生高频谐振或者拓展高频带宽，短路的耦合枝节会和第二辐射部分产生耦合效应，相当于在第二辐射部分和短路的耦合枝节之间添加了一个电容，第二辐射部分通过耦合方式给短路的耦合分枝馈电，短路的耦合枝节将产生和自身结构尺寸相对应的谐振频点，从而拓展了第二辐射部分工作带宽。
30.第一辐射部分与第二辐射部分的辐射中心相对位置为l2，第二辐射部分与第三辐射部分的辐射中心相对位置为l3。根据第一辐射部分频段与第二辐射部分频段计算l2值，根据第二辐射部分频段与第三辐射部分频段计算l3值，以便减少第一辐射部分、第二辐射部分及第三辐射部分在多频段天线的轴向相互影响。l3的计算方法可参考，根据uhf辐射部分的频率计算出uhf辐射部分波长λ2，根据wifi辐射部分的频率计算出其辐射部分的波长λ3，取λ2半波长与λ3半波长的最小公倍数。本例wifi辐射部分频率为5.8ghz，其λ3的半波长约为25.68mm，uhf辐射部分频率为460mhz，其λ2的半波长约为326mm，最小公倍数约为λ2的半波长的值326mm。l2的计算方法可参考上述l3。
31.所述示位装置设计单元：采用led二极管以串并联的形式，具体串联数量取决于led二极管的额定电压以及示位装置的供电电压。本例示位装置采用8串2并led形式焊接于pcb电路板，以多频段天线轴心为圆心，r1为半径环状均匀分布置于第一分枝底部，略低于bd/gps双模天线即可，以便不影响环状示位装置水平面以上多频段天线第一分枝的第一辐射部分即bd/gps双模天线对上空辐射。半径r1值没有严格要求。
32.所述结构设计单元：采用透波、透光及耐压的聚碳酸酯材料设计。另外根据多频段
天线第一分枝和第二分枝的频段特性，设计天线罩底部扁平、中上部细长的结构形状。bd/gps双模天线即第一辐射部分的辐射中心距结构单元距离r3，wifi辐射单元即第三辐射部分的辐射中心距结构单元距离r4。在同一种透波材料中，辐射中心距离透波材料为半波长的整数倍时，透波效果最好，因此r3值可为62.5mm及80mm的最小公倍数，r4值可为25.86mm的整数倍。即以保证天线罩与天线第一分枝、第二分枝在多频段天线径向和轴向均处在高透波率的相对距离。根据麦克斯韦方程，电磁波的频率越大，波长越小，波峰与波谷越接近，介质中某点电场差异越大，相应电流也越大，损耗在介质里的能量越高。因此在同种透波材料中，频率越高，电磁波衰减越快，频率越低，电磁波衰减越小。因此uhf的460mhz透波影响最小，在设计外形结构时不考虑其辐射中心距透波材料的距离。
33.主板的射频接口经过50欧同轴缆将多频段天线的数据采集后，多频段数据经过主板内部对应各个所需频段的多个带通滤波器处理，将各频段的数据过滤给对应输出接口。
34.如附图2所示，本实用新型所述的一种用于水下机器人的示位通信定位多频段天线集成设计方法由三个设计单元组成：gps、bd、uhf、wi
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fi的多频段天线设计单元，示位装置设计单元，结构设计单元。
35.多频段天线设计单元由第一分枝和第二分枝组成。第一分枝包含第一辐射部分，第一辐射部分为gps/bd双模天线。第二分枝包含第二辐射部分、第三辐射部分，第二辐射部分为uhf辐射部分，第三辐射部分为wifi辐射部分。
36.第一分枝包含第一辐射部分，即gps/bd双模天线。第一辐射部分为gps/bd双模天线，用于定位的gps天线l1频段为1575.42mhz、用于定位的bd天线b1频段为1561.098mhz，用于短报文的bd天线s频段为2491.75mhz。
37.第二分枝包含第二辐射部分、第三辐射部分。第二辐射部分uhf天线频段为460mhz。第三辐射部分wi
‑
fi天线频段为5.8ghz。
38.第一分枝与第二分枝通过馈线连接在一起，并与天线的输出口连接，形成天线整体。
39.第二分枝包括第二辐射部分、第三辐射部分，其中第二辐射部分更靠近第一分枝与第二分枝的馈线连接点，即天线第二分枝的底端，第三辐射部分更靠近天线第二分枝的末端。把第二辐射部分频率作为基波，通过设计天线第二分枝末端弹簧多频天线的形态，通过调整弹簧的线圈半径r2、螺距l1等参数，从而获得第三辐射部分所需的高频谐波频段。
40.第二辐射部分还包括通过增加一段短路的耦合枝节来产生高频谐振或者拓展高频带宽，短路的耦合枝节会和第二辐射部分产生耦合效应，相当于在第二辐射部分和短路的耦合枝节之间添加了一个电容，第二辐射部分通过耦合方式给短路的耦合分枝馈电，短路的耦合枝节将产生和自身结构尺寸相对应的谐振频点，从而拓展了第二辐射部分工作带宽。
41.如图1所示，将多频段天线设计单元、示位装置设计单元设置于结构设计单元内，所述示位装置设计单元设置于多频段天线设计单元下方；第一辐射部分、第二辐射部分及第三辐射部分共线设置；第一辐射部分、第二辐射部分及第三辐射部分分别通过谐振接收各自对应频段的数据，构成多频段数据通过馈线输出；多频段数据经过多个所需频段的带通滤波器处理，得到多个所需频段的数据。