[发明专利]超宽带高增益波束上仰全向天线

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种全向天线设备与技术，特别是涉及一种适合无人机地面 控制站的小型化超宽带高增益波束上仰全向天线及其技术。

【背景技术】

随着航空工业和信息技术的发展，人类进入了无人机时代。无人机适合 执行各类任务，且具有高性价比的优势，在军民领域都具有广阔的应用前 景。军用方面，无人机用于地图测绘、情报侦察、战场监视、对敌攻击、中 继通信等；民用方面，无人机用于航空拍摄、物流快递和科学探险等。目前， 中国在无人机领域均处于世界领先水平。通常，无人机依靠地面站无线电遥 控方式执行各类任务。这种无线链路由地面站和无人机天线之间建立。地面 站一般采用高增益抛物面天线，无人机则使用低增益全向天线。前者频率 高、方向性强、波束窄、控制距离远，但是传播路径上不能有障碍物遮挡， 而且受地球曲率影响，只能视距传播。因此，无人机飞行高度需要尽可能高， 而且必须在主瓣波束内，且无法同时控制多架位于不同方位的无人机。另 外，抛物面天线需要方位/俯仰面均可自由转动的机构，体积大、成本较高。 相比之下，若控制站采用低频高增益全向天线，则可很好地解决上述问题。 然而，高增益全向天线通常采用半波振子共轴组阵来实现，其最大辐射方向 指向水平方向。这使得而无人机在接近地平线的低仰角区域控制效果好，而 高仰角的空间区域控制效果很差，导致其活动空域极大地受限。因此，全向 天线的主瓣需要上仰一定的角度，且上旁瓣间的零点进行填充，才能满足无 人机广阔空域飞行控制的需要。通常，波束赋形采用阵列加权方式实现，但 需要设计复杂的馈电网络，造成天线增益下降、尺寸增大、便携性变差、成 本增加等。增益下降，会导致控制距离变近、无人机滞空时间变短等问题； 尺寸增大，导致机动部署不便、风载过高。另一种方案是，采用串馈振子阵 列，该方案的优点是馈电简单、结构紧凑、成本低，缺点是增益偏低、带宽 窄、波束下倾。跟其他天线一样，带宽也是地面站天线的关键指标之一，它 决定了可以控制的无人机数量及无人机的数据回传速率。另外，为了使无线 链路获得最佳信噪比，地面站天线宜采用宽频带设计，利用不同波长电波的 传播特性以保持链路的鲁棒性。显然，常规的振子共轴阵列的方案难以满足 上述宽频带、多频段的要求，而必须另辟蹊径找到扩展带宽的方法。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种超宽带、高增益、水平全向、波束上仰、大 功率、高效率、轻小便携、结构简单、经济耐用的超宽带高增益波束上仰全 向天线。

为实现本发明目的，提供以下技术方案：

本发明提供一种超宽带高增益波束上仰全向天线，其包括共轴排列在同 一介质基板上的第一宽带子阵和第二宽带子阵，所述第一宽带子阵和第二宽 带子阵的阵元数不相等，且最少阵元数为1，其阵元均为U形对称振子，该介 质基板上还设有馈电导线，连接所述第一宽带子阵和第二宽带子阵的各振 子，该第一宽带子阵和第二宽带子阵通过馈电导线连接馈电电缆，分别连接 第一宽带子阵和第二宽带子阵的两段所述馈电电缆的特性阻抗分别为Z₀₁和 Z₀₂，该第一宽带子阵和第二宽带子阵的输入阻抗Z_in1、Z_in2分别等于其馈电电 缆的特性阻抗，即：Z₀₁＝Z_in1，Z₀₂＝Z_in2。

上述第一宽带子阵和第二宽带子阵，两个子阵的阵元数不相等，可以分 别为1和2、2和3、3和4、2和5、5和3、4和2、n和m，等等数字组合，其中n、 m为不相等的自然数，前述组合例子只是本发明实施方式的部分实施例，并 不作为本发明权利范围限制，所述第一宽带子阵和第二宽带子阵的阵元数可 以为任意个数，只要第一宽带子阵和第二宽带子阵的阵元数不相等即可。

优选的，在所述两段馈电电缆的末端分别连接一段特性阻抗为Z₀₃、Z₀₄的四分之一波长电缆变换段，两段电缆变换段连接总电缆，馈电电缆特性阻 抗Z₀₁和Z₀₂、长度L₀₁和L₀₂满足以下数学式关系：

L₀₁＝(2πλ₁)×(5γ)×sin(πθ/180)+(λ₁/λ₂)L₀₂