近年來，無人機(jī)技術(shù)正在迅速發(fā)展。無人機(jī)被用于執(zhí)行各種任務(wù)，如環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)植物保護(hù)和航空攝影，這掀起了全球研究無人機(jī)相關(guān)技術(shù)的熱潮。無人機(jī)需要與地面控制人員通信。因此，無人機(jī)天線應(yīng)具有水平向全向輻射方向圖和垂直極化，以保證無人機(jī)在任何方向上都能接收到地面控制器發(fā)出的信號。垂直極化的天線已廣泛應(yīng)用于無人機(jī)上。單極子天線是無人機(jī)通信系統(tǒng)中常用的垂直極化天線。然而，傳統(tǒng)的單極子天線很難沿其軸向接收和發(fā)射信號，即當(dāng)無人機(jī)位于地面控制器正上方時(shí)單極子天線無法保證通信質(zhì)量，特別是垂直起降應(yīng)用[1]。水平極化天線為無人機(jī)的應(yīng)用提供了更多的可能性。因此，對雙模無人機(jī)天線進(jìn)行

研究具有重要意義。

 

考慮到無人機(jī)的載荷和天線的氣動(dòng)阻力，無人機(jī)天線應(yīng)具有低剖面的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的單極子天線是四分之一波長的線天線。然而，單極子天線在低頻段的高度過高。例如，在 500 MHz 時(shí)，單極子天線的高度約為 150毫米，不方便安裝在無人機(jī)上。采用人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和電磁帶隙結(jié)構(gòu)可以降低單極天線的高度。文獻(xiàn)[2]提出了一種基于 AMC 結(jié)構(gòu)的低剖面雙極化寬帶全向天線。天線高度約為 0.17λ(在 1.7GHz 時(shí)為 30.6mm)。

 

文獻(xiàn)[3]研究了一種基于 EBG 結(jié)構(gòu)的低剖面水平極化全向天線。天線高度約為 0.1λ (5.7GHz 時(shí)為 5mm)。在[4]中，提出了一種用于無人機(jī)應(yīng)用的低剖面套筒天線。通過在套筒天線的頂部加載三維圓盤錐形結(jié)構(gòu)，降低了天線的整體高度。天線高度約為 0.07λ (840MHz 時(shí)為 26.6 mm)。該天線具有垂直極化輻射方向圖。

 

文獻(xiàn)[5]提出了一種用于無人機(jī)的三頻段水平極化全向天線。天線高度約為 0.16λ (在 840.5 MHz 時(shí)為 57.7 mm)。文獻(xiàn)[6]提出了一種工作在 2.4GHz 和 5.2GHz 的雙模無人機(jī)天線。而[4]中的天線尺寸為 30.86mm 30.86 mmí1.57 mm (0.25λ 0.25λ)í0.0128λ)。為了實(shí)現(xiàn)垂直極化和水平極化的雙模性能和低剖面，我們參考了文獻(xiàn)[7]中天線的設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)[7]采用兩個(gè)同相輻射體和一個(gè) T 型 180°移相器來降低單極天線的高度。[7]中的天線是體天線結(jié)構(gòu)，其橫向和高度尺寸在 22.9 MHz 時(shí)為 150 mm × 150 mm × 50 mm。體天線結(jié)構(gòu)會(huì)增加氣動(dòng)阻力。此外，空芯電感會(huì)使天線的穩(wěn)定性下降。

 

本文提出了一種用于無人機(jī)通信系統(tǒng)的低剖面雙模天線。天線由半矩形環(huán)同軸結(jié)構(gòu)和套筒加載結(jié)構(gòu)組成，半矩形環(huán)同軸結(jié)構(gòu)垂直安裝在地平面上。該天線具有兩種輻射模式，模式 1 為 500 MHz 的垂直極化輻射特性，模式 2 為 588 MHz 的水平極化輻射特性。所提出的天線是一體感性加載的半矩形環(huán)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。在第 2 節(jié)，詳細(xì)討論了天線的設(shè)計(jì)。在第 3 節(jié)，制作了天線原型并進(jìn)行了測試。

 

2 半矩形環(huán)天線的設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)

2.1 低剖面雙模天線的結(jié)構(gòu)組成

所提出天線的三維模型在 CST Studio Suite 2019 中創(chuàng)建，如圖 1 所示。詳細(xì)的天線尺寸標(biāo)注如圖 2 所示，該天線由帶套筒加載的半矩形環(huán)同軸結(jié)構(gòu)和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)組成。半矩形環(huán)同軸線垂直安裝在接地面上。饋電同軸的內(nèi)外導(dǎo)體與饋電點(diǎn) A 連接，饋電點(diǎn) A 與 SMA 接頭之間存在阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。接地同軸的內(nèi)外導(dǎo)體短接至地。此外，半矩形環(huán)同軸線的外導(dǎo)體在同軸線的中心處斷裂并加載有套筒結(jié)構(gòu)。圖 2 是低剖面雙模天線的ZY 截面圖。地板的尺寸為 400mm × 400 mm。饋電引腳連接到阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)匹配。500MHz 時(shí) L1、C 和 L2 的值分別為 142nH、19.1pF 和 2.2nH。在 580MHz 時(shí)，L1、C 和 L2的值分別為 1.2nH、7.8pF 和 4.2nH。具體的變量值如表一所示。

 

 

圖 1 CST 中天線的三維模型

 

 

圖 2 天線的尺寸標(biāo)注

 

 

 

2.2 低剖面天線的工作模式 1

兩個(gè)單極子天線通過λ/2 傳輸線連接，可以有效地作為單極天線進(jìn)行輻射并降低剖面。此外，可以使用T 型 180°移相器可以代替 λ/2 傳輸線。圖 3 為 T 型 180°移相器的電路模型。小于 λ/4 的短路傳輸線可以等效為電感，小于 λ/4 的開路傳輸線等效為電容。因此，我們用短路同軸線代替電感，用加載套筒代替電容。模式 1 的三維輻射方向圖如圖 5 所示。模式 1 為類單極子的輻射模式。

 

 

圖 3 T 型 180°移相器的電路模型

 

 

圖 4 模式 1 表面電流示意圖

 

 

圖 5 CST 中天線模式 1 的 3D 方向圖

 

2.2 低剖面天線的工作模式 2

如圖 6 所示，模式二的等效電容的主要作用是傳導(dǎo)電流，而不是改變電流的相位。在半矩形環(huán)同軸線的兩個(gè)垂直外導(dǎo)體上的電流是反向的。然后，兩條同軸短路線的外導(dǎo)體主要參與于模式 2 的輻射。如圖 6 所示，垂直輻射體上的電流反向，從而導(dǎo)致輻射抵消。模式 2 的三維輻射方向圖如圖 7 所示。模式 2 為環(huán)狀天線式輻射模式。

 

 

圖 6 模式 2 表面電流示意圖

 

 

圖 7 CST 中天線模式 2 的 3D 方向圖

 

3 天線的加工與測試

如圖 8 所示，制作了一個(gè)低剖面雙模天線樣機(jī)。采用半柔性射頻同軸電纜，保證天線結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。饋電點(diǎn)與金屬板之間有厚度為 1mm 的介電套管，以避免短路。天線中間的等效電容是用銅箔膠帶制作的。

 

 

圖 8 制作的天線樣機(jī)實(shí)物圖

 

用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)對天線進(jìn)行匹配后得到|S11|的測量結(jié)果。如圖 9 所示，模式 1 的|S11|測量結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。測量到的|S11|在 500MHz 時(shí)為-20.5dB。如圖 10(a)和圖 10(b)所示，制作的天線在 y-z 平面和 x-y平面上的歸一化輻射方向圖的測量結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。制作的天線樣機(jī)在 x-y 平面上的歸一化輻射方向圖由于兩個(gè)垂直輻射體之間的距離具有不圓度。最大增益與最小增益之差為 0.9dB。在 500MHz 時(shí)測得天線最大增益為-6.8dBi，測得天線效率為 14%。制作的天線樣機(jī)在 500MHz 處具有類單極子的垂直極化。

 

 

圖 9 |S11|的仿真與測試結(jié)果

 

 

圖 10 模式 1 方向圖的仿真與測試結(jié)果

 

天線工作在模式 2 時(shí)，|S11|測試結(jié)果與仿真結(jié)果如圖 9 所示。|S11|測量結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。天線在588 MHz 時(shí)的最大增益測試值為 2.5dBi，天線效率測試值為 40%。制作的天線樣機(jī)具有與小環(huán)天線相似的水平極化輻射方向圖。

 

 

圖 11 模式 2 方向圖的仿真與測試結(jié)果

 

 

 

5 結(jié)論

在本文中，我們利用三維全波電磁仿真工具 CST 驗(yàn)證了利用半矩形環(huán)結(jié)構(gòu)和感性加載結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩種輻射模式性能的想法，即 500 MHz 垂直極化輻射特性的模式 1 和 588 MHz 水平極化輻射特性的模式 2。天線在500 MHz 時(shí)的高度為 25.9 mm(約 0.04λ)。實(shí)測結(jié)果與模擬結(jié)果吻合較好。制作的樣機(jī)在 500 MHz 處具有類單極子的輻射方向圖，在 588 MHz 處具有類小環(huán)天線的輻射方向圖。天線采用半柔性射頻同軸電纜和體內(nèi)感應(yīng)負(fù)載，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。提出的垂直極化和水平極化天線提高了無人機(jī)通信系統(tǒng)的可靠性。

 

資料來源：達(dá)索官方