1. 引言

近年來，得益于性能的提升和成本的下降，無人機在軍用和民用領域得到了越來越廣泛的應用。為了支持無人機正常工作，無人機和地面控制臺之間需要建立可靠的無線連接[1][2]。天線，作為收發(fā)信機和無線電波的中介，對于無人機的作用愈發(fā)重要[3]。近些年來，面向中型無人機應用的433 MHz天線研究受到了普遍關注[4]。相對于小型無人機常用的2.4/5.8 GHz頻段，433 MHz頻段可以提供更長的通信距離和更穩(wěn)定的鏈接。但是，該頻段天線的尺寸普遍較大。

無人機通信系統(tǒng)天線的設計普遍存在著一些限制因素。機載天線要盡可能緊湊、穩(wěn)定且輕量化，以降低甚至消除其對無人機空氣動力性能的影響[5]。共形天線是一種常用的機載天線形式，也是無人機天線方向的研究熱門。在433 MHz頻段，尺寸和帶寬問題是無人機共形天線的最大挑戰(zhàn)[6]，也正是本文提出的天線要解決的問題。

本文提出了一種共形于中型無人機尾桿的433 MHz的寬帶E型貼片天線。眾所周知，E型貼片天線結構簡單且能夠顯著提升帶寬[7]。然而傳統(tǒng)的E型貼片天線的電尺寸相對較大[8]，無法直接集成到目標無人機110 mm直徑的桅桿上。

本文中，我們將采用金屬螺釘接地的方法，使得貼片得以“裹”在尾桿上，而不影響其寬帶性能。為了提高天線結構穩(wěn)定性，金屬地板和貼片輻射體的材質全部選擇了鋁合金板，并使用六個塑料螺釘進行了固定。仿真軟件 CST 的計算結果表明，該天線具有較寬的阻抗帶寬，以及較為均勻的方向圖。

2. 天線結構的設計與分析

2.1 結構設計

圖 1 展示了所提出的共形貼片天線的結構模型。整個天線結構主要包括貼片輻射體、金屬地板、短路金屬釘、同軸饋線和塑料固定螺釘 5 個部分。貼片輻射體和金屬地板均為厚度為 0.8 mm 的彎曲鋁合金板，短路金屬釘的材質為黃銅。兩個金屬地板通過側邊的螺絲連接，形成了一個金屬桶。這個共形金屬桶，既確保了無人機的空氣動力學性能不受明顯影響，又為外層貼片輻射體提供了較為完整的反射地板。饋電是通過固定于金屬地板的一根 50 歐姆同軸線實現的。我們采用 ANSYS HFSS 進行了 433 MHz 頻段的天線設計，相應的最優(yōu)參數值，總結在表 1 中。

表 1 天線的尺寸表

2.2 理論分析

E 型貼片天線的帶寬展寬原理，可以從電流路徑的角度解釋[9]。饋電位置兩側縫隙的存在，使得貼片上電流的路徑發(fā)生了改變，從而帶來新的諧振。而兩個縫隙尺寸略有差異，導致新增諧振的工作頻點有所不同。通過調整兩條縫隙的深度，新增和原有諧振頻點可以逐漸靠近，從而形成較寬的阻抗帶寬。

圖 1. 天線結構圖

3. 仿真結果與分析

經過仿真優(yōu)化，本文中的共形貼片天線在 433 MHz 附近實現了超過 50 MHz (403.7 –457.2 MHz , 12.43%) 的 10-dB 阻抗匹配帶寬，其反射系數見圖 2。圖中也給出了不開槽貼片天線的反射系數，只有 4.76 % (400.2 – 418.7 MHz) 的阻抗匹配帶寬。對比之下，開槽后的天線帶寬是開槽前的 3 倍。本設計對應的最大增益曲線也展示在了圖 2 中。在整個阻抗帶寬內，天線增益均大于 1.5 dBi，最高可以達到 3.3 dBi。

圖 2. 天線的反射系數和增益圖

圖 3 為天線在 433 MHz 的歸一化方向圖。由圖可見，該天線在 XOY 面內近似全向輻射。雖然 YOZ 平面內的方向圖有起伏，但增益較弱的角度范圍有限，主要集中在0= 60°方向附近。實際安裝時，可以通過旋轉金屬套筒，使得弱輻射方向指向天頂，從而為無人機和控制臺之間提供穩(wěn)定的無線連接。圖 4 給出了天線總增益的二維直角坐標等高線圖。由圖可知，該天線在全空間范圍內，只有一個增益較低區(qū)域，經過調整后可實現無人機下半空間近似均勻的無線覆蓋。

圖 3. 天線的歸一化輻射方向圖（單位：dBi）

圖 4. 總增益的 2D Cartesian Contour 圖

4. 結論

本文提出了一種用于中型無人機 433 MHz 通信的寬帶共形貼片天線。仿真結果表明，在貼片輻射體上開槽，可以使其阻抗帶寬由 18.5 MHz 提升至 53.5 MHz，完美覆蓋了常用的無人機通信頻段（430 – 440 MHz）。并且，該天線方向圖較為均勻，可以為無人機提供穩(wěn)定的無線連接。在機械性能方面，該天線結構簡單、穩(wěn)定且方便維護，不會給無人機的空氣動力學性能帶來不良影響，可以滿足多數類似場景的需求。同時該天線的制造成本較低，具有良好的應用前景。

資料來源：達索官方