一種無人機地面車載站高增益全向天線的設計

陳翔宇 王 雷

（1.南京航空航天大學，江蘇南京 210016；2.海軍92419部隊，遼寧興城 125106）

0 引言

在無人機遙測遙控領域，全向天線應用廣泛。全向天線一般有兩種形式，水平極化全向天線和垂直極化全向天線[1，2]。全向天線在結構形式多樣，從單極子、偶極子、螺旋天線發展到全向微帶天線、十字雙錐等。上述天線大多增益低或者增益高但帶寬窄[1，2]。用相控陣等高增益天線360°內組成全向天線，則其不圓度和損耗較大，并且加工難度大、成本高。

為提高無人機遙測遙控的可靠性，滿足無人機在遠距離、仰角變化大等情況下的全空域遙測遙控。本文設計了一種用于無人機地面車載站的高增益全向天線，并給出了設計思想、實現方案和設計原理，仿真分析結果顯示天線在±5°內增益達到指標設定的6dBi并且全向特性較理想。

1 天線設計

1.1 設計思想

根據天線的基本特性---垂直線極化、方向圖水平面全向，選用半波對稱振子（L=λ/2）作為天線單元。考慮到最大方向大于6dBi的增益要求，可用四個單元共軸排列組成天線陣來達到。從工作帶寬的指標來講，天線要求VSWR≤1.5的帶寬分別為2.6%和1.67%，再對天線陣的饋電網絡中進行適當匹配，完全可以達到。

方向圖由式（1-1）方向圖函數得到，水平面的方向圖為一個圓。當單元之間的距離取1/2波長時，由公式（1-2）可以估算出方向系數約為8dB。

1.2 實現方案

在對全向天線進行電性能設計以后，采用什么天線結構形式來實現是要考慮的另一個重要問題。因為天線對尺寸和重量也有嚴格的要求。經過多種方案的優選，最終采用了印刷型對稱振子與印刷型饋電一體化的天線形式。對稱振子的兩個臂分別腐蝕在聚四氟乙烯雙面敷銅板的兩面，用平行板雙線傳輸線饋電。

1.3 設計原理

天線采用印刷工藝制作在厚度為 、介質材料為聚四氟乙烯雙面敷銅板上，介質介電常數為εr=2.65；饋電平板帶線即中間介質為介質常數為2.65的平行雙線。四振子不等幅不同相饋電，振子饋電點的距離要一個波長λ，若饋線中間為空氣（εr=1），則λ≈λ0（自由空間波長），這樣天線總尺寸增大，現用介電常數ε的介質，λ＜λ0，介質既起到了支撐作用，又可縮短振子間距的幾何尺寸，從而縮短了整個天線的尺寸。

如圖1所示，介質介電常數為εr、帶線寬為W、介質厚度為h，則其等效介電常數可用下式估算：

圖1 平行板傳輸線示意圖

其中，η為自由空間波阻抗η=377?。此特性阻抗之值和半波長對稱振子輸入阻抗相當，容易達到振子和饋線的匹配。四個振子到結點的阻抗并聯為75/44?，通過調諧支節和阻抗變換段，使輸入點的阻抗接近504?。因四個振子在結點呈現的阻抗均為754?，所以每個振子的功率分配相等而且同相位，這是設計的理論根據。實際情況時能量邊傳輸邊輻射，振子間又有互耦影響，所以每個振子的輸入阻抗不完全相同，振子電流振幅和相位不可能理想一致，天線增益比理論上的方向系數要低。阻抗匹配在理論設計的基礎之上，需要進一步通過實驗調試，優化匹配段和調諧支節，最終達到，調試目標為使駐波比。

圖2 駐波比

2 仿真分析結果

根據以上天線模型，用高頻仿真軟件ANSOFT仿真分析計算。天線沿Z軸垂直地面放置。

圖3 方向圖

3 結論

仿真結果表明，天線的電性能全部達到或超過了最初設定指標要求。按照此方法設計的天線，經過調試后天線及實測天線系統增益（包括了駐波比引起的反射損耗）均達到設定指標要求，都在6.5dB以上。此外，調試好印刷天線的尺寸，通過光繪底片及PCB設計軟件，可成批生產，一致性好，且只有饋電點一處焊點，可靠性高。這種天線為平板型，加上圓柱形天線罩可以保證結構強度，還具有加工簡單、成本低、壽命長等優點。

[1]Balanis C A，Modern Antenna Handbook[M].Wiley，2008.

[2]馮祖建，張立新，孫紹國.水平極化全向天線的設計[J].微波學報，2008，24（6）：60 ～ 64.

[3]美國業余無線電轉播聯盟編，匡磊，劉燕北譯.經典線天線設計[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[4]Thomas A.Milligan著，郭玉春，方加云，張光生等譯，現代天線設計（第2版），電子工業出版社，2012.