一種應(yīng)用于巡檢無人機的低成本測控天線

任 哲，王劍飛，王 水，王大為，楊 健

（1.陜西省天然氣股份有限公司，陜西西安 710016；2.西安愛生無人機技術(shù)有限公司，陜西西安 710129）

目前，工業(yè)型無人機相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅猛，無人機已被廣泛應(yīng)用于線路巡檢。在巡檢無人機領(lǐng)域，使用垂直起降無人機搭載任務(wù)設(shè)備進行巡檢工作是一種常用方法。巡檢無人機的巡查范圍通常較大，因此要求無人機的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)必須保證盡可能長的通信距離。目前作用距離的實現(xiàn)一方面來自于數(shù)據(jù)鏈功率放大器的發(fā)射功率，另一方面來自于天線的增益。

現(xiàn)有的無人機地面測控天線多種多樣，有八木天線、喇叭天線、微帶天線等。其中微帶天線因為輕便、美觀，通常作為無人機系統(tǒng)的首選天線[1]。但對于傳統(tǒng)的覆銅板微帶天線，基片材料板一般由低損耗介質(zhì)單面板或者雙面覆銅板，低損耗介質(zhì)板成本高，帶寬窄，一般小于1%[2-4]。該文設(shè)計了一種中心頻率為1.437 MHz（法定民用無人機數(shù)據(jù)鏈頻段）的串饋陣列天線，降低了成本、重量、尺寸，同時拓展了帶寬，滿足無人機系統(tǒng)的應(yīng)用。

1 空氣微帶天線結(jié)構(gòu)

1.1 單元天線結(jié)構(gòu)

為了拓寬天線的頻帶帶寬，并兼顧天線重量、成本等因素，將原有的FR4 介質(zhì)板材或其他低介電常數(shù)板材替換為空氣，輻射單元和反射背板均替換為機械加工的鋁片。輻射單元依靠螺絲和四氟乙烯支撐桿調(diào)節(jié)與反射背板的距離，調(diào)試更加靈活。輻射單元和反射背板可采用機加的1 mm 或0.5 mm 的鋁片作為輻射單元，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 空氣微帶天線結(jié)構(gòu)

該天線采用帶法欄的SMA 連接器作為饋電裝置，并起到支撐輻射單元的作用。在輻射貼片的正中心增加四氟乙烯螺柱，通過螺母固定輻射單元和反射背板，使輻射單元與反射背板加固，并保證輻射單元和反射背板之間的距離。參考圖1，反射背板的寬度為W，長度為L；反射背板距離輻射單元的間距為h；貼片為矩形，長邊為a，寬邊為b；饋電探針的長度大于h。輻射天線單元采用側(cè)饋的方式，陣列天線采用串饋的方式。

1.2 天線陣結(jié)構(gòu)

以空氣微帶天線單元作為基礎(chǔ)，對其饋電結(jié)構(gòu)微調(diào)后組成2×2 陣列天線，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。陣列天線采用等幅同相串聯(lián)饋電，陣子間距約為諧振頻率的半個波長[5]。串饋陣面是二維陣，通過主饋線串聯(lián)饋電到每個陣元，線陣在其饋電點處等效為一個負載，這樣微帶陣的主饋線方向也相當(dāng)于一個線陣[5]。該方法可有效提升主瓣增益，降低副瓣增益，實現(xiàn)簡單，調(diào)試也簡單方便[6]。

圖2 中陣列天線適用于頻分以及單發(fā)單收的無人機數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。但由于巡檢無人機大多會出現(xiàn)因多徑、遮擋、天氣等因素造成飛機鏈路中斷[7-8]，故目前數(shù)據(jù)鏈的趨勢為MIMO（多輸入多輸出）體制中的雙發(fā)雙收體制[9-10]，此種體制優(yōu)點如下：具備抗多徑帶來的干擾，能夠提高網(wǎng)絡(luò)帶寬、傳輸距離以及通信的可靠性[11]。

圖2 陣列天線結(jié)構(gòu)圖

上述天線可根據(jù)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的體制進行改進。圖3 為應(yīng)用于MIMO 雙發(fā)雙收體制的天線，含兩個天線陣列，每個陣列為1×2 單元。為實現(xiàn)更高增益，可將圖2 按照圖3 形式布陣，每個陣列天線為2×2 陣元，可達到更高的增益。

圖3 MIMO雙收雙發(fā)天線

2 天線的設(shè)計步驟

空氣介質(zhì)微帶天線是以矩形微帶貼片天線的理論作為基礎(chǔ)。將空氣作為介質(zhì)，鋁片作為輻射單元，調(diào)整輻射單元的尺寸以及和背板的距離可以控制諧振頻率和帶寬。所以在設(shè)計微帶貼片天線時，必須先從基本的矩形微帶貼片天線結(jié)構(gòu)開始分析和設(shè)計。輻射單元寬度a的大小影響著微帶天線的方向性函數(shù)、輻射電阻和輸入電阻，從而影響輻射效率。長度b影響諧振頻率，兩陣元之間的距離會影響方向圖的指向[12]。

在微帶天線設(shè)計時，首先要選擇合適的介質(zhì)基片，根據(jù)天線設(shè)計要求的工作頻率f和基片厚度h，可用式（1）設(shè)計出單元的寬度：

式（1）中，c 為光速，εr為介質(zhì)基片的介電常數(shù)。

輻射單元長度一般取為λe/2，λe是等效介質(zhì)的波長：

考慮到邊緣縮短效應(yīng)，實際的輻射單元長度L應(yīng)為：

由于采用空氣作為介質(zhì)基片，所以上式中εr=1，可大大簡化計算過程。

根據(jù)上述計算公式，在要求的無人機法定頻段1 430～1 444 MHz 范圍內(nèi)，可以得出天線的基本參數(shù)以及天線的長度參數(shù)。

單個天線單元采用側(cè)饋，陣列天線采用串饋，通過主饋線串聯(lián)饋電到每個線陣，線陣在其饋電點處等效為一個負載[13-14]，主饋線方向相當(dāng)于一個線陣，兩個陣元之間加載一個阻抗匹配[15-16]。

3 仿真實驗與結(jié)果分析

3.1 天線單元的仿真實驗及結(jié)果分析

依據(jù)微帶天線理論，陣元長度b的大小將影響天線的中心頻點。如圖4 所示，天線的諧振頻點隨b的變化而變化。當(dāng)b=90 mm 時，天線的諧振頻率為1.45 GHz；當(dāng)b=85 mm時，天線的諧振頻率為1.52 GHz；當(dāng)b=95 mm 時，天線的諧振頻率為1.39 GHz，所以貼片的寬度b=95 為諧振頻率的最優(yōu)解。

陣元寬度a的大小將影響天線的回波損耗，圖5所示為不同長度時天線所對應(yīng)的回波損耗，a的增大和減小將會影響天線的回波損耗。當(dāng)a=90 mm 時，S11=-17 dB,當(dāng)a=94 mm時，S11=-20 dB，當(dāng)a=98 mm，S11=-25 dB。根據(jù)仿真可以看出天線的寬度可用于優(yōu)化回波損耗。

天線陣元和參考地之間通過SMA 的連接器進行饋電。所以輻射單元和反射背板之間的間距對天線性能會有很大影響，通過仿真可以看出，輻射單元和反射背板的距離不但影響諧振的頻率而且會影響天線的回波損耗。圖6 所示是輻射單元和反射背板的間距對天線諧振頻率和回波損耗的影響。當(dāng)h=12 mm 時，天線諧振頻率為1.36 GHz，S11=-25 dB。h=10 mm 時，諧振頻率為1.39 GHz，S11=-18 dB。h=8 mm 時，諧振頻率為1.39 GHz，S11=-20 dB。

圖4 天線b對諧振頻率的影響

圖5 天線a對諧振頻率的影響

圖6 距離h對天線的影響

3.2 天線陣列的仿真實驗及結(jié)果分析

由微帶天線的理論分析和仿真實驗可知，天線陣元之間的間距對天線的方向圖和增益有重大影響。為避免單元之間的互耦過大，本陣列天線間距為0.5λ～λ（λ為諧振頻率的自由空間波長）。根據(jù)仿真驗證，當(dāng)d=100 mm 時，天線增益為14.2 dBi，天線方向圖會上翹，當(dāng)d=120 mm 時，天線方向圖的主瓣會被兩個副瓣取代，方向圖失真。

經(jīng)過仿真優(yōu)化，當(dāng)d=106 mm 時，對陣列天線進行分析，其輸入回波損耗曲線如圖7 所示，在1.41～1.46 GHz 頻率范圍內(nèi)，頻帶內(nèi)滿足S11 小于-10 dB，實際帶寬50 MHz，天線增益15.7 dBi，該陣列天線方向圖如圖8 所示，具有良好的寬帶特性和增益特性。

圖7 陣列天線回波損耗

圖8 天線E面和H面方向圖

3.3 MIMO陣列天線的仿真實驗及結(jié)果分析

根據(jù)上面的天線理論分析，對MIMO 天線進行了一定的優(yōu)化，最終得到包含1×2 個輻射單元的單天線，尺寸如圖9 所示。

圖9 單天線陣元

陣子與反射背板的距離為6 mm，采用SMA 型連接器進行饋電，將天線中應(yīng)用到的結(jié)構(gòu)件一起代入仿真。

最終單陣元仿真結(jié)果如圖10 和圖11 所示，其輸入回波損耗曲線如圖7 所示，在1.41～1.46 GHz 頻帶內(nèi)滿足回波損耗小于-10 dB，實際帶寬約為50 MHz，天線增益12.7 dBi，具有良好的寬帶特性和增益特性，滿足無人機數(shù)據(jù)鏈的正常應(yīng)用。

圖10 天線回波損耗

圖11 天線E面和H面方向圖

下面對雙陣元天線進行仿真，雙陣元天線引入兩個陣元天線進行排列，這里天線的間距會直接影響雙天線的合成增益，兩陣元的間距過小或者過大甚至?xí)斐筛卑甑奶Ц咭约爸靼甑陌枷輀17]，這是使用者不想得到的結(jié)果，本仿真對天線間距進行了優(yōu)化，最終得到天線間距為200 mm。

圖12 天線3D方向圖

根據(jù)理論知識可知，增加一個陣元天線的增益可增加3 dB，最終天線的仿真方向圖如圖12 所示，天線增益為15.8 dBi，對于高增益需求可按照此思路進行組陣。

4 結(jié)束語

該文設(shè)計了一個應(yīng)用于法定無人機頻段的四陣元天線陣。天線結(jié)構(gòu)均采用鋁材機械加工，降低了成本，并用三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS 對該天線陣的結(jié)構(gòu)進行了仿真優(yōu)化。該天線引入了空氣作為介質(zhì)層，具有良好的帶寬和增益特性。四陣元天線帶寬40 MHz，增益15.8 dBi，電性能和輻射特性良好，可滿足其在無人機數(shù)據(jù)鏈地面端的工程應(yīng)用。