一種新型小型化寬帶無人機(jī)機(jī)載智能天線研究

孫志剛，周 越，申冀湘

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

隨著無人機(jī)系統(tǒng)性能的提高，無人機(jī)系統(tǒng)體現(xiàn)出遠(yuǎn)程、多批次、多目標(biāo)、組網(wǎng)工作的趨勢(shì)，無線信道呈現(xiàn)鏈路衰減增加、組網(wǎng)空域電磁環(huán)境復(fù)雜、機(jī)間干擾形式惡化的趨勢(shì)。在這一發(fā)展形勢(shì)下，機(jī)載全向天線無法滿足新的無人機(jī)無線鏈路性能需求，載機(jī)平臺(tái)需要具有跟蹤功能的高增益定向波束實(shí)現(xiàn)無線連接與組網(wǎng)。無人機(jī)機(jī)載環(huán)境下設(shè)備的體積重量受限，無法安裝機(jī)械掃描高增益天線系統(tǒng)，使得高增益定向波束難以在無人機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。日前ESPAR作為一種低成本電控波束天線［1］，在無線移動(dòng)領(lǐng)域得到廣泛研究，研究?jī)?nèi)容主要針對(duì)該類天線的智能算法、優(yōu)化算法以及波控方式。但是作為寬帶機(jī)載智能天線，該類型天線的寬帶設(shè)計(jì)還需要進(jìn)一步研究。本文以寬帶振子作為中心激勵(lì)振子，經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了該類型天線的寬帶特性。

1 電控?zé)o源陣列天線

電控?zé)o源陣列天線最早是受到八木天線的啟發(fā)，八木天線是在20世紀(jì)初由日本學(xué)者Yagi和Uda提出，利用寄生振子來控制天線陣的輻射方向的方法，利用此方法制成的Yagi-U da天線已經(jīng)在通信和廣播等領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。而后，美國(guó)學(xué)者哈林頓在20世紀(jì)六 、七十年代計(jì)算雷達(dá)散射截面積時(shí)首次提出來電抗加載理論［2-4］，并對(duì)其進(jìn)行了理論分析。哈林頓在《Reactively Controlled Directive Array》一文中提出電抗加載天線陣?yán)碚摚⒁云咴獔A形陣為例證明了理論的有效性。電控?zé)o源陣列天線由6個(gè)寄生振子圍繞1個(gè)中心饋電主振子組陣，通過調(diào)整寄生振子的電抗加載網(wǎng)絡(luò)的電抗值，調(diào)整陣中寄生振子的反射器與引向器的作用效果，實(shí)現(xiàn)輻射能量的定向集中，在有效提高增益的同時(shí)，較為簡(jiǎn)易地實(shí)現(xiàn)了波束指向的電控制。由于該天線系統(tǒng)以電控方式實(shí)現(xiàn)波束指向的改變，無需龐大的伺服設(shè)備，具有體積小、重量輕的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，適合無人機(jī)搭載。

此類天線的電控方式與實(shí)現(xiàn)方法，學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)［5］通過電壓控制電抗加載網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)波束連續(xù)掃描，主要采用變?nèi)莅雽?dǎo)體器件;文獻(xiàn)［6］通過開關(guān)切換不同加載電路的方法，控制的電抗加載網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)波束離散掃描，主要采用PIN半導(dǎo)體器件或者M(jìn)EMS開關(guān)。大多數(shù)研究以移動(dòng)通信系統(tǒng)作為開發(fā)背景，實(shí)現(xiàn)窄帶通信，研究?jī)?nèi)容主要集中在掃描方式、優(yōu)化算法方面。對(duì)于此類天線的展寬帶寬的研究，很少涉及，缺少有效的解決方案。ESPAR結(jié)構(gòu)天線示意圖如圖1所示。

圖1 ESPAR結(jié)構(gòu)天線

2 設(shè)備組成與寬帶工作原理

本文的研究?jī)?nèi)容涉及一種寬帶的電控?zé)o源陣列天線，天線系統(tǒng)由天線輻射機(jī)構(gòu)和監(jiān)控系統(tǒng)組成，在方位上實(shí)現(xiàn)6個(gè)60°波束覆蓋360°方位角，6個(gè)波束為時(shí)分工作，增益要求≥6 dB，工作在L波段，實(shí)現(xiàn)20%相對(duì)工作帶寬。天線系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 天線系統(tǒng)組成

天線輻射機(jī)構(gòu)由6圍1陣列天線和寄生振子電抗加載網(wǎng)絡(luò)組成，采用開關(guān)選擇加載方式，每個(gè)寄生振子饋電部位由一個(gè)單刀三擲開關(guān)選擇導(dǎo)通3種電抗加載狀態(tài)，分別為開路、短路和感容加載狀態(tài)。開路時(shí)寄生振子失效，短路時(shí)寄生振子呈現(xiàn)一定的反射器效果，但是不足以實(shí)現(xiàn)高增益，所以感容網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)引向器效果，與反射器共同實(shí)現(xiàn)高增益的波束指向。

監(jiān)控系統(tǒng)以51單片機(jī)為核心，集成PIN驅(qū)動(dòng)器和232串口驅(qū)動(dòng)器，通過MAX232串口驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)232接口互聯(lián)，接收用戶波束切換指令，并響應(yīng)指令，控制PIN驅(qū)動(dòng)器動(dòng)作，完成PIN開關(guān)的切換。

天線系統(tǒng)中寄生振子電抗加載電控功能，由電抗加載網(wǎng)絡(luò)與PIN器件驅(qū)動(dòng)器組成，電抗加載網(wǎng)絡(luò)置于天線寄生振子饋電部位，仿真與實(shí)驗(yàn)表明遠(yuǎn)離寄生振子饋電口后，加載隨傳輸線的延長(zhǎng)，會(huì)在頻域上呈現(xiàn)周期性變化，不利于實(shí)現(xiàn)寬帶加載效果。電抗加載網(wǎng)絡(luò)中的PIN開關(guān)需要較高的驅(qū)動(dòng)電流實(shí)現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)保持，PIN器件驅(qū)動(dòng)器是一種集成的PIN開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路，主要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)TTL電平信號(hào)向電流驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)換。

目前的研究大多采用傳統(tǒng)的單極天線作為中心振子對(duì)陣列進(jìn)行激勵(lì)［7］，由于單極天線固有的窄帶特性，很難實(shí)現(xiàn)陣列的工作頻帶展寬。半錐振子具有較強(qiáng)的寬帶特性，為了實(shí)現(xiàn)寬帶效果，本文中心部位饋電的主振子采用了單錐天線作為激勵(lì)，以寄生單元高度、單元間間距和加載電抗參量為優(yōu)化參量，經(jīng)過大量參數(shù)掃描、篩選和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了此類天線寬帶設(shè)計(jì)。

3 仿真結(jié)果分析

天線的研制采用了Ansys公司的電磁學(xué)計(jì)算軟件HFSS，軟件采用有限元法(FEM)進(jìn)行分析計(jì)算，具有很高的計(jì)算精度。仿真參數(shù)選取各個(gè)單元間距為0.45倍波長(zhǎng)，中心陣子為寬帶錐型陣子，振子的直徑為0.27倍波長(zhǎng)。天線仿真結(jié)果如圖3所示，實(shí)際制作天線如圖4所示。

圖3 天線仿真結(jié)果

圖4 實(shí)際制作天線

仿真結(jié)果未對(duì)駐波影響進(jìn)行歸一化，實(shí)際測(cè)試時(shí)天線駐波大于3，增加了一段微帶匹配網(wǎng)絡(luò)后，帶內(nèi)駐波≤1.6，用對(duì)比法［8］測(cè)試得到H面方向圖如圖5所示，圖中，f為中心頻率。

圖5 天線實(shí)測(cè)結(jié)果

從實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比看，實(shí)測(cè)結(jié)果的增益比仿真結(jié)果低，這來源于加載的開關(guān)電路引入的損耗和駐波損耗。指標(biāo)滿足無人機(jī)機(jī)載天線要求。

4 結(jié)束語

上述研究了一種新型的小型化無人機(jī)機(jī)載電控?zé)o源陣列天線，以單錐天線為中心振子實(shí)施寬帶激勵(lì)，優(yōu)化寄生振子的高度、間距和加載電抗值，實(shí)現(xiàn)了此類電控?zé)o源陣列天線的寬帶化。天線工作于L波段，相對(duì)帶寬22%，直徑160 mm，高度137 mm(含天線罩)，單個(gè)波束增益優(yōu)于6 dB，以232串口進(jìn)行波束控制。在功能上實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)機(jī)載的電控高增益波束與安裝小型化的需求，天線還有改進(jìn)空間，單錐天線的裝配與固定結(jié)構(gòu)復(fù)雜，下一步將以盤錐天線作為饋電激勵(lì)進(jìn)行相關(guān)研究，使該天線系統(tǒng)進(jìn)一步工程化。

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