一種小型化便攜式無人飛行器干擾天線

王德才，陳波，馮梅

（電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，四川成都611731）

近年來無人飛行器廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域。軍用方面的無人飛行器上載有合成孔徑雷達、電視攝像機、紅外探測器等偵察設(shè)備和一些防御性電子對抗裝備以及數(shù)字通信設(shè)備。它能區(qū)分小汽車和卡車，靜止目標(biāo)和活動目標(biāo)，還能將所獲得的目標(biāo)圖像通過衛(wèi)星通信或微波接力通信發(fā)送給作戰(zhàn)指揮中心。民用方面的無人飛行器目前在航拍、農(nóng)業(yè)、植保、微型自拍、快遞運輸、災(zāi)難救援、觀察野生動物、監(jiān)控傳染病、測繪、新聞報道、電力巡檢、救災(zāi)、影視拍攝等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。隨著無人飛行器的廣泛應(yīng)用，軍事領(lǐng)域無人機的入侵和抵近偵察、跨洲際戰(zhàn)術(shù)打擊事件越來越多，民用領(lǐng)域無人機的私人航拍、快遞運輸?shù)冗`法違規(guī)飛行，導(dǎo)致民航航班起降延誤或者取消事件越來越多，這些惡劣事件對國家安全和民航安全造成了嚴(yán)重的影響[1]。

為了有效應(yīng)對上述無人機的違法違規(guī)飛行，且便于單兵或者個人攜帶，亟需一種小型化便攜式的無人飛行器干擾機。本文設(shè)計了一種小型化便攜式無人飛行器干擾機的天線，整機由3個天線組成，分別工作于 1575.42±1.023 MHz、2.4～2.5 GHz、5.6～5.8 GHz頻段。每個天線形式為微帶準(zhǔn)八木，有源振子為蝶形偶極子，共面波導(dǎo)的接地板作為反射振子。兩個小天線印制在同一塊介質(zhì)基板上，與大天線正對平行。3個天線共口徑垂直安裝在金屬板上。天線整體尺寸為199 mm×154 mm×82 mm，將金屬銅印制在1 mm厚的介質(zhì)基板上，體積小，重量輕非常適合單兵或者個人攜帶。

1　天線設(shè)計

1.1　單個天線設(shè)計

1575.42±1.023 MHz的頻段主要用于GPS導(dǎo)航定位，2.4～2.5 GHz和5.6～5.8 GHz的頻段主要用于高速局域網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙系統(tǒng)、無線USB、RFID電子標(biāo)簽和車輛無線自動識別系統(tǒng)等無線通信領(lǐng)域。1575.42 MHz的干擾天線是用來干擾無人飛行器的導(dǎo)航信號使其不能正常被導(dǎo)航飛行，2.45 GHz和5.7 GHz的干擾天線主要是干擾無線通信信號，使其不能正常的被遙控或者與地面基站通信。

干擾天線要求增益高、體積小和重量輕。傳統(tǒng)的八木天線不能滿足體積小和重量輕的要求。本文所設(shè)計的3個子天線均采用微帶準(zhǔn)八木形式[2-9]。將金屬銅印制在介質(zhì)基板的一側(cè)代替?zhèn)鹘y(tǒng)八木天線的金屬棒，另一側(cè)無金屬銅，這樣的設(shè)計可以減輕天線的重量。介質(zhì)基板的引入可以減小天線的工作波長，從而減小了天線的尺寸[10-15]。天線的有源振子采用蝶形結(jié)構(gòu)，饋電方式為共面波導(dǎo)饋電，同時將共面波導(dǎo)的接地板作為反射振子[16]。

本文所設(shè)計3個子天線均為六元微帶準(zhǔn)八木天線。八木天線由一個有源振子、一個反射器振子、四個引向器振子組成。所有的振子必須排列在同一個平面內(nèi)。設(shè)計傳統(tǒng)的八木天線時，天線各個尺寸參數(shù)的選取是有規(guī)律的，一般按表1選取。

表1　參數(shù)選擇規(guī)律

表中l(wèi)A為有源振子的長度，lR為反射器振子的長度，lD為引向器振子的長度，dR為有源振子與反射器振子之間的距離，dD為有源振子與引向器振子之間的距離。微帶準(zhǔn)八木天線可以按照表1的規(guī)律來設(shè)計，只不過將上表中的λ改為λg。由于微帶準(zhǔn)八木天線的介質(zhì)基板另一側(cè)沒有加上金屬銅，它的取值不能完全按照微帶線中的λg=λ0/εr來計算，式中εr為選取的介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)。它的取值應(yīng)該按照下列方法來計算。

一般λg會選擇靠近的值。上式中ε0為空氣的相對介電常數(shù)，εr為選取的介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)，εe為有效相對介電常數(shù)，λ0為電磁波在空氣中的波長。

根據(jù)上式的參數(shù)選擇規(guī)律選取參數(shù)并在電磁仿真軟件HFSS中建立天線的模型。模型圖如圖1所示，模型具體參數(shù)值見表2。介質(zhì)基板的材質(zhì)均為FR4，介電常數(shù)為4.4，厚度均為1 mm。

圖1　天線模型圖

1.2　天線的布局

在對各個頻段的天線設(shè)計完成后，要考慮3個天線在一個相對很小的空間內(nèi)安放，它們之間會存在互相耦合的問題?；ヱ顔栴}將會導(dǎo)致方向圖的畸變和駐波急劇變差?？梢酝ㄟ^天線之間合理的布局減小它們的互耦。

考慮到整機的體積盡量小，天線的布局方式主要有2種：2個天線共面平行放置、2個天線正對面平行放置、兩個共面平行放置一個正對面平行放置。具體的布局方式見圖2。

表2　模型參數(shù)

圖2　布局方式

分別對這3種布局方式進行HFSS模型仿真得知，它們的方向圖和駐波的變化相差不大。在考慮整機體積盡量小的前提下，選擇圖2中的第三種布局方式共面平行和正對面平行混合放置。為了盡量減小大天線的蝶形有源振子對兩個小天線的影響，對第三種布局方式進行修正，將兩個小天線分別往引向器振子方向平移?？紤]到天線要具備一定的機械強度，同時增大兩個小天線之間的隔離度，將兩個小天線印制在同一塊介質(zhì)基板上。修正后的模型見圖3，布局參數(shù)見表3。

圖3　修正后的天線整機模型圖

表3　布局參數(shù)

2　天線仿真與實測結(jié)果

圖4、圖5和圖6為仿真和測試的對比圖。仿真和實測結(jié)果吻合良好。由圖4可知，1575.42 MHz的天線在1.57 GHz到1.58 GHz頻段內(nèi)反射系數(shù)小于-15 dB，2.45 GHz的天線在 2.4 GHz到2.5 GHz頻段內(nèi)反射系數(shù)小于-9.2 dB，5.7 GHz的天線在5.6 GHz到5.8 GHz頻段內(nèi)反射系數(shù)小于-9.1 dB。由圖5和圖6可知，1575.42 MHz的天線增益達到10.3 dBi；2.45 GHz的天線增益達到9 dBi；5.7 GHz的天線增益達到10 dBi。圖7為天線的實物圖。

在書中，陸徵祥剖析了自己信奉天主教的心路歷程。他說“當(dāng)我妻子去世后，我立刻感到孤獨，我一生只在此時尋求一件東西，我求一退省時機。在退省中，我有意尋路走入仁慈天主的家中。”

圖4　回波損耗的仿真與測試對比圖

圖5　phi=0°面上增益的仿真與測試對比圖

圖6　theta=90°面上增益的仿真與測試對比圖

圖7　天線實物圖

本文設(shè)計的天線用來干擾無人飛行器的導(dǎo)航和通信信號，當(dāng)干擾信號的功率足夠大的時候，就可以將有用信號湮沒。1575.42 MHz的天線在干擾GPS信號時，由于發(fā)射機的功率很大，天線的增益為10.3 dBi，則不需要其必須為圓極化形式。2.45 GHz和5.7 GHz的干擾天線增益均在9 dBi以上，滿足實際應(yīng)用下的干擾要求。

3　結(jié)束語

文中設(shè)計了一種小型化便攜式無人飛行器干擾天線，整機由3個天線組成，分別工作于1575.42±1.023 MHz、2.4-2.5 GHz、5.6-5.8 GHz頻段。每個子天線采用共面波導(dǎo)饋電，并將其接地板作為天線的反射振子，蝶形振子結(jié)構(gòu)用來調(diào)節(jié)天線的阻抗匹配。子天線的這種設(shè)計結(jié)構(gòu)和整個天線的布局使得這種無人飛行器干擾天線體積小，重量輕，便于個人或者單兵攜帶，滿足實際應(yīng)用要求。