一種新型雙頻帶無人機載共形天線

徐 平,馬天乙,劉 飛

(中國電子科技集團公司第二十研究所, 陜西 西安 710068)

隨著人工智能、網(wǎng)絡(luò)信息等科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,作戰(zhàn)形態(tài)發(fā)生了顛覆性的變化。智能化、網(wǎng)絡(luò)化、小型化的無人機集群系統(tǒng)逐漸成為未來的作戰(zhàn)力量[1-4]。無人機集群在工作時,需不斷與地面站、集群間進行高速信息交互,為了確保通訊持續(xù)不中斷,多采用垂直極化全向天線,為提升網(wǎng)絡(luò)容量及抗干擾能力,甚至采用雙信道同時工作[5-9]。

為有效利用平臺的有限空間并保證通信視野,無人機天線需具有低剖面、小型化的特點。傳統(tǒng)無人機天線多采用彈出式結(jié)構(gòu),占據(jù)設(shè)備艙體積的同時影響平臺空氣動力特性[10-16]。

為滿足無人機集群通信系統(tǒng)的雙頻帶、低剖面應(yīng)用需求,本文提出了一種一體化機翼共形天線,為無人平臺的天線加裝及布局開拓了新思路。通過將寬帶偶極子天線與無人機垂尾翼集成共形設(shè)計,實現(xiàn)輻射波束的方位面全向覆蓋。此外,通過設(shè)計LC高低通雙工器實現(xiàn)雙頻帶同時工作,有效提升了系統(tǒng)性能。針對高速率傳輸需求的雙信道無人蜂群數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng),僅加裝1部垂尾翼共形天線,即可實現(xiàn)雙信道同時工作,優(yōu)化了平臺天線布局。

天線實物測試結(jié)果驗證了設(shè)計理論與分析過程的正確性,實現(xiàn)了雙頻帶、機翼共形,具有良好的氣動特性,可被廣泛應(yīng)用于各型無人機平臺。

1 天線設(shè)計與分析

雙頻帶共形天線結(jié)構(gòu)如圖1所示。介質(zhì)基板選用F4BM材料,介電常數(shù)為3.5,規(guī)格為36 mm×124 mm,厚度為1 mm。天線由覆蓋L、S頻段的寬帶平面偶極子天線單元和用于兩路射頻信號合并的雙工器組成。天線單元通過同軸電纜饋電,并與雙工器相連。

1.1 天線單元設(shè)計

為了實現(xiàn)寬帶阻抗匹配,在平面印刷偶極子天線的基礎(chǔ)上,提出了一種新型多節(jié)非對稱短截線。平面雙錐型的饋電端口可以在全工作頻段實現(xiàn)良好的寬頻帶阻抗匹配。

天線不同頻點下的表面電流分布如圖2所示。輻射方向圖仿真結(jié)果如圖3所示。從中可以看出,天線下輻射振子的三對開路枝節(jié),可以為天線在L和S頻段提供較好的扼流效果,保證天線具備較好的偶極子輻射方向圖。

(a)

(a)

1.2 LC雙工器設(shè)計

基于無人機通信天線的小型化、集成共形的要求,雙工器采用低剖面結(jié)構(gòu)的LC形式實現(xiàn)L、S雙頻段同時工作。本文選用K-m型濾波器,滿足低插損、高帶外抑制要求。LC高低通雙工器等效電路模型如圖4所示。

圖4 雙工器等效電路模型Figure 4. Equivalent circuit model of combiner

對等效電路模型進行仿真優(yōu)化,使雙工器的性能達(dá)到最佳,得到的元器件參數(shù)如表1所示。仿真結(jié)果表明,在兩個通帶內(nèi),雙工器的插入損耗小于1 dB,回波損耗低于-18 dB,帶外抑制優(yōu)于30 dBc。

表1 電路元件參數(shù)

2 測試及平臺分析

為驗證天線性能,加工了天線實物。圖5給出了天線印制板實物以及集成共形后的天線產(chǎn)品整體,可以看出天線與無人機垂尾翼一體共形成型。

圖5 天線實物Figure 5. Picture of fabricated antenna

由圖6可以看出,在1 350～1 800 MHz和2 000～2 350 MHz內(nèi),天線實測電壓駐波比小于2,兩頻帶實測隔離度優(yōu)于30 dBc,滿足雙頻帶同時工作需求。

(a)

圖7給出了天線的歸一化輻射方向圖實測結(jié)果,可以看出天線具備較好的輻射特性。在L、S雙工作頻帶內(nèi),實測天線增益均大于0 dBi,方位面不圓度優(yōu)于±1 dB。

(a)

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將天線模型整體布置于無人機平臺上進行仿真分析,評估平臺輻射特性。計算結(jié)果表明,天線加裝后的仿真方向圖全向輻射性能良好,在平臺上具備較好的通信視野。

3 結(jié)束語

本文針對無人機集群通信需求,設(shè)計了一種一體化機翼共形天線。該天線采用寬帶偶極子和LC高低通雙工器合并實現(xiàn),支持天線L、S雙頻帶工作,并保證較高的隔離度。天線整體集成于無人機的單個垂尾翼結(jié)構(gòu)內(nèi),可滿足L、S雙頻帶工作下的方位面全向覆蓋。對于高速率傳輸需求的無人集群數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng),僅加裝1部垂尾翼共形天線,即可支撐雙頻段同時工作。該設(shè)計方法為無人平臺的天線加裝和整體布局開拓了新思路,有效提升了無人集群系統(tǒng)的平臺集成加裝能力,并可適用于多型無人機平臺。