無人機平臺GPS光伏天線一體化研究

鐘 豪，賈子熙，張洪溪，劉 新

(中電科藍天科技股份有限公司臨近空間事業(yè)部，天津 300384)

光伏電池已廣泛應用于地面光伏、空間及臨近空間領域。為了降低成本和系統(tǒng)復雜度，目前正在逐步探索太陽電池陣與其他功能性部件相結合的研究。由于太陽電池陣提供了大面積的平面結構，這為平面微波天線的布設提供了可能[1-7]。大規(guī)模太陽電池陣和大口徑高性能天線都是太陽能無人機和衛(wèi)星平臺的重要支柱，太陽電池陣提供能源保證平臺的長期穩(wěn)定運行，大口徑高性能天線是實現高速通訊和長距離探測的基礎[8]。然而，傳統(tǒng)天線因太陽電池陣的屏蔽作用，在安裝時必然占據能源系統(tǒng)的安裝面積，導致能源和載荷系統(tǒng)無法達到最優(yōu)狀態(tài)，此外，凸出的天線還會破壞無人機氣動外形，影響其升阻比并降低氣動效率[9]。上述問題構成了一個突出的矛盾，如果能將光伏陣列和天線陣列進行有效的一體化，實現結構和功能的融合，則將有助于實現太陽能無人機的體積比功率和質量比功率雙高，從而成為提升平臺綜合效能的有效途徑[10-12]。

本文采用光伏天線一體化技術，研制了可在GPS L1 頻點[(1 575.420±1.023)MHz]工作的薄膜砷化鎵太陽電池天線，與目前太陽能無人機上所用傳統(tǒng)柔性PCB 板印刷天線相比，該光伏天線通過將電磁表面與太陽電池陣集成一體，不僅具有可見光輻射接收轉換和高增益微波輻射性能，還可充分利用被傳統(tǒng)天線占據的太陽電池陣安裝面積，使無人機整體太陽電池布片率從65%提高到78%，全機發(fā)電功率提高16.7%，既滿足平臺供能需求，又提供通信功能，并實現微波信號接收和導航定位。

1 天線分析選型

本文針對GPS L1 頻點，開展薄膜砷化鎵太陽電池作為輻射主體的GNSS(global navigation satellite system，全球導航衛(wèi)星系統(tǒng))光伏天線一體化研究。

根據應用目標，初步規(guī)劃GPS L1 頻點的光伏發(fā)電與微波吸收一體化裝置，主要用于實現微波信號接收、衛(wèi)星搜索、導航定位。接收太陽光輻射的能量，實現光伏發(fā)電的功能，同時可接收傳來的微波信號，實現微波通訊和偵察探測的功能。

本文采用縫隙天線形式設計平面光伏發(fā)電與微波吸收一體化裝置。縫隙天線是在無限大、無限薄的理想導體平面上開縫所形成的天線，系統(tǒng)中的電磁波經縫隙向外空間輻射或外空間的電磁波經縫隙進入系統(tǒng)，其中理想縫隙天線結構如圖1 所示。

圖1 理想縫隙天線結構

縫隙的寬度遠小于波長，而其長度通常為半波長，縫隙中電場方向為切向分布，電場強度垂直于縫隙的長邊，并對縫隙的中點呈對稱的駐波分布。它具有良好的平裝結構，體積小，質量輕，易于共形。

根據電磁場的對偶原理，磁對稱振子的輻射場可以直接由電對稱振子的輻射場對偶得出：

式中：Em為磁偶極子電場強度；Hm為磁偶極子磁場強度；Em為縫隙中波腹處場強值；W為縫隙寬度；r為縫隙中點到遠場參考點空間距離；k為傳播常數；ε為空間材料介電常數；μ為空間材料磁導率；θ為俯仰角；l為一半縫隙長度；eφ為方位面單位向量。

其方向函數為：

基于上述縫隙天線的工作原理，采用光伏電池設計縫隙天線單元。使用銅箔匯流帶將光伏電池連接構造封閉縫隙結構，電磁波通過光伏電池之間的縫隙向外空間輻射，從而構成的一種集成光伏電池的縫隙天線單元，如圖2 所示。這種縫隙結構為實現縫隙天線提供了結構基礎。通過電磁仿真軟件可以確定縫隙天線中縫隙結構的尺寸，將天線縫隙尺寸要求與太陽電池陣電性能指標耦合統(tǒng)籌考慮，可以實現光伏天線一體化設計。

圖2 太陽電池組件縫隙示意圖

2 薄膜砷化鎵太陽電池天線研制

2.1 光伏天線結構設計

本文設計的薄膜砷化鎵太陽電池天線結構如圖3 所示。天線結構分為主輻射結構、饋電結構與濾波結構三個部分。該天線包括一層2 mm 的泡沫介質。主輻射結構位于泡沫板上表面。主輻射結構由9 串太陽電池片構成，每串太陽電池片結構由40 片太陽電池片串聯組成。饋電結構位于泡沫板下表面，由功分饋電網絡構成。濾波結構位于泡沫板下表面，主要由濾波器與直流饋線組成，匯流帶將太陽電池片并聯在一起，經過垂直方向的直流饋線與下層濾波器相連，濾波器由兩級串聯構成。

圖3 薄膜砷化鎵太陽電池天線模型示意圖

太陽電池天線具體尺寸如表1 所示。

表1 平面光伏天線尺寸 mm

2.1.1 主輻射結構

太陽電池天線的主輻射結構如圖4 所示。太陽電池片所在介質板的整體尺寸為470 mm×1 100 mm，工作頻率為1.575 GHz。所使用的泡沫介質板厚度為2 mm，相對介電常數為1.04，損耗正切值為0.002。串聯后的每串太陽電池片總體尺寸為40.8 mm×939.6 mm，每兩串太陽電池片之間被寬度為5 mm 的空氣縫隔開。所有太陽電池串與首尾兩端的匯流帶以及中間的銅片共同形成了64 個“工”字縫。位于上表面匯流帶分別連接太陽電池串兩端，將一端作為太陽電池片的正極，另一端作為太陽電池片的負極使用，電池串在最末端的首尾處進行并聯，具體尺寸如表1 所示。

圖4 薄膜砷化鎵太陽電池天線主輻射結構

2.1.2 饋電結構

饋電結構功分饋電網絡來激勵縫隙，電磁波信號通過主體傳輸線依次通過第一級(一分二)功分器、第二級(二分四)功分器、第三級(四分八)功分器、第四級(八分十六)功分器和第五級(十六分三十二)功分器，饋線末端采用橢圓結構且與饋線末端對側不連接，中間存在0.2 mm 的間隔。具體結構如圖5 所示，尺寸如表1 所示。

圖5 薄膜砷化鎵太陽電池天線饋電網絡結構

2.1.3 濾波結構

濾波結構是位于泡沫板下表面的濾波器，如圖6 所示。太陽電池片產生的直流電流在交流端口處可以忽略不計。位于泡沫板下表面的濾波器的作用是阻擋從上層太陽電池片傳輸下來的交流電流。濾波結構包含兩級結構相同的濾波器，具體尺寸如表1 所示。

圖6 薄膜砷化鎵太陽電池天線濾波結構

2.1.4 仿真分析

采用三維電磁仿真軟件ANSYS HFSS 對薄膜砷化鎵太陽電池天線進行微波特性仿真分析，S-參數仿真結果如圖7所示。該天線的仿真阻抗匹配|S11|＜-10 dB 的帶寬在1.525～1.700 GHz，相對帶寬為10.85%；覆蓋了目標頻段1.57～1.58 GHz。最佳匹配點位于1.58 GHz 附近，且在目標頻段1.57～1.58 GHz 內，|S11|均低于-12 dB。

圖7 S-參數仿真結果圖

增益仿真結果如圖8 所示，在1.5～1.7 GHz 頻段內，天線仿真結果曲線較穩(wěn)定。增益仿真結果在1.65 GHz 達到增益峰值16.6 dBi，在目標頻段1.57～1.58 GHz 頻段增益達到16 dBi 以上。在1.5～1.7 GHz 頻段內，仿真結果增益在12.5～16.6 dBi 之間變化，平均增益為15.4 dBi；在目標1.57～1.58 GHz 頻段內，仿真結果的增益波動范圍在0.5 dBi 以內，在該頻段內增益曲線平穩(wěn)。

圖8 增益仿真結果圖

1.575 GHz 輻射方向仿真結果如圖9 所示，從圖中刻畫的天線仿真結果可得方向圖符合雙向輻射天線的特征，主極化前向后向均勻對稱，能夠實現較大范圍的信號覆蓋，天線的E面和H 面輻射能量主要集中于法向方向，具有較好的穩(wěn)定性，輻射方向圖在目標頻點保持了良好的方向性。

圖9 輻射方向仿真結果圖

2.2 光伏天線試驗驗證

薄膜砷化鎵太陽電池天線實物如圖10 所示，光伏天線由9 并40 串砷化鎵太陽電池以及2 mm 厚泡沫板構成，在每串電池中以5 個電池為一組構成一個單元與相連單元間隔有金屬條帶，單元之間通過銀箔互聯，由電池單元與金屬條帶共圍成64 個“工”字縫隙。

圖10 薄膜砷化鎵太陽電池天線實物

2.2.1 電性能測試

在AM1.5(1 000 W/m2，25 ℃)條件下對薄膜砷化鎵太陽電池天線進行了伏安特性測試，結果如圖11 所示。光伏天線開路電壓為120.83 V，短路電流為0.9 A，最佳工作點電壓為104.95 V，最佳工作點電流為0.84 A，最大功率為88.39 W，光電轉換效率為30.69%。結果表明本文研制的光伏天線光電轉化特性不受微波吸收功能影響，可正常輸出直流能量。

圖11 光伏天線I-V測試曲線

2.2.2 微波特性測試

將薄膜砷化鎵太陽電池天線放置于測試平臺位置，連接好測試系統(tǒng)，設置信號源頻率為待測頻率1.5～1.7 GHz，輸出功率調至合適大小使發(fā)射天線輻射信號，接收天線在正對發(fā)射天線方向，沿待測行程線移動，并記錄接收信號曲線，最后基于測試的近場數據通過算法進行近遠場變換，最終得到所需的測試結果，測試場景如圖12 所示。

圖12 天線測試場景

S-參數測試結果如圖13 所示，該天線的測試阻抗匹配帶寬在1.54～1.63 GHz 和1.66～1.70 GHz，覆蓋了目標頻段1.57～1.58 GHz。由測試結果曲線可看出目標頻段內測試阻抗匹配帶寬向高頻方向移動，主要由于加工誤差和泡沫介質板所起的氣泡導致了測試結果曲線在1.63～1.66 GHz 頻段凸起上升，測試結果的最佳匹配點位于1.60 GHz 附近。造成仿真結果與測試結果不同的主要原因有：太陽電池片的加工誤差、天線焊接誤差、加工精度的局限和焊接接頭(SMA)等等。

圖13 S-參數測試結果圖

增益測試結果如圖14 所示，在1.5～1.7 GHz 頻段內，天線增益測試結果曲線較穩(wěn)定。在1.655 GHz 處達到增益峰值13.2 dBi，在目標頻段1.57～1.58 GHz 內增益都達到10.8 dBi 以上。在1.5～1.7 GHz 頻段內，測試結果增益在8.0～13.2 dBi 之間變化，平均增益為10.05 dBi。在1.57～1.58 GHz 頻段內，測試結果的增益波動范圍在10.8～11.2 dBi 以內，3 dB 增益帶寬覆蓋了1.57～1.58 GHz 的工作頻段，且在該頻段內增益曲線平穩(wěn)。由于加工誤差導致測試結果與仿真結果相比增益曲線整體下移。

圖14 增益測試結果圖

1.575 GHz 輻射方向測試結果如圖15 所示，方向圖符合全向天線的特征，主極化前向后向較均勻對稱，能夠實現較大范圍的信號覆蓋。該天線E 面的最大副瓣在40°左右，該天線H 面的最大副瓣在20°左右。天線的E 面和H 面輻射能量主要集中于法向方向，具有較好的穩(wěn)定性，輻射方向圖在目標頻段保持了良好的方向性。

2.2.3 翼段戶外搜星測試

為更準確真實地驗證薄膜砷化鎵太陽電池天線性能，本文通過將光伏天線鋪裝在無人機翼段開展了戶外光照和搜星測試，測試場景搭建如圖16 所示。伏安特性實測結果如圖17 所示，測試時太陽輻照度為584 W/m2，測得光伏天線對外供能工作電壓為110.97 V，工作電流為0.476 A，輸出功率為52.82 W，計算得到光電轉換效率為31.4%。圖18 為搜星數量、衛(wèi)星信號獲取強度和定位結果，可以看出，光伏天線在接收太陽光輻射能量正常發(fā)電的同時，可實現對GPS、北斗、格洛納斯、伽利略等全球定位系統(tǒng)的衛(wèi)星進行搜索定位導航功能，能夠實時顯示當前位置經緯度信息、海拔高度、可用衛(wèi)星數量和信號強度。

圖16 薄膜砷化鎵太陽電池天線戶外搜星測試場景

圖18 戶外搜星測試結果

3 結論

本文充分利用薄膜砷化鎵太陽電池陣的大口面面積，采用縫隙天線形式和結構功能一體化設計將傳統(tǒng)的天線輻射口面和太陽電池陣合二為一，研制出可與無人機機翼賦形的薄膜砷化鎵太陽電池天線，同時具備光電轉化特性以及微波輻射吸收功能，戶外實測光電轉換效率達到31.4%，天線接收微波信號功能良好，可正常對衛(wèi)星進行搜索定位導航，直流能量輸出端口和微波能量輸出端口相互獨立工作，互不影響，實現了太陽電池和微波天線的相互協(xié)同工作，提高了無人機飛行平臺內光伏發(fā)電系統(tǒng)和天線系統(tǒng)的兼容性。