近年來，無人機技術(shù)正在迅速發(fā)展。無人機被用于執(zhí)行各種任務(wù)，如環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)植物保護和航空攝影，這掀起了全球研究無人機相關(guān)技術(shù)的熱潮。無人機需要與地面控制人員通信。因此，無人機天線應(yīng)具有水平向全向輻射方向圖和垂直極化，以保證無人機在任何方向上都能接收到地面控制器發(fā)出的信號。垂直極化的天線已廣泛應(yīng)用于無人機上。單極子天線是無人機通信系統(tǒng)中常用的垂直極化天線。然而，傳統(tǒng)的單極子天線很難沿其軸向接收和發(fā)射信號，即當(dāng)無人機位于地面控制器正上方時單極子天線無法保證通信質(zhì)量，特別是垂直起降應(yīng)用[1]。水平極化天線為無人機的應(yīng)用提供了更多的可能性。因此，對雙模無人機天線進行

研究具有重要意義。

 

考慮到無人機的載荷和天線的氣動阻力，無人機天線應(yīng)具有低剖面的特點。傳統(tǒng)的單極子天線是四分之一波長的線天線。然而，單極子天線在低頻段的高度過高。例如，在 500 MHz 時，單極子天線的高度約為 150毫米，不方便安裝在無人機上。采用人工磁導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和電磁帶隙結(jié)構(gòu)可以降低單極天線的高度。文獻[2]提出了一種基于 AMC 結(jié)構(gòu)的低剖面雙極化寬帶全向天線。天線高度約為 0.17λ(在 1.7GHz 時為 30.6mm)。

 

文獻[3]研究了一種基于 EBG 結(jié)構(gòu)的低剖面水平極化全向天線。天線高度約為 0.1λ (5.7GHz 時為 5mm)。在[4]中，提出了一種用于無人機應(yīng)用的低剖面套筒天線。通過在套筒天線的頂部加載三維圓盤錐形結(jié)構(gòu)，降低了天線的整體高度。天線高度約為 0.07λ (840MHz 時為 26.6 mm)。該天線具有垂直極化輻射方向圖。

 

文獻[5]提出了一種用于無人機的三頻段水平極化全向天線。天線高度約為 0.16λ (在 840.5 MHz 時為 57.7 mm)。文獻[6]提出了一種工作在 2.4GHz 和 5.2GHz 的雙模無人機天線。而[4]中的天線尺寸為 30.86mm 30.86 mmí1.57 mm (0.25λ 0.25λ)í0.0128λ)。為了實現(xiàn)垂直極化和水平極化的雙模性能和低剖面，我們參考了文獻[7]中天線的設(shè)計方法。文獻[7]采用兩個同相輻射體和一個 T 型 180°移相器來降低單極天線的高度。[7]中的天線是體天線結(jié)構(gòu)，其橫向和高度尺寸在 22.9 MHz 時為 150 mm × 150 mm × 50 mm。體天線結(jié)構(gòu)會增加氣動阻力。此外，空芯電感會使天線的穩(wěn)定性下降。

 

本文提出了一種用于無人機通信系統(tǒng)的低剖面雙模天線。天線由半矩形環(huán)同軸結(jié)構(gòu)和套筒加載結(jié)構(gòu)組成，半矩形環(huán)同軸結(jié)構(gòu)垂直安裝在地平面上。該天線具有兩種輻射模式，模式 1 為 500 MHz 的垂直極化輻射特性，模式 2 為 588 MHz 的水平極化輻射特性。所提出的天線是一體感性加載的半矩形環(huán)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。在第 2 節(jié)，詳細討論了天線的設(shè)計。在第 3 節(jié)，制作了天線原型并進行了測試。

 

2 半矩形環(huán)天線的設(shè)計與結(jié)構(gòu)

2.1 低剖面雙模天線的結(jié)構(gòu)組成

所提出天線的三維模型在 CST Studio Suite 2019 中創(chuàng)建，如圖 1 所示。詳細的天線尺寸標(biāo)注如圖 2 所示，該天線由帶套筒加載的半矩形環(huán)同軸結(jié)構(gòu)和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)組成。半矩形環(huán)同軸線垂直安裝在接地面上。饋電同軸的內(nèi)外導(dǎo)體與饋電點 A 連接，饋電點 A 與 SMA 接頭之間存在阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。接地同軸的內(nèi)外導(dǎo)體短接至地。此外，半矩形環(huán)同軸線的外導(dǎo)體在同軸線的中心處斷裂并加載有套筒結(jié)構(gòu)。圖 2 是低剖面雙模天線的ZY 截面圖。地板的尺寸為 400mm × 400 mm。饋電引腳連接到阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)匹配。500MHz 時 L1、C 和 L2 的值分別為 142nH、19.1pF 和 2.2nH。在 580MHz 時，L1、C 和 L2的值分別為 1.2nH、7.8pF 和 4.2nH。具體的變量值如表一所示。

 

 

圖 1 CST 中天線的三維模型

 

 

圖 2 天線的尺寸標(biāo)注

 

 

 

2.2 低剖面天線的工作模式 1

兩個單極子天線通過λ/2 傳輸線連接，可以有效地作為單極天線進行輻射并降低剖面。此外，可以使用T 型 180°移相器可以代替 λ/2 傳輸線。圖 3 為 T 型 180°移相器的電路模型。小于 λ/4 的短路傳輸線可以等效為電感，小于 λ/4 的開路傳輸線等效為電容。因此，我們用短路同軸線代替電感，用加載套筒代替電容。模式 1 的三維輻射方向圖如圖 5 所示。模式 1 為類單極子的輻射模式。

 

 

圖 3 T 型 180°移相器的電路模型

 

 

圖 4 模式 1 表面電流示意圖

 

 

圖 5 CST 中天線模式 1 的 3D 方向圖

 

2.2 低剖面天線的工作模式 2

如圖 6 所示，模式二的等效電容的主要作用是傳導(dǎo)電流，而不是改變電流的相位。在半矩形環(huán)同軸線的兩個垂直外導(dǎo)體上的電流是反向的。然后，兩條同軸短路線的外導(dǎo)體主要參與于模式 2 的輻射。如圖 6 所示，垂直輻射體上的電流反向，從而導(dǎo)致輻射抵消。模式 2 的三維輻射方向圖如圖 7 所示。模式 2 為環(huán)狀天線式輻射模式。

 

 

圖 6 模式 2 表面電流示意圖

 

 

圖 7 CST 中天線模式 2 的 3D 方向圖

 

3 天線的加工與測試

如圖 8 所示，制作了一個低剖面雙模天線樣機。采用半柔性射頻同軸電纜，保證天線結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。饋電點與金屬板之間有厚度為 1mm 的介電套管，以避免短路。天線中間的等效電容是用銅箔膠帶制作的。

 

 

圖 8 制作的天線樣機實物圖

 

用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)對天線進行匹配后得到|S11|的測量結(jié)果。如圖 9 所示，模式 1 的|S11|測量結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。測量到的|S11|在 500MHz 時為-20.5dB。如圖 10(a)和圖 10(b)所示，制作的天線在 y-z 平面和 x-y平面上的歸一化輻射方向圖的測量結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。制作的天線樣機在 x-y 平面上的歸一化輻射方向圖由于兩個垂直輻射體之間的距離具有不圓度。最大增益與最小增益之差為 0.9dB。在 500MHz 時測得天線最大增益為-6.8dBi，測得天線效率為 14%。制作的天線樣機在 500MHz 處具有類單極子的垂直極化。

 

 

圖 9 |S11|的仿真與測試結(jié)果

 

 

圖 10 模式 1 方向圖的仿真與測試結(jié)果

 

天線工作在模式 2 時，|S11|測試結(jié)果與仿真結(jié)果如圖 9 所示。|S11|測量結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。天線在588 MHz 時的最大增益測試值為 2.5dBi，天線效率測試值為 40%。制作的天線樣機具有與小環(huán)天線相似的水平極化輻射方向圖。

 

 

圖 11 模式 2 方向圖的仿真與測試結(jié)果

 

 

 

5 結(jié)論

在本文中，我們利用三維全波電磁仿真工具 CST 驗證了利用半矩形環(huán)結(jié)構(gòu)和感性加載結(jié)構(gòu)實現(xiàn)兩種輻射模式性能的想法，即 500 MHz 垂直極化輻射特性的模式 1 和 588 MHz 水平極化輻射特性的模式 2。天線在500 MHz 時的高度為 25.9 mm(約 0.04λ)。實測結(jié)果與模擬結(jié)果吻合較好。制作的樣機在 500 MHz 處具有類單極子的輻射方向圖，在 588 MHz 處具有類小環(huán)天線的輻射方向圖。天線采用半柔性射頻同軸電纜和體內(nèi)感應(yīng)負載，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。提出的垂直極化和水平極化天線提高了無人機通信系統(tǒng)的可靠性。

 

資料來源：達索官方