一种应用于巡检无人机的低成本测控天线

任 哲，王剑飞，王 水，王大为，杨 健

（1.陕西省天然气股份有限公司，陕西西安 710016；2.西安爱生无人机技术有限公司，陕西西安 710129）

目前，工业型无人机相关技术发展迅猛，无人机已被广泛应用于线路巡检。在巡检无人机领域，使用垂直起降无人机搭载任务设备进行巡检工作是一种常用方法。巡检无人机的巡查范围通常较大，因此要求无人机的数据链系统必须保证尽可能长的通信距离。目前作用距离的实现一方面来自于数据链功率放大器的发射功率，另一方面来自于天线的增益。

现有的无人机地面测控天线多种多样，有八木天线、喇叭天线、微带天线等。其中微带天线因为轻便、美观，通常作为无人机系统的首选天线[1]。但对于传统的覆铜板微带天线，基片材料板一般由低损耗介质单面板或者双面覆铜板，低损耗介质板成本高，带宽窄，一般小于1%[2-4]。该文设计了一种中心频率为1.437 MHz（法定民用无人机数据链频段）的串馈阵列天线，降低了成本、重量、尺寸，同时拓展了带宽，满足无人机系统的应用。

1 空气微带天线结构

1.1 单元天线结构

为了拓宽天线的频带带宽，并兼顾天线重量、成本等因素，将原有的FR4 介质板材或其他低介电常数板材替换为空气，辐射单元和反射背板均替换为机械加工的铝片。辐射单元依靠螺丝和四氟乙烯支撑杆调节与反射背板的距离，调试更加灵活。辐射单元和反射背板可采用机加的1 mm 或0.5 mm 的铝片作为辐射单元，其结构如图1 所示。

图1 空气微带天线结构

该天线采用带法栏的SMA 连接器作为馈电装置，并起到支撑辐射单元的作用。在辐射贴片的正中心增加四氟乙烯螺柱，通过螺母固定辐射单元和反射背板，使辐射单元与反射背板加固，并保证辐射单元和反射背板之间的距离。参考图1，反射背板的宽度为W，长度为L；反射背板距离辐射单元的间距为h；贴片为矩形，长边为a，宽边为b；馈电探针的长度大于h。辐射天线单元采用侧馈的方式，阵列天线采用串馈的方式。

1.2 天线阵结构

以空气微带天线单元作为基础，对其馈电结构微调后组成2×2 阵列天线，其结构如图2 所示。阵列天线采用等幅同相串联馈电，阵子间距约为谐振频率的半个波长[5]。串馈阵面是二维阵，通过主馈线串联馈电到每个阵元，线阵在其馈电点处等效为一个负载，这样微带阵的主馈线方向也相当于一个线阵[5]。该方法可有效提升主瓣增益，降低副瓣增益，实现简单，调试也简单方便[6]。

图2 中阵列天线适用于频分以及单发单收的无人机数据链系统。但由于巡检无人机大多会出现因多径、遮挡、天气等因素造成飞机链路中断[7-8]，故目前数据链的趋势为MIMO（多输入多输出）体制中的双发双收体制[9-10]，此种体制优点如下：具备抗多径带来的干扰，能够提高网络带宽、传输距离以及通信的可靠性[11]。

图2 阵列天线结构图

上述天线可根据数据链系统的体制进行改进。图3 为应用于MIMO 双发双收体制的天线，含两个天线阵列，每个阵列为1×2 单元。为实现更高增益，可将图2 按照图3 形式布阵，每个阵列天线为2×2 阵元，可达到更高的增益。

图3 MIMO双收双发天线

2 天线的设计步骤

空气介质微带天线是以矩形微带贴片天线的理论作为基础。将空气作为介质，铝片作为辐射单元，调整辐射单元的尺寸以及和背板的距离可以控制谐振频率和带宽。所以在设计微带贴片天线时，必须先从基本的矩形微带贴片天线结构开始分析和设计。辐射单元宽度a的大小影响着微带天线的方向性函数、辐射电阻和输入电阻，从而影响辐射效率。长度b影响谐振频率，两阵元之间的距离会影响方向图的指向[12]。

在微带天线设计时，首先要选择合适的介质基片，根据天线设计要求的工作频率f和基片厚度h，可用式（1）设计出单元的宽度：

式（1）中，c 为光速，εr为介质基片的介电常数。

辐射单元长度一般取为λe/2，λe是等效介质的波长：

考虑到边缘缩短效应，实际的辐射单元长度L应为：

由于采用空气作为介质基片，所以上式中εr=1，可大大简化计算过程。

根据上述计算公式，在要求的无人机法定频段1 430～1 444 MHz 范围内，可以得出天线的基本参数以及天线的长度参数。

单个天线单元采用侧馈，阵列天线采用串馈，通过主馈线串联馈电到每个线阵，线阵在其馈电点处等效为一个负载[13-14]，主馈线方向相当于一个线阵，两个阵元之间加载一个阻抗匹配[15-16]。

3 仿真实验与结果分析

3.1 天线单元的仿真实验及结果分析

依据微带天线理论，阵元长度b的大小将影响天线的中心频点。如图4 所示，天线的谐振频点随b的变化而变化。当b=90 mm 时，天线的谐振频率为1.45 GHz；当b=85 mm时，天线的谐振频率为1.52 GHz；当b=95 mm 时，天线的谐振频率为1.39 GHz，所以贴片的宽度b=95 为谐振频率的最优解。

阵元宽度a的大小将影响天线的回波损耗，图5所示为不同长度时天线所对应的回波损耗，a的增大和减小将会影响天线的回波损耗。当a=90 mm 时，S11=-17 dB,当a=94 mm时，S11=-20 dB，当a=98 mm，S11=-25 dB。根据仿真可以看出天线的宽度可用于优化回波损耗。

天线阵元和参考地之间通过SMA 的连接器进行馈电。所以辐射单元和反射背板之间的间距对天线性能会有很大影响，通过仿真可以看出，辐射单元和反射背板的距离不但影响谐振的频率而且会影响天线的回波损耗。图6 所示是辐射单元和反射背板的间距对天线谐振频率和回波损耗的影响。当h=12 mm 时，天线谐振频率为1.36 GHz，S11=-25 dB。h=10 mm 时，谐振频率为1.39 GHz，S11=-18 dB。h=8 mm 时，谐振频率为1.39 GHz，S11=-20 dB。

图4 天线b对谐振频率的影响

图5 天线a对谐振频率的影响

图6 距离h对天线的影响

3.2 天线阵列的仿真实验及结果分析

由微带天线的理论分析和仿真实验可知，天线阵元之间的间距对天线的方向图和增益有重大影响。为避免单元之间的互耦过大，本阵列天线间距为0.5λ～λ（λ为谐振频率的自由空间波长）。根据仿真验证，当d=100 mm 时，天线增益为14.2 dBi，天线方向图会上翘，当d=120 mm 时，天线方向图的主瓣会被两个副瓣取代，方向图失真。

经过仿真优化，当d=106 mm 时，对阵列天线进行分析，其输入回波损耗曲线如图7 所示，在1.41～1.46 GHz 频率范围内，频带内满足S11 小于-10 dB，实际带宽50 MHz，天线增益15.7 dBi，该阵列天线方向图如图8 所示，具有良好的宽带特性和增益特性。

图7 阵列天线回波损耗

图8 天线E面和H面方向图

3.3 MIMO阵列天线的仿真实验及结果分析

根据上面的天线理论分析，对MIMO 天线进行了一定的优化，最终得到包含1×2 个辐射单元的单天线，尺寸如图9 所示。

图9 单天线阵元

阵子与反射背板的距离为6 mm，采用SMA 型连接器进行馈电，将天线中应用到的结构件一起代入仿真。

最终单阵元仿真结果如图10 和图11 所示，其输入回波损耗曲线如图7 所示，在1.41～1.46 GHz 频带内满足回波损耗小于-10 dB，实际带宽约为50 MHz，天线增益12.7 dBi，具有良好的宽带特性和增益特性，满足无人机数据链的正常应用。

图10 天线回波损耗

图11 天线E面和H面方向图

下面对双阵元天线进行仿真，双阵元天线引入两个阵元天线进行排列，这里天线的间距会直接影响双天线的合成增益，两阵元的间距过小或者过大甚至会造成副瓣的抬高以及主瓣的凹陷[17]，这是使用者不想得到的结果，本仿真对天线间距进行了优化，最终得到天线间距为200 mm。

图12 天线3D方向图

根据理论知识可知，增加一个阵元天线的增益可增加3 dB，最终天线的仿真方向图如图12 所示，天线增益为15.8 dBi，对于高增益需求可按照此思路进行组阵。

4 结束语

该文设计了一个应用于法定无人机频段的四阵元天线阵。天线结构均采用铝材机械加工，降低了成本，并用三维电磁仿真软件Ansoft HFSS 对该天线阵的结构进行了仿真优化。该天线引入了空气作为介质层，具有良好的带宽和增益特性。四阵元天线带宽40 MHz，增益15.8 dBi，电性能和辐射特性良好，可满足其在无人机数据链地面端的工程应用。