一种新型双频带无人机载共形天线

徐 平,马天乙,刘 飞

(中国电子科技集团公司第二十研究所, 陕西 西安 710068)

随着人工智能、网络信息等科学技术的快速发展,作战形态发生了颠覆性的变化。智能化、网络化、小型化的无人机集群系统逐渐成为未来的作战力量[1-4]。无人机集群在工作时,需不断与地面站、集群间进行高速信息交互,为了确保通讯持续不中断,多采用垂直极化全向天线,为提升网络容量及抗干扰能力,甚至采用双信道同时工作[5-9]。

为有效利用平台的有限空间并保证通信视野,无人机天线需具有低剖面、小型化的特点。传统无人机天线多采用弹出式结构,占据设备舱体积的同时影响平台空气动力特性[10-16]。

为满足无人机集群通信系统的双频带、低剖面应用需求,本文提出了一种一体化机翼共形天线,为无人平台的天线加装及布局开拓了新思路。通过将宽带偶极子天线与无人机垂尾翼集成共形设计,实现辐射波束的方位面全向覆盖。此外,通过设计LC高低通双工器实现双频带同时工作,有效提升了系统性能。针对高速率传输需求的双信道无人蜂群数据链系统,仅加装1部垂尾翼共形天线,即可实现双信道同时工作,优化了平台天线布局。

天线实物测试结果验证了设计理论与分析过程的正确性,实现了双频带、机翼共形,具有良好的气动特性,可被广泛应用于各型无人机平台。

1 天线设计与分析

双频带共形天线结构如图1所示。介质基板选用F4BM材料,介电常数为3.5,规格为36 mm×124 mm,厚度为1 mm。天线由覆盖L、S频段的宽带平面偶极子天线单元和用于两路射频信号合并的双工器组成。天线单元通过同轴电缆馈电,并与双工器相连。

1.1 天线单元设计

为了实现宽带阻抗匹配,在平面印刷偶极子天线的基础上,提出了一种新型多节非对称短截线。平面双锥型的馈电端口可以在全工作频段实现良好的宽频带阻抗匹配。

天线不同频点下的表面电流分布如图2所示。辐射方向图仿真结果如图3所示。从中可以看出,天线下辐射振子的三对开路枝节,可以为天线在L和S频段提供较好的扼流效果,保证天线具备较好的偶极子辐射方向图。

(a)

(a)

1.2 LC双工器设计

基于无人机通信天线的小型化、集成共形的要求,双工器采用低剖面结构的LC形式实现L、S双频段同时工作。本文选用K-m型滤波器,满足低插损、高带外抑制要求。LC高低通双工器等效电路模型如图4所示。

图4 双工器等效电路模型Figure 4. Equivalent circuit model of combiner

对等效电路模型进行仿真优化,使双工器的性能达到最佳,得到的元器件参数如表1所示。仿真结果表明,在两个通带内,双工器的插入损耗小于1 dB,回波损耗低于-18 dB,带外抑制优于30 dBc。

表1 电路元件参数

2 测试及平台分析

为验证天线性能,加工了天线实物。图5给出了天线印制板实物以及集成共形后的天线产品整体,可以看出天线与无人机垂尾翼一体共形成型。

图5 天线实物Figure 5. Picture of fabricated antenna

由图6可以看出,在1 350～1 800 MHz和2 000～2 350 MHz内,天线实测电压驻波比小于2,两频带实测隔离度优于30 dBc,满足双频带同时工作需求。

(a)

图7给出了天线的归一化辐射方向图实测结果,可以看出天线具备较好的辐射特性。在L、S双工作频带内,实测天线增益均大于0 dBi,方位面不圆度优于±1 dB。

(a)

(a)

将天线模型整体布置于无人机平台上进行仿真分析,评估平台辐射特性。计算结果表明,天线加装后的仿真方向图全向辐射性能良好,在平台上具备较好的通信视野。

3 结束语

本文针对无人机集群通信需求,设计了一种一体化机翼共形天线。该天线采用宽带偶极子和LC高低通双工器合并实现,支持天线L、S双频带工作,并保证较高的隔离度。天线整体集成于无人机的单个垂尾翼结构内,可满足L、S双频带工作下的方位面全向覆盖。对于高速率传输需求的无人集群数据链系统,仅加装1部垂尾翼共形天线,即可支撑双频段同时工作。该设计方法为无人平台的天线加装和整体布局开拓了新思路,有效提升了无人集群系统的平台集成加装能力,并可适用于多型无人机平台。