无人机平台GPS光伏天线一体化研究

钟 豪，贾子熙，张洪溪，刘 新

(中电科蓝天科技股份有限公司临近空间事业部，天津 300384)

光伏电池已广泛应用于地面光伏、空间及临近空间领域。为了降低成本和系统复杂度，目前正在逐步探索太阳电池阵与其他功能性部件相结合的研究。由于太阳电池阵提供了大面积的平面结构，这为平面微波天线的布设提供了可能[1-7]。大规模太阳电池阵和大口径高性能天线都是太阳能无人机和卫星平台的重要支柱，太阳电池阵提供能源保证平台的长期稳定运行，大口径高性能天线是实现高速通讯和长距离探测的基础[8]。然而，传统天线因太阳电池阵的屏蔽作用，在安装时必然占据能源系统的安装面积，导致能源和载荷系统无法达到最优状态，此外，凸出的天线还会破坏无人机气动外形，影响其升阻比并降低气动效率[9]。上述问题构成了一个突出的矛盾，如果能将光伏阵列和天线阵列进行有效的一体化，实现结构和功能的融合，则将有助于实现太阳能无人机的体积比功率和质量比功率双高，从而成为提升平台综合效能的有效途径[10-12]。

本文采用光伏天线一体化技术，研制了可在GPS L1 频点[(1 575.420±1.023)MHz]工作的薄膜砷化镓太阳电池天线，与目前太阳能无人机上所用传统柔性PCB 板印刷天线相比，该光伏天线通过将电磁表面与太阳电池阵集成一体，不仅具有可见光辐射接收转换和高增益微波辐射性能，还可充分利用被传统天线占据的太阳电池阵安装面积，使无人机整体太阳电池布片率从65%提高到78%，全机发电功率提高16.7%，既满足平台供能需求，又提供通信功能，并实现微波信号接收和导航定位。

1 天线分析选型

本文针对GPS L1 频点，开展薄膜砷化镓太阳电池作为辐射主体的GNSS(global navigation satellite system，全球导航卫星系统)光伏天线一体化研究。

根据应用目标，初步规划GPS L1 频点的光伏发电与微波吸收一体化装置，主要用于实现微波信号接收、卫星搜索、导航定位。接收太阳光辐射的能量，实现光伏发电的功能，同时可接收传来的微波信号，实现微波通讯和侦察探测的功能。

本文采用缝隙天线形式设计平面光伏发电与微波吸收一体化装置。缝隙天线是在无限大、无限薄的理想导体平面上开缝所形成的天线，系统中的电磁波经缝隙向外空间辐射或外空间的电磁波经缝隙进入系统，其中理想缝隙天线结构如图1 所示。

图1 理想缝隙天线结构

缝隙的宽度远小于波长，而其长度通常为半波长，缝隙中电场方向为切向分布，电场强度垂直于缝隙的长边，并对缝隙的中点呈对称的驻波分布。它具有良好的平装结构，体积小，质量轻，易于共形。

根据电磁场的对偶原理，磁对称振子的辐射场可以直接由电对称振子的辐射场对偶得出：

式中：Em为磁偶极子电场强度；Hm为磁偶极子磁场强度；Em为缝隙中波腹处场强值；W为缝隙宽度；r为缝隙中点到远场参考点空间距离；k为传播常数；ε为空间材料介电常数；μ为空间材料磁导率；θ为俯仰角；l为一半缝隙长度；eφ为方位面单位向量。

其方向函数为：

基于上述缝隙天线的工作原理，采用光伏电池设计缝隙天线单元。使用铜箔汇流带将光伏电池连接构造封闭缝隙结构，电磁波通过光伏电池之间的缝隙向外空间辐射，从而构成的一种集成光伏电池的缝隙天线单元，如图2 所示。这种缝隙结构为实现缝隙天线提供了结构基础。通过电磁仿真软件可以确定缝隙天线中缝隙结构的尺寸，将天线缝隙尺寸要求与太阳电池阵电性能指标耦合统筹考虑，可以实现光伏天线一体化设计。

图2 太阳电池组件缝隙示意图

2 薄膜砷化镓太阳电池天线研制

2.1 光伏天线结构设计

本文设计的薄膜砷化镓太阳电池天线结构如图3 所示。天线结构分为主辐射结构、馈电结构与滤波结构三个部分。该天线包括一层2 mm 的泡沫介质。主辐射结构位于泡沫板上表面。主辐射结构由9 串太阳电池片构成，每串太阳电池片结构由40 片太阳电池片串联组成。馈电结构位于泡沫板下表面，由功分馈电网络构成。滤波结构位于泡沫板下表面，主要由滤波器与直流馈线组成，汇流带将太阳电池片并联在一起，经过垂直方向的直流馈线与下层滤波器相连，滤波器由两级串联构成。

图3 薄膜砷化镓太阳电池天线模型示意图

太阳电池天线具体尺寸如表1 所示。

表1 平面光伏天线尺寸 mm

2.1.1 主辐射结构

太阳电池天线的主辐射结构如图4 所示。太阳电池片所在介质板的整体尺寸为470 mm×1 100 mm，工作频率为1.575 GHz。所使用的泡沫介质板厚度为2 mm，相对介电常数为1.04，损耗正切值为0.002。串联后的每串太阳电池片总体尺寸为40.8 mm×939.6 mm，每两串太阳电池片之间被宽度为5 mm 的空气缝隔开。所有太阳电池串与首尾两端的汇流带以及中间的铜片共同形成了64 个“工”字缝。位于上表面汇流带分别连接太阳电池串两端，将一端作为太阳电池片的正极，另一端作为太阳电池片的负极使用，电池串在最末端的首尾处进行并联，具体尺寸如表1 所示。

图4 薄膜砷化镓太阳电池天线主辐射结构

2.1.2 馈电结构

馈电结构功分馈电网络来激励缝隙，电磁波信号通过主体传输线依次通过第一级(一分二)功分器、第二级(二分四)功分器、第三级(四分八)功分器、第四级(八分十六)功分器和第五级(十六分三十二)功分器，馈线末端采用椭圆结构且与馈线末端对侧不连接，中间存在0.2 mm 的间隔。具体结构如图5 所示，尺寸如表1 所示。

图5 薄膜砷化镓太阳电池天线馈电网络结构

2.1.3 滤波结构

滤波结构是位于泡沫板下表面的滤波器，如图6 所示。太阳电池片产生的直流电流在交流端口处可以忽略不计。位于泡沫板下表面的滤波器的作用是阻挡从上层太阳电池片传输下来的交流电流。滤波结构包含两级结构相同的滤波器，具体尺寸如表1 所示。

图6 薄膜砷化镓太阳电池天线滤波结构

2.1.4 仿真分析

采用三维电磁仿真软件ANSYS HFSS 对薄膜砷化镓太阳电池天线进行微波特性仿真分析，S-参数仿真结果如图7所示。该天线的仿真阻抗匹配|S11|＜-10 dB 的带宽在1.525～1.700 GHz，相对带宽为10.85%；覆盖了目标频段1.57～1.58 GHz。最佳匹配点位于1.58 GHz 附近，且在目标频段1.57～1.58 GHz 内，|S11|均低于-12 dB。

图7 S-参数仿真结果图

增益仿真结果如图8 所示，在1.5～1.7 GHz 频段内，天线仿真结果曲线较稳定。增益仿真结果在1.65 GHz 达到增益峰值16.6 dBi，在目标频段1.57～1.58 GHz 频段增益达到16 dBi 以上。在1.5～1.7 GHz 频段内，仿真结果增益在12.5～16.6 dBi 之间变化，平均增益为15.4 dBi；在目标1.57～1.58 GHz 频段内，仿真结果的增益波动范围在0.5 dBi 以内，在该频段内增益曲线平稳。

图8 增益仿真结果图

1.575 GHz 辐射方向仿真结果如图9 所示，从图中刻画的天线仿真结果可得方向图符合双向辐射天线的特征，主极化前向后向均匀对称，能够实现较大范围的信号覆盖，天线的E面和H 面辐射能量主要集中于法向方向，具有较好的稳定性，辐射方向图在目标频点保持了良好的方向性。

图9 辐射方向仿真结果图

2.2 光伏天线试验验证

薄膜砷化镓太阳电池天线实物如图10 所示，光伏天线由9 并40 串砷化镓太阳电池以及2 mm 厚泡沫板构成，在每串电池中以5 个电池为一组构成一个单元与相连单元间隔有金属条带，单元之间通过银箔互联，由电池单元与金属条带共围成64 个“工”字缝隙。

图10 薄膜砷化镓太阳电池天线实物

2.2.1 电性能测试

在AM1.5(1 000 W/m2，25 ℃)条件下对薄膜砷化镓太阳电池天线进行了伏安特性测试，结果如图11 所示。光伏天线开路电压为120.83 V，短路电流为0.9 A，最佳工作点电压为104.95 V，最佳工作点电流为0.84 A，最大功率为88.39 W，光电转换效率为30.69%。结果表明本文研制的光伏天线光电转化特性不受微波吸收功能影响，可正常输出直流能量。

图11 光伏天线I-V测试曲线

2.2.2 微波特性测试

将薄膜砷化镓太阳电池天线放置于测试平台位置，连接好测试系统，设置信号源频率为待测频率1.5～1.7 GHz，输出功率调至合适大小使发射天线辐射信号，接收天线在正对发射天线方向，沿待测行程线移动，并记录接收信号曲线，最后基于测试的近场数据通过算法进行近远场变换，最终得到所需的测试结果，测试场景如图12 所示。

图12 天线测试场景

S-参数测试结果如图13 所示，该天线的测试阻抗匹配带宽在1.54～1.63 GHz 和1.66～1.70 GHz，覆盖了目标频段1.57～1.58 GHz。由测试结果曲线可看出目标频段内测试阻抗匹配带宽向高频方向移动，主要由于加工误差和泡沫介质板所起的气泡导致了测试结果曲线在1.63～1.66 GHz 频段凸起上升，测试结果的最佳匹配点位于1.60 GHz 附近。造成仿真结果与测试结果不同的主要原因有：太阳电池片的加工误差、天线焊接误差、加工精度的局限和焊接接头(SMA)等等。

图13 S-参数测试结果图

增益测试结果如图14 所示，在1.5～1.7 GHz 频段内，天线增益测试结果曲线较稳定。在1.655 GHz 处达到增益峰值13.2 dBi，在目标频段1.57～1.58 GHz 内增益都达到10.8 dBi 以上。在1.5～1.7 GHz 频段内，测试结果增益在8.0～13.2 dBi 之间变化，平均增益为10.05 dBi。在1.57～1.58 GHz 频段内，测试结果的增益波动范围在10.8～11.2 dBi 以内，3 dB 增益带宽覆盖了1.57～1.58 GHz 的工作频段，且在该频段内增益曲线平稳。由于加工误差导致测试结果与仿真结果相比增益曲线整体下移。

图14 增益测试结果图

1.575 GHz 辐射方向测试结果如图15 所示，方向图符合全向天线的特征，主极化前向后向较均匀对称，能够实现较大范围的信号覆盖。该天线E 面的最大副瓣在40°左右，该天线H 面的最大副瓣在20°左右。天线的E 面和H 面辐射能量主要集中于法向方向，具有较好的稳定性，辐射方向图在目标频段保持了良好的方向性。

2.2.3 翼段户外搜星测试

为更准确真实地验证薄膜砷化镓太阳电池天线性能，本文通过将光伏天线铺装在无人机翼段开展了户外光照和搜星测试，测试场景搭建如图16 所示。伏安特性实测结果如图17 所示，测试时太阳辐照度为584 W/m2，测得光伏天线对外供能工作电压为110.97 V，工作电流为0.476 A，输出功率为52.82 W，计算得到光电转换效率为31.4%。图18 为搜星数量、卫星信号获取强度和定位结果，可以看出，光伏天线在接收太阳光辐射能量正常发电的同时，可实现对GPS、北斗、格洛纳斯、伽利略等全球定位系统的卫星进行搜索定位导航功能，能够实时显示当前位置经纬度信息、海拔高度、可用卫星数量和信号强度。

图16 薄膜砷化镓太阳电池天线户外搜星测试场景

图18 户外搜星测试结果

3 结论

本文充分利用薄膜砷化镓太阳电池阵的大口面面积，采用缝隙天线形式和结构功能一体化设计将传统的天线辐射口面和太阳电池阵合二为一，研制出可与无人机机翼赋形的薄膜砷化镓太阳电池天线，同时具备光电转化特性以及微波辐射吸收功能，户外实测光电转换效率达到31.4%，天线接收微波信号功能良好，可正常对卫星进行搜索定位导航，直流能量输出端口和微波能量输出端口相互独立工作，互不影响，实现了太阳电池和微波天线的相互协同工作，提高了无人机飞行平台内光伏发电系统和天线系统的兼容性。