一种新型小型化宽带无人机机载智能天线研究

孙志刚，周 越，申冀湘

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081)

0 引言

随着无人机系统性能的提高，无人机系统体现出远程、多批次、多目标、组网工作的趋势，无线信道呈现链路衰减增加、组网空域电磁环境复杂、机间干扰形式恶化的趋势。在这一发展形势下，机载全向天线无法满足新的无人机无线链路性能需求，载机平台需要具有跟踪功能的高增益定向波束实现无线连接与组网。无人机机载环境下设备的体积重量受限，无法安装机械扫描高增益天线系统，使得高增益定向波束难以在无人机平台实现。日前ESPAR作为一种低成本电控波束天线［1］，在无线移动领域得到广泛研究，研究内容主要针对该类天线的智能算法、优化算法以及波控方式。但是作为宽带机载智能天线，该类型天线的宽带设计还需要进一步研究。本文以宽带振子作为中心激励振子，经过参数优化实现了该类型天线的宽带特性。

1 电控无源阵列天线

电控无源阵列天线最早是受到八木天线的启发，八木天线是在20世纪初由日本学者Yagi和Uda提出，利用寄生振子来控制天线阵的辐射方向的方法，利用此方法制成的Yagi-U da天线已经在通信和广播等领域得到了非常广泛的应用。而后，美国学者哈林顿在20世纪六 、七十年代计算雷达散射截面积时首次提出来电抗加载理论［2-4］，并对其进行了理论分析。哈林顿在《Reactively Controlled Directive Array》一文中提出电抗加载天线阵理论，并以七元圆形阵为例证明了理论的有效性。电控无源阵列天线由6个寄生振子围绕1个中心馈电主振子组阵，通过调整寄生振子的电抗加载网络的电抗值，调整阵中寄生振子的反射器与引向器的作用效果，实现辐射能量的定向集中，在有效提高增益的同时，较为简易地实现了波束指向的电控制。由于该天线系统以电控方式实现波束指向的改变，无需庞大的伺服设备，具有体积小、重量轻的结构优势，适合无人机搭载。

此类天线的电控方式与实现方法，学者进行了大量的研究。文献［5］通过电压控制电抗加载网络实现波束连续扫描，主要采用变容半导体器件;文献［6］通过开关切换不同加载电路的方法，控制的电抗加载网络实现波束离散扫描，主要采用PIN半导体器件或者MEMS开关。大多数研究以移动通信系统作为开发背景，实现窄带通信，研究内容主要集中在扫描方式、优化算法方面。对于此类天线的展宽带宽的研究，很少涉及，缺少有效的解决方案。ESPAR结构天线示意图如图1所示。

图1 ESPAR结构天线

2 设备组成与宽带工作原理

本文的研究内容涉及一种宽带的电控无源阵列天线，天线系统由天线辐射机构和监控系统组成，在方位上实现6个60°波束覆盖360°方位角，6个波束为时分工作，增益要求≥6 dB，工作在L波段，实现20%相对工作带宽。天线系统组成如图2所示。

图2 天线系统组成

天线辐射机构由6围1阵列天线和寄生振子电抗加载网络组成，采用开关选择加载方式，每个寄生振子馈电部位由一个单刀三掷开关选择导通3种电抗加载状态，分别为开路、短路和感容加载状态。开路时寄生振子失效，短路时寄生振子呈现一定的反射器效果，但是不足以实现高增益，所以感容网络实现引向器效果，与反射器共同实现高增益的波束指向。

监控系统以51单片机为核心，集成PIN驱动器和232串口驱动器，通过MAX232串口驱动器实现232接口互联，接收用户波束切换指令，并响应指令，控制PIN驱动器动作，完成PIN开关的切换。

天线系统中寄生振子电抗加载电控功能，由电抗加载网络与PIN器件驱动器组成，电抗加载网络置于天线寄生振子馈电部位，仿真与实验表明远离寄生振子馈电口后，加载随传输线的延长，会在频域上呈现周期性变化，不利于实现宽带加载效果。电抗加载网络中的PIN开关需要较高的驱动电流实现开关状态保持，PIN器件驱动器是一种集成的PIN开关驱动电路，主要实现单片机TTL电平信号向电流驱动的转换。

目前的研究大多采用传统的单极天线作为中心振子对阵列进行激励［7］，由于单极天线固有的窄带特性，很难实现阵列的工作频带展宽。半锥振子具有较强的宽带特性，为了实现宽带效果，本文中心部位馈电的主振子采用了单锥天线作为激励，以寄生单元高度、单元间间距和加载电抗参量为优化参量，经过大量参数扫描、筛选和优化，实现了此类天线宽带设计。

3 仿真结果分析

天线的研制采用了Ansys公司的电磁学计算软件HFSS，软件采用有限元法(FEM)进行分析计算，具有很高的计算精度。仿真参数选取各个单元间距为0.45倍波长，中心阵子为宽带锥型阵子，振子的直径为0.27倍波长。天线仿真结果如图3所示，实际制作天线如图4所示。

图3 天线仿真结果

图4 实际制作天线

仿真结果未对驻波影响进行归一化，实际测试时天线驻波大于3，增加了一段微带匹配网络后，带内驻波≤1.6，用对比法［8］测试得到H面方向图如图5所示，图中，f为中心频率。

图5 天线实测结果

从实测结果与仿真结果对比看，实测结果的增益比仿真结果低，这来源于加载的开关电路引入的损耗和驻波损耗。指标满足无人机机载天线要求。

4 结束语

上述研究了一种新型的小型化无人机机载电控无源阵列天线，以单锥天线为中心振子实施宽带激励，优化寄生振子的高度、间距和加载电抗值，实现了此类电控无源阵列天线的宽带化。天线工作于L波段，相对带宽22%，直径160 mm，高度137 mm(含天线罩)，单个波束增益优于6 dB，以232串口进行波束控制。在功能上实现了无人机机载的电控高增益波束与安装小型化的需求，天线还有改进空间，单锥天线的装配与固定结构复杂，下一步将以盘锥天线作为馈电激励进行相关研究，使该天线系统进一步工程化。

［1］ TAILLEFER E，CHU E，OHIRA T.ESPRIT Algorithm for a Seven-element Regular-hexagonal Shaped ESPAR Antenna［C］∥Wireless Technology，2004:153-156.

［2］ HARRINGTON R F.Reactively Controlled Directive Array［J］.IEEE Trans，1978，AP-26(3):390-395.

［3］ HARRINGTON R F.Theory of Loaded Scatterers［C］∥Proc.IEE，1964:111，617-623.

［4］ MAUTZ J R，HARRINGTON R F.Modal Analysis of Loaded N-port Scatters［J］.IEEE Trans on AP，1972，21(2):188-199.

［5］ HAN Qing，HANNA B，INAGAKI K.Mutual Impedance Extraction and Varactor Calibration Technique for ESPAR Antenna Characterization［J］，Trans on AP，2006，54(12):3 713-3 720.

［6］ KURAMOTO A，FURUYA Y.Realization and Measurements of Planar Switchable Antenna System［C］∥Microwave Conference，2006:712-728.

［7］ DIMOUSIOS T D，TSITOURI C I，PANAGIOTOU S C，et al.Design and Optimization of a Multipurpose Tri-band Electronically Steerable Passive Array Radiator(ESPAR)Antenna with Steerable-beam-pattern for Maximum Dirctionality at the Frequencies of 1.8，1.9 and 2.4 GHz with the Aid of Genetic Algorithms［C］∥ Loughborough Antennas ＆ Propagation Conference，2008:253-256.

［8］林昌禄.天线工程手册［M］.北京:电子工业出版社，2002.