一种小型化便携式无人飞行器干扰天线

王德才，陈波，冯梅

（电子科技大学电子工程学院，四川成都611731）

近年来无人飞行器广泛应用于军事领域和民用领域。军用方面的无人飞行器上载有合成孔径雷达、电视摄像机、红外探测器等侦察设备和一些防御性电子对抗装备以及数字通信设备。它能区分小汽车和卡车，静止目标和活动目标，还能将所获得的目标图像通过卫星通信或微波接力通信发送给作战指挥中心。民用方面的无人飞行器目前在航拍、农业、植保、微型自拍、快递运输、灾难救援、观察野生动物、监控传染病、测绘、新闻报道、电力巡检、救灾、影视拍摄等领域有广泛的应用。随着无人飞行器的广泛应用，军事领域无人机的入侵和抵近侦察、跨洲际战术打击事件越来越多，民用领域无人机的私人航拍、快递运输等违法违规飞行，导致民航航班起降延误或者取消事件越来越多，这些恶劣事件对国家安全和民航安全造成了严重的影响[1]。

为了有效应对上述无人机的违法违规飞行，且便于单兵或者个人携带，亟需一种小型化便携式的无人飞行器干扰机。本文设计了一种小型化便携式无人飞行器干扰机的天线，整机由3个天线组成，分别工作于 1575.42±1.023 MHz、2.4～2.5 GHz、5.6～5.8 GHz频段。每个天线形式为微带准八木，有源振子为蝶形偶极子，共面波导的接地板作为反射振子。两个小天线印制在同一块介质基板上，与大天线正对平行。3个天线共口径垂直安装在金属板上。天线整体尺寸为199 mm×154 mm×82 mm，将金属铜印制在1 mm厚的介质基板上，体积小，重量轻非常适合单兵或者个人携带。

1　天线设计

1.1　单个天线设计

1575.42±1.023 MHz的频段主要用于GPS导航定位，2.4～2.5 GHz和5.6～5.8 GHz的频段主要用于高速局域网、无线传感器网络、蓝牙系统、无线USB、RFID电子标签和车辆无线自动识别系统等无线通信领域。1575.42 MHz的干扰天线是用来干扰无人飞行器的导航信号使其不能正常被导航飞行，2.45 GHz和5.7 GHz的干扰天线主要是干扰无线通信信号，使其不能正常的被遥控或者与地面基站通信。

干扰天线要求增益高、体积小和重量轻。传统的八木天线不能满足体积小和重量轻的要求。本文所设计的3个子天线均采用微带准八木形式[2-9]。将金属铜印制在介质基板的一侧代替传统八木天线的金属棒，另一侧无金属铜，这样的设计可以减轻天线的重量。介质基板的引入可以减小天线的工作波长，从而减小了天线的尺寸[10-15]。天线的有源振子采用蝶形结构，馈电方式为共面波导馈电，同时将共面波导的接地板作为反射振子[16]。

本文所设计3个子天线均为六元微带准八木天线。八木天线由一个有源振子、一个反射器振子、四个引向器振子组成。所有的振子必须排列在同一个平面内。设计传统的八木天线时，天线各个尺寸参数的选取是有规律的，一般按表1选取。

表1　参数选择规律

表中lA为有源振子的长度，lR为反射器振子的长度，lD为引向器振子的长度，dR为有源振子与反射器振子之间的距离，dD为有源振子与引向器振子之间的距离。微带准八木天线可以按照表1的规律来设计，只不过将上表中的λ改为λg。由于微带准八木天线的介质基板另一侧没有加上金属铜，它的取值不能完全按照微带线中的λg=λ0/εr来计算，式中εr为选取的介质基板的相对介电常数。它的取值应该按照下列方法来计算。

一般λg会选择靠近的值。上式中ε0为空气的相对介电常数，εr为选取的介质基板的相对介电常数，εe为有效相对介电常数，λ0为电磁波在空气中的波长。

根据上式的参数选择规律选取参数并在电磁仿真软件HFSS中建立天线的模型。模型图如图1所示，模型具体参数值见表2。介质基板的材质均为FR4，介电常数为4.4，厚度均为1 mm。

图1　天线模型图

1.2　天线的布局

在对各个频段的天线设计完成后，要考虑3个天线在一个相对很小的空间内安放，它们之间会存在互相耦合的问题。互耦问题将会导致方向图的畸变和驻波急剧变差。可以通过天线之间合理的布局减小它们的互耦。

考虑到整机的体积尽量小，天线的布局方式主要有2种：2个天线共面平行放置、2个天线正对面平行放置、两个共面平行放置一个正对面平行放置。具体的布局方式见图2。

表2　模型参数

图2　布局方式

分别对这3种布局方式进行HFSS模型仿真得知，它们的方向图和驻波的变化相差不大。在考虑整机体积尽量小的前提下，选择图2中的第三种布局方式共面平行和正对面平行混合放置。为了尽量减小大天线的蝶形有源振子对两个小天线的影响，对第三种布局方式进行修正，将两个小天线分别往引向器振子方向平移。考虑到天线要具备一定的机械强度，同时增大两个小天线之间的隔离度，将两个小天线印制在同一块介质基板上。修正后的模型见图3，布局参数见表3。

图3　修正后的天线整机模型图

表3　布局参数

2　天线仿真与实测结果

图4、图5和图6为仿真和测试的对比图。仿真和实测结果吻合良好。由图4可知，1575.42 MHz的天线在1.57 GHz到1.58 GHz频段内反射系数小于-15 dB，2.45 GHz的天线在 2.4 GHz到2.5 GHz频段内反射系数小于-9.2 dB，5.7 GHz的天线在5.6 GHz到5.8 GHz频段内反射系数小于-9.1 dB。由图5和图6可知，1575.42 MHz的天线增益达到10.3 dBi；2.45 GHz的天线增益达到9 dBi；5.7 GHz的天线增益达到10 dBi。图7为天线的实物图。

在书中，陆徵祥剖析了自己信奉天主教的心路历程。他说“当我妻子去世后，我立刻感到孤独，我一生只在此时寻求一件东西，我求一退省时机。在退省中，我有意寻路走入仁慈天主的家中。”

图4　回波损耗的仿真与测试对比图

图5　phi=0°面上增益的仿真与测试对比图

图6　theta=90°面上增益的仿真与测试对比图

图7　天线实物图

本文设计的天线用来干扰无人飞行器的导航和通信信号，当干扰信号的功率足够大的时候，就可以将有用信号湮没。1575.42 MHz的天线在干扰GPS信号时，由于发射机的功率很大，天线的增益为10.3 dBi，则不需要其必须为圆极化形式。2.45 GHz和5.7 GHz的干扰天线增益均在9 dBi以上，满足实际应用下的干扰要求。

3　结束语

文中设计了一种小型化便携式无人飞行器干扰天线，整机由3个天线组成，分别工作于1575.42±1.023 MHz、2.4-2.5 GHz、5.6-5.8 GHz频段。每个子天线采用共面波导馈电，并将其接地板作为天线的反射振子，蝶形振子结构用来调节天线的阻抗匹配。子天线的这种设计结构和整个天线的布局使得这种无人飞行器干扰天线体积小，重量轻，便于个人或者单兵携带，满足实际应用要求。