文摘

小型高增益灵活无人机(UAV)天线提出了研究。拟议中的天线基本上由三部分系列的印花片,在介质衬底上蚀刻而成的。灵活的电缆是加载在介质衬底的底部。与非对称共面波导(CPW)地面饲养结构是用来提供良好的阻抗匹配。的表面电流可以达到相同的阶段直线补丁和软电缆,通过调整曲流的尺寸线,从而增加辐射增益,同时保持紧凑的大小。作为一个重要的优点突出,灵活的电缆可以大大降低天线的体积和空气动力阻力。它有一个低调的紧凑的大小为196×15×0.8毫米³(不含软电缆)。结果表明,全向增益波动在4.5±0.1 dBi所需的乐队(902 MHz - 928 MHz),这是足够高的无人机应用程序。提出了天线设计的细节和实验结果和讨论。

1。介绍

近年来,无人机(uav)的应用吸引了大量的关注领域的沟通、军事和商业市场。它们广泛用于勘探,勘查和多媒体通信。必须有可靠的地面控制单元之间的通信链路传输遥测和一架飞机。不幸的是,有一些限制,无人机的天线。首先,无人机的飞行时间很有限的由于锂电池寿命。因此,天线的体积越大,无人机上的空间占用大,风阻力越大,无人机的飞行时间短。其次,飞行距离和高度的比例是大型无人机,这决定了,必须全向天线的辐射方向图在水平面1- - - - - -5]。鉴于这些因素,天线需要有效面积小,轻微的重量,和全向辐射。

在典型的应用程序中,无人机的图像和数据传输天线需要满足传输距离超过10公里,而数据传输能力是1瓦特及其接收功率是500毫瓦。如今,高质量和高速的传输数据和图像的系统与密实度是极其重要的无人机的应用程序(6]。为提高辐射特性,一些超材料圆极化天线提出了各种几何图形(7- - - - - -9),具有高增益和紧凑的尺寸。然而,低成本、垂直极化和全向辐射覆盖方位平面单极子的无人机应用程序使他们非常有吸引力。所以,值得尝试将超材料与磁单极子天线。,各种天线应用在无人机实现所需的辐射模式。的作者(10- - - - - -15设计天线,可以实现全向辐射模式使用印刷单极子和偶极子。水平极化全向天线提出了使用分段行(16];在2.35 - -2.55 GHz的频率范围,反射系数小于−10分贝,但最大增益只有2 dBi。在报道17),虽然段环形天线体积小和全向辐射在956 MHz,低增益。卫浴等。18)设计了一种双乐队和低调的水平面与全向天线模式。在[19),0.5 - 2 GHz(电压驻波比< 3:1)叶片单极天线。然而,这种天线需要一个巨大的地平面,导致大量的总体规模。大致说来,磁单极子和偶极子天线被广泛应用于无线通信系统由于结构简单、低成本、全向辐射模式,无人机的应用程序还提供了优势。然而,大多数人很难实现小尺寸在低频段,这让他们难以集成在无人机。为了提高无人机的性能,缩小单极子天线具有高收益是非常可取的。

在这项工作中,小型无人机高增益灵活的单极天线的应用程序。辐射部分,由直线补丁,meanderline补丁和灵活的电缆,和一个紧凑的喂养网络,设计精心提供高增益全向辐射。新奇的设计是一个灵活的电缆、横截面积小和低损耗材料,取代辐射贴片的一部分,因此降低气动阻力。使用低损耗、灵活和轻量级的天线设计也是一个优势。作为一个重要的优势突出,它的最大收益是4.56 dBi,这比传统的偶极子天线,高约2.2 dBi和飞行距离可以达到约1.2倍的时间。

2。天线设计与分析

连续的半波长电流最大值相反的阶段,如果电流相等,会有完美的取消的辐射相对分阶段对当前的最大值。但是,如果当前的最大值都在阶段,辐射领域将增加,可以获得高收益。实现这一阶段逆转的方式是通过插入一个反共振的网络,使用一段时间或辐射元素比二分之一波长要短。长还是短偶极子的固有电抗然后用于定相之间的网络元素的设计来实现所需的总相移。在这个设计中,一条蜿蜒的补丁是用来作为一个反共振网络,使得同一阶段直线补丁和软电缆,以便达到高增益天线辐射。

提出无人机天线的几何形状与详细的尺寸如图1。天线的各种配置参数如下:= 15毫米,= 0.9毫米,l= 196毫米,l₁= 41.5毫米,l₂= 83毫米,l₃= 1毫米,l₄= 1.5毫米,l₅= 9.5毫米,l₆= 153毫米,一个= 27毫米,b= 5毫米,c= 1毫米,d₁= 0.95毫米,d₂= 2毫米,d₃= 1毫米,d₄= 1.3毫米。软电缆的直径是2毫米,其材料是不锈钢。多才多艺的FR-4衬底(= 0.8毫米厚度= 4.4)。

看到,天线主要由三个部分的补丁和一个灵活的电缆(如第1部分、第2部分和第3部分),其中显示共面波导(CPW)供给结构在第1部分中,由一对非对称矩形补丁。它被用来提供良好的阻抗匹配,即使它没有辐射效应作为输电线路。直线补丁和河曲线,作为第2部分和第3部分,分别位于介质衬底的顶部。在介质衬底的底部,一个槽的两面涂上金属配有软电缆。

相比微带线、共面波导(CPW)降低损失和更方便系列连接在同一衬底没有通过的洞。因此,整体设计采用不对称CPW结构为喂养和形式加强槽和矩形槽耦合,从而提高进料口之间的阻抗匹配,天线。高频结构仿真器(基于)是用来模拟设计。原型的无人机天线制造和组装。

特别是,图1(f)表明,软电缆可以弯曲时,无人驾驶飞机降落在地面上,而恢复到原来的形状,当起飞。因此,采用软电缆作为天线的结束,导致空气阻力小无人机,而辐射贴片印在介质衬底。

图2说明,提出了天线的阻抗带宽和通过改变直线的大小可以调节,而该天线的谐振频率可以调节改变曲流的尺寸线。使用作为一个例子,当它的值是1毫米,年代的性能₁₁并不理想。它有一个轻微的偏移向低端,但保持广泛的阻抗带宽。年代的性能₁₁当它的值是3毫米是最好的。然而,它的阻抗带宽很窄。随着价值的增加,天线的阻抗带宽逐渐增加。从这些情节,可以观察到的价值有一个很大的对反射系数的影响。

同样地,当meaner-line补丁的长度小,共振频率是走向高端。的价值d₂增加,天线的谐振频率逐渐向低频移动,但它的阻抗带宽和年代的性能₁₁几乎不变。可以看到它的价值d₂在共振频率有很大的影响。一组最优值可以通过优化和调优。

在915兆赫模拟电流分布如图所示3。由于蜿蜒线补丁的影响,目前有两个零分。因此,直线贴片表面电流的和灵活的电缆在同一阶段,可以大大提高全向天线增益。可变长度的曲流线补丁,电流零分的位置可以改变。时的值d₂是1毫米,一个电流零点出现在直线补丁在进料口附近,而另一个出现在蜿蜒线接近软电缆。随着值的增加,电流零点的直线补丁举措逐步代线,而另一个动作逐渐软电缆。从测量结果,提出了天线可以实现最优性能的价值d₂是2毫米。

3所示。结果和讨论

如图4仍然,天线的性能可以灵活的电缆弯曲时最优。它能运作良好,即使有一个轻微的频移。此外,立即恢复性能最优恢复到原来的形状,从而有效地降低天线的体积却保证了良好的性能。

图5描述了测量和模拟的年代₁₁该无人机的天线给出的尺寸图1。因为增加了一个小铜衬底进行调试测试期间,测量结果比模拟的。它可以实现电压驻波比小于1.22:1 (|₁₁| <−20 dB)在整个操作带宽902 MHZ∼928 MHZ。

提出无人机的测量和模拟增益天线如图6。因为实际损失大于理想状态和测量误差,测量增益略低于模拟无人机天线的增益。结果表明,提出的高增益天线达到4.56 dBi的902 MHz∼928 MHz。可以接受这个增益的天线在实际无人机的应用程序。提出无人机天线的辐射效率测量图所示7,结果表明,该天线达到高辐射效率在902 MHz∼928 MHz。

天线的测试环境图所示8。制造原型在915 MHz的辐射模式如图所示9中,可以观察到一个全向辐射模式与线性极化。尽管天线的尺寸相对较小,天线增益相当高。这表明这种天线具有良好的全向辐射特性。因此,无人机的天线可以接收信号从任何角度的水平面,因为全向辐射在水平平面。

的性能比较,提出了天线发布引用工作表1。它使用波长测量印刷电路板的大小。天线的小型化是反映在使用灵活的电缆代替辐射贴片的辐射,从而降低介质衬底的长度。从表1可以看到,该天线提供了更高的增益大小相对减少。此外,它有一个相对较小的规模。它可以得出结论,该天线与减少大小具有良好的辐射特性和一个简单的网络。

4所示。结论

在这项工作中,无人机天线小型化高增益灵活,它包含一个直线补丁,蜿蜒线,和一个灵活的电缆印在介质衬底,已经提出,制作,和测试。灵活的电缆可以弯曲时,无人驾驶飞机降落在地面上,而直接当起飞。因此,它可以大大降低整体的尺寸天线辐射性能的前提下。这是发现,通过调整直线的尺寸,天线的阻抗带宽和有效控制。

通过调整曲流的尺寸线,表面电流可以在同一阶段直线补丁和灵活的电缆,这是非常有利于生成一个与高增益全向辐射水平操作频率范围。该天线能覆盖902 MHz和电压驻波比< 1.22:1∼928 MHz。此外,天线有一个低调的341×15×0.8毫米的结构³。它的重量大约是15克。该天线是非常适合无人机的应用程序。

数据可用性

使用的数据来支持这个研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是国家重点支持的研究和发展项目,在批准号2019 yfb2205003。