一種小型化便攜式無人飛行器干擾天線

王德才，陳波，馮梅

（電子科技大學電子工程學院，四川成都611731）

近年來無人飛行器廣泛應用于軍事領域和民用領域。軍用方面的無人飛行器上載有合成孔徑雷達、電視攝像機、紅外探測器等偵察設備和一些防御性電子對抗裝備以及數字通信設備。它能區(qū)分小汽車和卡車，靜止目標和活動目標，還能將所獲得的目標圖像通過衛(wèi)星通信或微波接力通信發(fā)送給作戰(zhàn)指揮中心。民用方面的無人飛行器目前在航拍、農業(yè)、植保、微型自拍、快遞運輸、災難救援、觀察野生動物、監(jiān)控傳染病、測繪、新聞報道、電力巡檢、救災、影視拍攝等領域有廣泛的應用。隨著無人飛行器的廣泛應用，軍事領域無人機的入侵和抵近偵察、跨洲際戰(zhàn)術打擊事件越來越多，民用領域無人機的私人航拍、快遞運輸等違法違規(guī)飛行，導致民航航班起降延誤或者取消事件越來越多，這些惡劣事件對國家安全和民航安全造成了嚴重的影響[1]。

為了有效應對上述無人機的違法違規(guī)飛行，且便于單兵或者個人攜帶，亟需一種小型化便攜式的無人飛行器干擾機。本文設計了一種小型化便攜式無人飛行器干擾機的天線，整機由3個天線組成，分別工作于 1575.42±1.023 MHz、2.4～2.5 GHz、5.6～5.8 GHz頻段。每個天線形式為微帶準八木，有源振子為蝶形偶極子，共面波導的接地板作為反射振子。兩個小天線印制在同一塊介質基板上，與大天線正對平行。3個天線共口徑垂直安裝在金屬板上。天線整體尺寸為199 mm×154 mm×82 mm，將金屬銅印制在1 mm厚的介質基板上，體積小，重量輕非常適合單兵或者個人攜帶。

1　天線設計

1.1　單個天線設計

1575.42±1.023 MHz的頻段主要用于GPS導航定位，2.4～2.5 GHz和5.6～5.8 GHz的頻段主要用于高速局域網、無線傳感器網絡、藍牙系統(tǒng)、無線USB、RFID電子標簽和車輛無線自動識別系統(tǒng)等無線通信領域。1575.42 MHz的干擾天線是用來干擾無人飛行器的導航信號使其不能正常被導航飛行，2.45 GHz和5.7 GHz的干擾天線主要是干擾無線通信信號，使其不能正常的被遙控或者與地面基站通信。

干擾天線要求增益高、體積小和重量輕。傳統(tǒng)的八木天線不能滿足體積小和重量輕的要求。本文所設計的3個子天線均采用微帶準八木形式[2-9]。將金屬銅印制在介質基板的一側代替?zhèn)鹘y(tǒng)八木天線的金屬棒，另一側無金屬銅，這樣的設計可以減輕天線的重量。介質基板的引入可以減小天線的工作波長，從而減小了天線的尺寸[10-15]。天線的有源振子采用蝶形結構，饋電方式為共面波導饋電，同時將共面波導的接地板作為反射振子[16]。

本文所設計3個子天線均為六元微帶準八木天線。八木天線由一個有源振子、一個反射器振子、四個引向器振子組成。所有的振子必須排列在同一個平面內。設計傳統(tǒng)的八木天線時，天線各個尺寸參數的選取是有規(guī)律的，一般按表1選取。

表1　參數選擇規(guī)律

表中l(wèi)A為有源振子的長度，lR為反射器振子的長度，lD為引向器振子的長度，dR為有源振子與反射器振子之間的距離，dD為有源振子與引向器振子之間的距離。微帶準八木天線可以按照表1的規(guī)律來設計，只不過將上表中的λ改為λg。由于微帶準八木天線的介質基板另一側沒有加上金屬銅，它的取值不能完全按照微帶線中的λg=λ0/εr來計算，式中εr為選取的介質基板的相對介電常數。它的取值應該按照下列方法來計算。

一般λg會選擇靠近的值。上式中ε0為空氣的相對介電常數，εr為選取的介質基板的相對介電常數，εe為有效相對介電常數，λ0為電磁波在空氣中的波長。

根據上式的參數選擇規(guī)律選取參數并在電磁仿真軟件HFSS中建立天線的模型。模型圖如圖1所示，模型具體參數值見表2。介質基板的材質均為FR4，介電常數為4.4，厚度均為1 mm。

圖1　天線模型圖

1.2　天線的布局

在對各個頻段的天線設計完成后，要考慮3個天線在一個相對很小的空間內安放，它們之間會存在互相耦合的問題。互耦問題將會導致方向圖的畸變和駐波急劇變差。可以通過天線之間合理的布局減小它們的互耦。

考慮到整機的體積盡量小，天線的布局方式主要有2種：2個天線共面平行放置、2個天線正對面平行放置、兩個共面平行放置一個正對面平行放置。具體的布局方式見圖2。

表2　模型參數

圖2　布局方式

分別對這3種布局方式進行HFSS模型仿真得知，它們的方向圖和駐波的變化相差不大。在考慮整機體積盡量小的前提下，選擇圖2中的第三種布局方式共面平行和正對面平行混合放置。為了盡量減小大天線的蝶形有源振子對兩個小天線的影響，對第三種布局方式進行修正，將兩個小天線分別往引向器振子方向平移。考慮到天線要具備一定的機械強度，同時增大兩個小天線之間的隔離度，將兩個小天線印制在同一塊介質基板上。修正后的模型見圖3，布局參數見表3。

圖3　修正后的天線整機模型圖

表3　布局參數

2　天線仿真與實測結果

圖4、圖5和圖6為仿真和測試的對比圖。仿真和實測結果吻合良好。由圖4可知，1575.42 MHz的天線在1.57 GHz到1.58 GHz頻段內反射系數小于-15 dB，2.45 GHz的天線在 2.4 GHz到2.5 GHz頻段內反射系數小于-9.2 dB，5.7 GHz的天線在5.6 GHz到5.8 GHz頻段內反射系數小于-9.1 dB。由圖5和圖6可知，1575.42 MHz的天線增益達到10.3 dBi；2.45 GHz的天線增益達到9 dBi；5.7 GHz的天線增益達到10 dBi。圖7為天線的實物圖。

在書中，陸徵祥剖析了自己信奉天主教的心路歷程。他說“當我妻子去世后，我立刻感到孤獨，我一生只在此時尋求一件東西，我求一退省時機。在退省中，我有意尋路走入仁慈天主的家中。”

圖4　回波損耗的仿真與測試對比圖

圖5　phi=0°面上增益的仿真與測試對比圖

圖6　theta=90°面上增益的仿真與測試對比圖

圖7　天線實物圖

本文設計的天線用來干擾無人飛行器的導航和通信信號，當干擾信號的功率足夠大的時候，就可以將有用信號湮沒。1575.42 MHz的天線在干擾GPS信號時，由于發(fā)射機的功率很大，天線的增益為10.3 dBi，則不需要其必須為圓極化形式。2.45 GHz和5.7 GHz的干擾天線增益均在9 dBi以上，滿足實際應用下的干擾要求。

3　結束語

文中設計了一種小型化便攜式無人飛行器干擾天線，整機由3個天線組成，分別工作于1575.42±1.023 MHz、2.4-2.5 GHz、5.6-5.8 GHz頻段。每個子天線采用共面波導饋電，并將其接地板作為天線的反射振子，蝶形振子結構用來調節(jié)天線的阻抗匹配。子天線的這種設計結構和整個天線的布局使得這種無人飛行器干擾天線體積小，重量輕，便于個人或者單兵攜帶，滿足實際應用要求。