近年来，无人机技术正在迅速发展。无人机被用于执行各种任务，如环境监测、农业植物保护和航空摄影，这掀起了全球研究无人机相关技术的热潮。无人机需要与地面控制人员通信。因此，无人机天线应具有水平向全向辐射方向图和垂直极化，以保证无人机在任何方向上都能接收到地面控制器发出的信号。垂直极化的天线已广泛应用于无人机上。单极子天线是无人机通信系统中常用的垂直极化天线。然而，传统的单极子天线很难沿其轴向接收和发射信号，即当无人机位于地面控制器正上方时单极子天线无法保证通信质量，特别是垂直起降应用[1]。水平极化天线为无人机的应用提供了更多的可能性。因此，对双模无人机天线进行
研究具有重要意义。
考虑到无人机的载荷和天线的气动阻力，无人机天线应具有低剖面的特点。传统的单极子天线是四分之一波长的线天线。然而，单极子天线在低频段的高度过高。例如，在 500 mhz 时，单极子天线的高度约为 150毫米，不方便安装在无人机上。采用人工磁导体结构和电磁带隙结构可以降低单极天线的高度。文献[2]提出了一种基于 amc 结构的低剖面双极化宽带全向天线。天线高度约为 0.17λ(在 1.7ghz 时为 30.6mm)。
文献[3]研究了一种基于 ebg 结构的低剖面水平极化全向天线。天线高度约为 0.1λ (5.7ghz 时为 5mm)。在[4]中，提出了一种用于无人机应用的低剖面套筒天线。通过在套筒天线的顶部加载三维圆盘锥形结构，降低了天线的整体高度。天线高度约为 0.07λ (840mhz 时为 26.6 mm)。该天线具有垂直极化辐射方向图。
文献[5]提出了一种用于无人机的三频段水平极化全向天线。天线高度约为 0.16λ (在 840.5 mhz 时为 57.7 mm)。文献[6]提出了一种工作在 2.4ghz 和 5.2ghz 的双模无人机天线。而[4]中的天线尺寸为 30.86mm 30.86 mmí1.57 mm (0.25λ 0.25λ)í0.0128λ)。为了实现垂直极化和水平极化的双模性能和低剖面，我们参考了文献[7]中天线的设计方法。文献[7]采用两个同相辐射体和一个 t 型 180°移相器来降低单极天线的高度。[7]中的天线是体天线结构，其横向和高度尺寸在 22.9 mhz 时为 150 mm × 150 mm × 50 mm。体天线结构会增加气动阻力。此外，空芯电感会使天线的稳定性下降。
本文提出了一种用于无人机通信系统的低剖面双模天线。天线由半矩形环同轴结构和套筒加载结构组成，半矩形环同轴结构垂直安装在地平面上。该天线具有两种辐射模式，模式 1 为 500 mhz 的垂直极化辐射特性，模式 2 为 588 mhz 的水平极化辐射特性。所提出的天线是一体感性加载的半矩形环结构，结构比较稳定。在第 2 节，详细讨论了天线的设计。在第 3 节，制作了天线原型并进行了测试。
2 半矩形环天线的设计与结构
2.1 低剖面双模天线的结构组成
所提出天线的三维模型在 cst studio suite 2019 中创建，如图 1 所示。详细的天线尺寸标注如图 2 所示，该天线由带套筒加载的半矩形环同轴结构和阻抗匹配网络组成。半矩形环同轴线垂直安装在接地面上。馈电同轴的内外导体与馈电点 a 连接，馈电点 a 与 sma 接头之间存在阻抗匹配网络。接地同轴的内外导体短接至地。此外，半矩形环同轴线的外导体在同轴线的中心处断裂并加载有套筒结构。图 2 是低剖面双模天线的zy 截面图。地板的尺寸为 400mm × 400 mm。馈电引脚连接到阻抗匹配网络上实现匹配。500mhz 时 l1、c 和 l2 的值分别为 142nh、19.1pf 和 2.2nh。在 580mhz 时，l1、c 和 l2的值分别为 1.2nh、7.8pf 和 4.2nh。具体的变量值如表一所示。
图 1 cst 中天线的三维模型
图 2 天线的尺寸标注
2.2 低剖面天线的工作模式 1
两个单极子天线通过λ/2 传输线连接，可以有效地作为单极天线进行辐射并降低剖面。此外，可以使用t 型 180°移相器可以代替 λ/2 传输线。图 3 为 t 型 180°移相器的电路模型。小于 λ/4 的短路传输线可以等效为电感，小于 λ/4 的开路传输线等效为电容。因此，我们用短路同轴线代替电感，用加载套筒代替电容。模式 1 的三维辐射方向图如图 5 所示。模式 1 为类单极子的辐射模式。
图 3 t 型 180°移相器的电路模型
图 4 模式 1 表面电流示意图
图 5 cst 中天线模式 1 的 3d 方向图
2.2 低剖面天线的工作模式 2
如图 6 所示，模式二的等效电容的主要作用是传导电流，而不是改变电流的相位。在半矩形环同轴线的两个垂直外导体上的电流是反向的。然后，两条同轴短路线的外导体主要参与于模式 2 的辐射。如图 6 所示，垂直辐射体上的电流反向，从而导致辐射抵消。模式 2 的三维辐射方向图如图 7 所示。模式 2 为环状天线式辐射模式。
图 6 模式 2 表面电流示意图
图 7 cst 中天线模式 2 的 3d 方向图
3 天线的加工与测试
如图 8 所示，制作了一个低剖面双模天线样机。采用半柔性射频同轴电缆，保证天线结构的稳定性。馈电点与金属板之间有厚度为 1mm 的介电套管，以避免短路。天线中间的等效电容是用铜箔胶带制作的。
图 8 制作的天线样机实物图
用阻抗匹配网络对天线进行匹配后得到|s11|的测量结果。如图 9 所示，模式 1 的|s11|测量结果与仿真结果基本一致。测量到的|s11|在 500mhz 时为-20.5db。如图 10(a)和图 10(b)所示，制作的天线在 y-z 平面和 x-y平面上的归一化辐射方向图的测量结果与仿真结果基本一致。制作的天线样机在 x-y 平面上的归一化辐射方向图由于两个垂直辐射体之间的距离具有不圆度。最大增益与最小增益之差为 0.9db。在 500mhz 时测得天线最大增益为-6.8dbi，测得天线效率为 14%。制作的天线样机在 500mhz 处具有类单极子的垂直极化。
图 9 |s11|的仿真与测试结果
图 10 模式 1 方向图的仿真与测试结果
天线工作在模式 2 时，|s11|测试结果与仿真结果如图 9 所示。|s11|测量结果与仿真结果基本一致。天线在588 mhz 时的最大增益测试值为 2.5dbi，天线效率测试值为 40%。制作的天线样机具有与小环天线相似的水平极化辐射方向图。
图 11 模式 2 方向图的仿真与测试结果
5 结论
在本文中，我们利用三维全波电磁仿真工具 cst 验证了利用半矩形环结构和感性加载结构实现两种辐射模式性能的想法，即 500 mhz 垂直极化辐射特性的模式 1 和 588 mhz 水平极化辐射特性的模式 2。天线在500 mhz 时的高度为 25.9 mm(约 0.04λ)。实测结果与模拟结果吻合较好。制作的样机在 500 mhz 处具有类单极子的辐射方向图，在 588 mhz 处具有类小环天线的辐射方向图。天线采用半柔性射频同轴电缆和体内感应负载，具有结构稳定性。提出的垂直极化和水平极化天线提高了无人机通信系统的可靠性。
资料来源：达索官方
