基于python的無(wú)人機(jī)測(cè)向天線陣子設(shè)計(jì)方案

《零基礎(chǔ)入門智能射頻》專欄#使用Python+射頻搭建一個(gè)射頻開發(fā)架構(gòu)，將不同的軟件連接起來(lái)提供一站式服務(wù)，提供接口讓設(shè)計(jì)師更專注于業(yè)務(wù)開發(fā)，不再疲憊于學(xué)習(xí)軟件使用操作，讓人工智能與射頻來(lái)一次邂逅，將碰撞出怎樣的火花呢，拭目以待吧。 前言

多旋翼無(wú)人機(jī)具有環(huán)保、噪音小、體積小、重量輕、成本低、攜帶方便，具有速度可控、垂直起降、精準(zhǔn)懸停等優(yōu)勢(shì)，已在民用領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)在農(nóng)林植保、搶險(xiǎn)救災(zāi)、物流運(yùn)輸、安防巡檢等方面發(fā)揮了重要作用；同時(shí)在軍用領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)因擁有高空、高速、隱身、長(zhǎng)航時(shí)等特性，在戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視、情報(bào)搜集、電子偵察、指控通信、電子攻擊、火力打擊等領(lǐng)域承擔(dān)起越來(lái)越重要的任務(wù)。

與此同時(shí)，隨著各種操縱方便的遙控直升機(jī)、多旋翼飛行器日漸普及，“黑飛”無(wú)人機(jī)干擾航空秩序等意外事件頻發(fā)，對(duì)重要地域安全保衛(wèi)、治安管理等構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，引發(fā)各國(guó)對(duì)反無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的高度關(guān)注。比如，國(guó)家禁飛區(qū)域包括：所有政府機(jī)構(gòu)上空、所有軍事單位上空、政府執(zhí)法現(xiàn)場(chǎng)、火車站、汽車站廣場(chǎng)等人流密集地方、危險(xiǎn)物品工廠、倉(cāng)庫(kù)等。

雖然部分無(wú)人機(jī)企業(yè)在其產(chǎn)品中為無(wú)人機(jī)飛行劃定了禁飛區(qū)域禁止飛行，但無(wú)人機(jī)配件在網(wǎng)上買賣的門檻很低，很容易就能夠組裝一臺(tái)能夠飛行的無(wú)人機(jī)。加之多數(shù)無(wú)人機(jī)用戶在沒(méi)有經(jīng)過(guò)基礎(chǔ)的飛行及安全培訓(xùn)，就在各種禁飛區(qū)域飛無(wú)人機(jī)，影響民航安全、炸機(jī)、傷人等事件頻繁出現(xiàn)。

因此，無(wú)人機(jī)的安全防范和管控，已經(jīng)成為無(wú)人機(jī)行業(yè)的重點(diǎn)內(nèi)容。無(wú)人機(jī)探測(cè)解決方案已經(jīng)變得非常重要?？蓪?duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行無(wú)線電信號(hào)偵測(cè)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的無(wú)線電測(cè)向。

測(cè)向天線陣

無(wú)人機(jī)測(cè)向天線陣按照采用的測(cè)向接收機(jī)不同，可以分為以下兩種：

1、單通道測(cè)向天線陣 無(wú)線電測(cè)向采用天線對(duì)信號(hào)源發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行接收，有些測(cè)向技術(shù)采用的是單個(gè)天線，但是測(cè)向系統(tǒng)采用的是多陣元天線陣作為空間信號(hào)的接收設(shè)備，通過(guò)對(duì)各個(gè)陣元天線間接收到信號(hào)的處理，獲得其幅度和相位，由于幅度和相位與信號(hào)的來(lái)波方向有關(guān)，所以根據(jù)這種關(guān)系可以確定信號(hào)的來(lái)波方向。

2、雙/多通道測(cè)向天線陣

圖3 測(cè)向天線分類

無(wú)人機(jī)測(cè)向天線陣受測(cè)向系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境中物理結(jié)構(gòu)的限制，天線布陣區(qū)域常常只能在某一特定的空間內(nèi)。就干涉儀測(cè)向體制而言，常見(jiàn)的布陣形式有圖中所示幾種。

圖4 測(cè)向陣天線陣型

從上圖可知，不論測(cè)向天線陣采用哪種實(shí)現(xiàn)形式，多陣元天線陣的樣式多種多樣，如五陣元天線陣、八陣元天線陣、四陣元天線陣、環(huán)形天線陣等。不同的天線陣有不同的布局，每種天線陣的特性也是大不相同，要根據(jù)實(shí)際的需要選擇不同形式的天線陣。

無(wú)論空間譜測(cè)向還是干涉儀測(cè)向，現(xiàn)在比較成熟的是均勻天線陣，如圓陣、線陣等。

便攜式測(cè)向天線陣子設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了小型化的陣子, 為了獲取良好的寬帶匹配效果，我們借助研發(fā)的python天線自動(dòng)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，對(duì)PCB電路的各參數(shù)進(jìn)行了自動(dòng)設(shè)計(jì)。

下面是整個(gè)軟件的啟動(dòng)接口，分為四個(gè)函數(shù)模塊，分別完成天線建模、邊界條件設(shè)置、分析計(jì)算和工程保存功能。

# 天線建模

ANNT_DRAW()

# 設(shè)置邊界條件

ANNT_SETMART()

# 分析計(jì)算

ANNT_Analyze()

# 工程保存

ANNT_Save()

下圖是第一個(gè)函數(shù)完后天線建模后的模型, 從圖中可見(jiàn)，該天線陣子采用PCB電路形式實(shí)現(xiàn)偶極子天線，其在工作頻點(diǎn)處具有較寬波束和良好的50Ω匹配。陣子結(jié)構(gòu)如下，在PCB的兩面分別為饋電點(diǎn)和輻射體，輻射體的結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)較寬的波瓣。

圖5 本文的測(cè)向陣子

其工作原理與傳統(tǒng)的三角形PCB陣子相類似，可視作一種變形，當(dāng)張角2Θ較大時(shí)具有較好的寬頻特性，但其數(shù)值分析比較困難，為了實(shí)現(xiàn)天線陣子的駐波比優(yōu)于1.2，調(diào)用了python天線自動(dòng)化設(shè)計(jì)平臺(tái)的天線自動(dòng)建模模塊，由python 自主完成天線陣子模型的構(gòu)建。

# 天線自動(dòng)建模

def annt_modify():

draw_model()

result=annt_anysl()

for item in result:

if item["s11"]>-20:

changemode()

else:

break

ANNT_SETMART()函數(shù)實(shí)現(xiàn)仿真前的邊界處理，包括設(shè)置材料屬性、激勵(lì)源設(shè)置以及輻射邊界設(shè)置等。

ANNT_Analyze()函數(shù)負(fù)責(zé)天線陣子的仿真，下面是該天線陣子的特性。

其S11如下圖所示，在工作頻點(diǎn)5.8GHz處其S11達(dá)到了-25dB,即VSWR<1.2。在該處阻抗實(shí)現(xiàn)良好匹配，意味著不需要額外的阻抗轉(zhuǎn)化電路就可以實(shí)現(xiàn)50Ω的匹配，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)成本。

圖6 S11曲線

圖7是該型陣子的電流分布，從圖中可以清晰的看出該陣子的饋電方式不但實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配，同時(shí)也保證了有效饋電。

圖7 電流分布

下圖是該陣子的不圓度，其具有良好的不圓度，從而有效的保障了使用該陣子作為測(cè)向天線陣的測(cè)向準(zhǔn)確度。

圖 8 不圓度

下圖是天線陣子的方向性，陣子底部的反射板阻擋了其向后輻射，使其在H面為0度到90度。

圖9 測(cè)向陣子X(jué)-Y平面@5.8GHz

便攜式五陣元測(cè)向天線陣

基于上述的小型化天線陣元，設(shè)計(jì)了一款五陣元測(cè)向線陣，，它是將各陣元均勻等距的分布到一條直線上，陣元間隔是信號(hào)波長(zhǎng)的二分之一，各陣元間具有相同的特性，如下圖所示。

該天線陣子的特定構(gòu)型決定了其組成的天線陣具有兩種排列形式，分別如圖10和圖11 ，不同的排列方式中陣子間的寄生耦合是不同的，兩種構(gòu)型必然有一種寄生耦合影響較小，那么選哪一種適合用于無(wú)人機(jī)的測(cè)向天線陣呢，我們下一期文章再見(jiàn)。

圖10 五陣元測(cè)向線陣排列方式1

圖11 五陣元測(cè)向線陣排列方式2

編輯：黃飛

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