1. 引言
近年来，得益于性能的提升和成本的下降，无人机在军用和民用领域得到了越来越广泛的应用。为了支持无人机正常工作，无人机和地面控制台之间需要建立可靠的无线连接[1][2]。天线，作为收发信机和无线电波的中介，对于无人机的作用愈发重要[3]。近些年来，面向中型无人机应用的433 MHz天线研究受到了普遍关注[4]。相对于小型无人机常用的2.4/5.8 GHz频段，433 MHz频段可以提供更长的通信距离和更稳定的链接。但是，该频段天线的尺寸普遍较大。
无人机通信系统天线的设计普遍存在着一些限制因素。机载天线要尽可能紧凑、稳定且轻量化，以降低甚至消除其对无人机空气动力性能的影响[5]。共形天线是一种常用的机载天线形式，也是无人机天线方向的研究热门。在433 MHz频段，尺寸和带宽问题是无人机共形天线的最大挑战[6]，也正是本文提出的天线要解决的问题。
本文提出了一种共形于中型无人机尾杆的433 MHz的宽带E型贴片天线。众所周知，E型贴片天线结构简单且能够显著提升带宽[7]。然而传统的E型贴片天线的电尺寸相对较大[8]，无法直接集成到目标无人机110 mm直径的桅杆上。
本文中，我们将采用金属螺钉接地的方法，使得贴片得以“裹”在尾杆上，而不影响其宽带性能。为了提高天线结构稳定性，金属地板和贴片辐射体的材质全部选择了铝合金板，并使用六个塑料螺钉进行了固定。仿真软件 CST 的计算结果表明，该天线具有较宽的阻抗带宽，以及较为均匀的方向图。
2. 天线结构的设计与分析
2.1 结构设计
图 1 展示了所提出的共形贴片天线的结构模型。整个天线结构主要包括贴片辐射体、金属地板、短路金属钉、同轴馈线和塑料固定螺钉 5 个部分。贴片辐射体和金属地板均为厚度为 0.8 mm 的弯曲铝合金板，短路金属钉的材质为黄铜。两个金属地板通过侧边的螺丝连接，形成了一个金属桶。这个共形金属桶，既确保了无人机的空气动力学性能不受明显影响，又为外层贴片辐射体提供了较为完整的反射地板。馈电是通过固定于金属地板的一根 50 欧姆同轴线实现的。我们采用 ANSYS HFSS 进行了 433 MHz 频段的天线设计，相应的最优参数值，总结在表 1 中。
表 1 天线的尺寸表
2.2 理论分析
E 型贴片天线的带宽展宽原理，可以从电流路径的角度解释[9]。馈电位置两侧缝隙的存在，使得贴片上电流的路径发生了改变，从而带来新的谐振。而两个缝隙尺寸略有差异，导致新增谐振的工作频点有所不同。通过调整两条缝隙的深度，新增和原有谐振频点可以逐渐靠近，从而形成较宽的阻抗带宽。
图 1. 天线结构图
3. 仿真结果与分析
经过仿真优化，本文中的共形贴片天线在 433 MHz 附近实现了超过 50 MHz (403.7 –457.2 MHz , 12.43%) 的 10-dB 阻抗匹配带宽，其反射系数见图 2。图中也给出了不开槽贴片天线的反射系数，只有 4.76 % (400.2 – 418.7 MHz) 的阻抗匹配带宽。对比之下，开槽后的天线带宽是开槽前的 3 倍。本设计对应的最大增益曲线也展示在了图 2 中。在整个阻抗带宽内，天线增益均大于 1.5 dBi，最高可以达到 3.3 dBi。
图 2. 天线的反射系数和增益图
图 3 为天线在 433 MHz 的归一化方向图。由图可见，该天线在 XOY 面内近似全向辐射。虽然 YOZ 平面内的方向图有起伏，但增益较弱的角度范围有限，主要集中在0= 60°方向附近。实际安装时，可以通过旋转金属套筒，使得弱辐射方向指向天顶，从而为无人机和控制台之间提供稳定的无线连接。图 4 给出了天线总增益的二维直角坐标等高线图。由图可知，该天线在全空间范围内，只有一个增益较低区域，经过调整后可实现无人机下半空间近似均匀的无线覆盖。
图 3. 天线的归一化辐射方向图（单位：dBi）
图 4. 总增益的 2D Cartesian Contour 图
4. 结论
本文提出了一种用于中型无人机 433 MHz 通信的宽带共形贴片天线。仿真结果表明，在贴片辐射体上开槽，可以使其阻抗带宽由 18.5 MHz 提升至 53.5 MHz，完美覆盖了常用的无人机通信频段（430 – 440 MHz）。并且，该天线方向图较为均匀，可以为无人机提供稳定的无线连接。在机械性能方面，该天线结构简单、稳定且方便维护，不会给无人机的空气动力学性能带来不良影响，可以满足多数类似场景的需求。同时该天线的制造成本较低，具有良好的应用前景。
资料来源：达索官方
