Порой как труден выбор антенных систем для БПЛА, особенно сложно выбрать антенны которые можно интегрировать в элементы корпуса. 

Рассмотрим некоторые варианты

Антенна Вивальди 

 Такая антенна является разновидностью щелевых антенн и может быть выполнена из фольгированных материалов и даже встроена в элементы конструкции.  Полоса частот очень широкая и это сильно упрощает проектирование и реализацию такой антенны. Расположив две антенны ода в одной можно получить  нужную поляризацию.

Типовой график КСВН  при продольных размерах антенны около 0.7м

 Как видно из графика антенна широкополосная.

Спиральная антенна

Пример для частоты 1575мгц

-------------------------------------------------------------  

<p">Центральная частота f: 1575 МГц

Число витков спирали N: 4

Шаг намотки спирали (в длинах волн) s: 0.24 λ

-------------------------------------------------------------

Длина волны λ: 190.3 мм

Длина спирали l2: 182.7 мм

Общая длина провода lw: 783 мм

Внутренний диаметр спирали d2: 60.6 мм

Шаг спирали (между центрами) s: 45.7 мм

Диаметр провода dw: 3.8 мм

Минимальный диаметр круглого рефлектора d3: 152.3 мм

Минимальная сторона квадратного  рефлектора d3: 209.4 мм

-------------------------------------------------------------

Прибл. усиление антенны G: 8.71 dBi

Входное сопротивление антенны R: 140 Ω

Полоса частот по уровню 3дБ: 451.54 МГц

F3max : 1816.87 МГц

F3min : 1365.33 МГц

Ширина основного лепестка по уровню 3дБ ΔΦ: 53.1°

-------------------------------------------------------------

Параметры согласующей линии 140/50 Ω

-------------------------------------------------------------

Длина треугольника L: 110 мм

Высота треугольника H: 27 мм

Антенна имеет круговую поляризацию – в зависимости от направления намотки правую или левую.  Если нужна линейная поляризация, то можно ее получить включив синфазно две таких антенны.  

Спиральные антенны могут иметь множество вариантов изготовления, могут быть плоскими, коническими, многозаходными иметь директора в виде дисков. Провод для намотки так же может быть любой формы. Например, для облегчения можно выполнить намотку лентой.

Следует учитывать что в плоских и конических работают только те витки спирали размеры которых близки к расчетным  для используемой частоты

Антенна патч

Антенну можно выполнить из фольгированного материала что значительно снизит габариты, только следует помнить что для минимизации потерь нужно применять материалы предназначенные для СВЧ. Лучший вариант с воздушным диэлектриком.  Изменением конфигурации излучателя можно получить нужную поляризацию.

Например для стеклотекстолита RF4 на частоте 1575мгц

 Ширина патча W: 57.92 мм

Длина патча L: 45.16 мм

Для воздуха 

Ширина патча W: 95.17 мм

Длина патча L: 93.17 мм

Для получения большего усиления и формирования узкой диаграммы применяют директорные системы.

 

Квадрофиляр 

Позволить сформировать диаграмму направленности  без провала в зените. 

 

Эта антенна представляет собой две параллельно включенные рамки с периметром равным длине волны, следует помнить что,  рамки это симметричная антенна и для перехода на коаксиал нужно применять симметрирование. Пренебрежение к этому правилу приведет к появлению антенного эффекта фидера и искажению диаграммы. 

 

Антенна «клевер» 

Такая антенна представляет из себя несколько рамок периметром равным длине волны включенных параллельно и размещённых в пространстве под некоторым углом для получения круговой поляризации. 

 

Диаграмма направленности имеет минимум в зените.

Баночная антенна  

Антенна в виде отрезка полого круглого волновода, заглушенного с одной стороны. 

Основным его свойством является наличие так называемой критической частоты, ниже которой волна в волноводе существовать не может. Эта частота зависит исключительно от диаметра банки. Кроме того, существует верхняя рабочая частота, выше которой волновод работает, но появляются паразитные нежелательные волны, высшие моды колебаний, как их называют. Длина волны вдоль волновода больше чем в свободном пространстве.

 

Попадая в банку, волна доходит до дна и отражается от него. Отраженная волна, взаимодействуя с прямой, образует внутри банки интерференционную картину (стоячую волну). Максимум электрического поля приходится на расстоянии λg/4 от дна (λg — длина волны в волноводе). В этом месте устанавливается четвертьволновый штырь, приемный зонд, подключаемый 50-омным коаксиальным кабелем к адаптеру. Оптимальная длина самой банки 3λg/4. Это не минимальная, а именно оптимальная длина. Дело в том что волна отражается не только от дна, но и от наружного среза банки. Эта повторно отраженная волна вносит свой вклад в интерференционную картину.

 При длине банки 3λg/4, 5λg/4 и т. д. — сигнал на штыре максимален, при длине банки 2λg/4, 4λg/4 и т. д. — минимален. Т.е. банка немного короче или длиннее 3λg/4 тоже будет работать. Это надо иметь ввиду, поскольку при попытке обрезания некоторых банок, они потом разваливаются по шву. Но все же надо постараться сделать банку оптимальной длины. Ее надо обрезать немного длиннее 3λg/4 и потом за вальцевать край. 

Антенна Харченко

 

Представляет собой две рамки с периметром 1 длинна волны каждая

Существует множество вариантов этих антенн 

Дипольные антенны 

   

Классический  полуволновый диполь                        петлевой вибратор с симметрированием

На рисунке нет элементов симметрирования

Это приведет к появлению антенного эффекта фидера.                     

Разновидностей дипольных антенн великое множество,  рассмотрим основные.

Пример широкополосного диполя.

Расширение рабочей полосы частот за счет геометрии диполя.

   

Широкополосный диполь                                            Проволочный широкополосный диполь с шунтом

Для построения антенных систем с большим усилением часто применяют диполя как элементы антенных решеток.

Диэлектрические стержневые антенны

Антенны этого типа широко используются как облучатели зеркальных антенн, а также в составе плоских антенных решеток. Наибольшее распространение получили диэлектрические антенны со стержнем круглого сечения, вставленным в круглый волновод. На частотах менее 3 ГГц круглый волновод обычно возбуждается от коаксиального кабеля (рис.1.5а), на частотах выше 3 ГГц чаще используется волноводное возбуждение с плавным переходом от прямоугольного волновода к круглому (рис.1.5б). Форма диэлектрического стержня может быть цилиндрической или конусной.

Диэлектрическая антенна как антенна бегущей волны имеет максимальный КНД

 (1.6)

при оптимальном коэффициенте замедления фазовой скорости волны в стержне

 (1.7)

Антенны яги, волновой канал

Антенны этого типа очень распространены, их можно рассчитать под разное волновое сопротивление фидера, оптимизировать для наилучшего усиления или подавления, получить максимальное усиление или  широкую полосу в рабочем диапазоне

Так же на одной траверсе можно совместить антенны кратных диапазонов 

 можно так же получить любую поляризацию конструкционным способом.

Антенны можно объединять в стеки для получения большего усиления и формирования диаграммы.

Для расширения полосы применяют несколько параллельно включенных вибраторов, или логопериодическую структуру.

Логопериодические антенны

Логопериодическая антенна - широкополосная направленная антенна, работающая в десятикратном и более  диапазоне частот. По коэффициенту усилении антенна эквивалентна трех-четырехэлементной антенне «волновой канал» Фазовый центр антенны перемешается вдоль антенны и фактически работают только несколько излучателей,  размеры которых близки к оптимальным на рабочей частоте.

Фрактальные и квазифрактальные антенны

Фрактальные антенны – относительно новый класс электрически малых антенн (ЭМА), принципиально отличающийся своей геометрией от известных решений.

Такие антенны имеют несколько резонансов определяющиеся количеством и размером итераций в фрактале.

Зеркальные антенны

Зеркальная антенна — антенна, у которой электромагнитное поле в раскрыве образуется за счёт отражения электромагнитной волны от металлической поверхности специального зеркала. В качестве источника волны обычно выступает  небольшой излучатель, располагаемый в фокусе зеркала.

Антенны с диэлектрическими линзами

 

Сформировать узкую диаграмму направлености можно применив линзы из диэлектрика

Линзы похожи на  шара подобные структуры выполненные   из диэлектрика продольным размером в несколько волн и с поперечными размерами, сравнимыми с длинной волны 

Принципы работы основаны на использовании особенностей распространения радиоволн в диэлектрических средах.

 К этому классу можно отнести  линзу Люнебурга.

Основана такая линза на структуре в которой показатель преломления не является постоянным, а изменяется по некоторому закону в зависимости от расстояния от центра в сферических или от оси в цилиндрических линзах.

Эти принципы использовали для формирования диаграммы в фазированных антенных решетках еще до появления работоспособных фазовращателей.

В заключении хочу довести до читателя, что эта статья писалась как обзорная, дающая общие представления о разнообразии антенн которые можно применять как на наземной станции так и на борту БПЛА.

Наука не стоит на месте и разработки в области технологий связи и антенных систем постоянно ведутся, что бы оставаться на  «гребне волны» нужно следить за научными новостями.