Antennas for installation on unmanned aerial vehicles

Full Text

Введение

Широкое распространение беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) различного назначения, расширяющиеся сферы их применения и постоянно возрастающие требования к стойкости каналов связи БПЛА, в том числе к воздействию средств радиоэлектронной борьбы (РЭБ), настоятельно требуют создания новых эффективных антенных решений для аппаратуры командных радиолиний управления и полезной нагрузки. Настоящая статья посвящена краткому анализу имеющихся сведений о радиолиниях БПЛА, существующих решений в области антенн для аппаратуры командных радиолиний управления и полезной нагрузки и исследованию перспективных антенн для размещаемых на БПЛА ретрансляторов.

Радиолинии беспилотных летательных аппаратов

Современные БПЛА в большинстве случаев решают следующие основные задачи [1; 2]:

• ведение наблюдения и разведки;
• нанесение ударов по наземным / надводным целям, самостоятельно или носимыми средствами поражения;
• постановка радиоэлектронных помех;
• целеуказание для других средств поражения, а также корректировка их применения;
• транспортировка и доставка грузов и средств в заданный район;
• ретрансляция данных между удаленными абонентами сетей связи;
• отвлечение внимания или использование их в качестве ложных воздушных целей.

Различают следующие типы БПЛА, отличающиеся конструкцией и принципом работы, взлета/посадки и назначения [3]:

• БПЛА самолетного типа;
• мультироторные БПЛА;
• БПЛА аэростатического типа;
• беспилотные конвертопланы и гибридные модели.

Внешний вид БПЛА двух из перечисленных выше типов приведен на рисунке 1.

 

Рисунок 1. БПЛА самолетного типа (а) и мультироторный (б)

 

Как было отмечено выше, основные задачи, решаемые БПЛА, достаточно многообразны.

Соответственно, система радиосвязи БПЛА представляет собой совокупность радиолиний, в которых предаются данные принципиально различного типа, уровня важности, объема, уровня криптозащиты и т.д. Для управления и обмена данными с БПЛА организуются следующие направления связи:

• направление «вверх» – организуется от пункта управления (ПУ) к БПЛА и включает в себя направление «вверх» командной радиолинии управления (КРУ) для передачи команд управления БПЛА, а также команд управления специальной аппаратурой и техническими средствами полезной нагрузки, размещенными на БПЛА;
• направление «вниз» – организуется от БПЛА к ПУ и включает в себя направление «вниз» КРУ для передачи телеметрической информации о состоянии подсистем БПЛА, специальной аппаратуры и технических средств полезной нагрузки, а также квитанций о выполнении команд управления;
• высокоскоростная линия передачи данных от специальной аппаратуры и технических средств полезной нагрузки, размещенных на БПЛА.

Вышеуказанные линии связи могут организовываться в различных частотных диапазонах, использовать различные режимы с ретрансляцией и без нее, использовать различные сигнально-кодовые конструкции, специально адаптированные под тип и важность передаваемых данных [2].

Для организации КРУ и высокоскоростной передачи телеметрии и данных на наземный ПУ используются следующие диапазоны [2]:

• УКВ (ультракороткие волны) (220-400 МГц);
• L (1,4-1,85 ГГц);
• S (2,2-2,5 ГГц);
• С (4,4-5,85 ГГц):
• Кu (15,15-15,35/14,4-14,83 ГГц).

Связь организуется в пределах прямой видимости. Для связи на дальние расстояния могут использоваться БПЛА-ретрансляторы, а также системы спутниковой связи (ССС).

При организации КРУ специальных и военных больших и средних БПЛА через ССС, как правило, используются ССС Iridium, Inmarsat, MOUS, WGS и аналогичные. Линии связи формируются в УКВ, L, X, Кu, Кa диапазонах. Для управления специальными и военными малыми БПЛА, как правило, организуется КРУ в режиме прямой видимости с наземным ПУ или с узлом ретрансляции [2]:

• в диапазонах L (1,4–1,85 ГГц), S (2,2–2,5 ГГц), С (4,4–5,85 ГГц), и Ku (15,15–15,35 / 14,4–14,83 ГГц) – основные каналы КРУ;
• в УКВ диапазоне (220–400 МГц) – резервные каналы КРУ;
• через ССС L-диапазона (1,616-1,6265 ГГц) – резервный канал КРУ, устанавливаемый опционально на отдельных БПЛА.

Антенны беспилотных летательных аппаратов

Отечественные и зарубежные разработчики и производители предлагают ряд решений антенных систем для оборудования БПЛА и ПУ, а также средств РЭБ с БПЛА, на примере которых можно оценить номенклатуру и основные тенденции [4–8].

По результатам анализа литературных источников можно выделить следующие основные типы антенн, устанавливаемых на корпус БПЛА.

Штыревые антенны. Данные антенны получили наибольшее распространение в силу простоты разработки и изготовления. Полноразмерные штыревые антенны достаточно высоки (четверть длины волны и более), поэтому достаточно часто используются укороченные антенны с концевыми емкостными нагрузками. Для улучшения аэродинамических характеристик используются обтекатели килевидной формы (рисунок 2а).

Микрополосковые антенны (рисунок 2б) обладают малой высотой (порядка нескольких мм) и могут размещаться конформно, непосредственно на корпусе БПЛА.

Спиральные антенны (рисунок 2 в, г, д) реализуют круговую поляризацию радиоволн и способны обеспечивать хорошие направленные свойства или (при снижении требований к коэффициенту усиления) быть достаточно широкополосными.

 

Рисунок 2. Примеры антенн БПЛА. Штыревые килевидные (а), конформные (б), спиральные: «леденец» (в), квадрифилярная (г), плоская (д)

 

Линейные, плоские и кольцевые антенные решетки на основе штыревых или микрополосковых излучателей. Их применение оправдано лишь на достаточно больших БПЛА.

Антенны для ретрансляторов, размещаемых на беспилотных летательных аппаратах

Как уже было отмечено выше, одной из распространенных функций аппаратуры полезной нагрузки БПЛА является ретрансляция данных между удаленными абонентами сетей связи. При этом ретрансляторы на БПЛА могут использоваться как самостоятельно, так и в составе группировки, а также в сочетании с другими средствами ретрансляции (рисунок 3) [9].

 

Рисунок 3. Ретрансляторы на БПЛА

 

В качестве антенн размещаемых на БПЛА ретрансляторов, в зависимости от диапазона рабочих частот, требований к диаграммам направленности и других тактико-технических требований, могут использоваться антенны различных упомянутых выше типов. В частности, в работе [10] приведены результаты исследований характеристик штыревых антенн, многоэлементных планарных антенн типа «перевернутое F» (Planar Inverted-F Antenna, PIFA) и кольцевой антенной решетки на основе излучателей Уда-Яги при их установке на БПЛА самолетного и мультироторного типов.

Однако, для размещения на относительно малогабаритных квадрокоптерах, включая «привязные» (с электрической силовой установкой и питанием по кабелю с земли), могут быть рекомендованы достаточно эффективные компактные решения на основе одиночных низкопрофильных излучателей PIFA и плоских спиральных излучателей.

Внешний вид предлагаемых излучающих структур приведен на рисунок 4.

 

Рисунок 4. Излучающие структуры низкопрофильной (а) и спиральной (б) антенн для ретрансляторов на БПЛА

 

Низкопрофильная антенна (рисунок 4а) представляет собой структуру PIFA с дополнительными пассивными проводниками [11]. Активный проводник возбуждается традиционным способом – вертикальным штырем, являющимся продолжением центрального проводника 50-Омной коаксиальной линии, подходящей со стороны основания. Компактность антенны открывает возможность ее использования на малогабаритных БПЛА.

Спиральная антенна (рисунок 4б) образована излучающей структурой в виде плоской двухзаходной логарифмической спирали [12]. Вход антенны – симметричный, волновое сопротивление - 200 Ом. Согласование с несимметричным трактом 50 Ом, при необходимости, осуществляется обычным способом – с помощью широкополосного трансформатора 50/200 Ом на длинных линиях с ферритовым магнитопроводом.

Расчеты основных характеристик обеих антенн проводились на основе методов и моделей, включая модель объекта установки (квадрокоптера), описанных в [10], для вариантов размещения антенн на нижней поверхности фюзеляжа квадрокоптера. Диапазоны рабочих частот были выбраны условно.

При этом для спиральной антенны рассматривались два варианта установки:

• горизонтальный (плоскость антенны параллельна нижней поверхности фюзеляжа) – для связи с корреспондентами на земле;
• вертикальный (плоскость антенны перпендикулярна нижней поверхности фюзеляжа) – для связи с корреспондентами на воздушных носителях, прежде всего – с другими БПЛА.

Излучение/прием спиральной антенной волн круговой поляризации создает дополнительные преимущества, связанные с уменьшением зависимости уровня сигналов от эффектов деполяризации на трассах распространения радиоволн.

На рисунке 5 приведена характеристика коэффициента стоячей волны напряжения (КСВН) низкопрофильной антенны, установленной на БПЛА.

 

Рисунок 5. КСВН низкопрофильной антенны на квадрокоптере

 

Ширина рабочей полосы частот относительно невелика (около 7% по уровню КСВН не более 2,0), однако вполне достаточна для ретрансляции сигналов радиосвязи и широкополосного радиодоступа.

Характеристики направленности низкопрофильной антенны, установленной на БПЛА, на частоте 2,4 ГГц приведены на рисунке 6.

 

Рисунок 6. Угломестная (а) и азимутальная (б) диаграммы направленности низкопрофильной антенны на квадрокоптере

 

В азимутальной плоскости обеспечивается диаграмма направленности, достаточно близкая к круговой, с неравномерностью около 6 дБ. Угломестная диаграмма направленности – однолепестковая, ориентированная вертикально вниз, что соответствует тактическим требованиям, соответствующим ретрансляции сигналов наземных корреспондентов. Ширина лепестка по уровню 6 дБ – примерно 90º.

На рисунке 7 приведена характеристика КСВН спиральной антенны, размещенной на квадрокоптере.

 

Рисунок 7. КСВН спиральной антенны на квадрокоптере

 

В данном случае обеспечивается согласование в широкой полосе частот (около 130% по уровню КСВН 2,0).

Характеристики направленности спиральной антенны, установленной на БПЛА горизонтально, на частоте 1 ГГц приведены на рисунке 8.

 

Рисунок 8. Угломестная (а) и азимутальная (б) диаграммы направленности спиральной антенны на квадроко- птере при горизонтальной установке

 

В азимутальной плоскости обеспечивается диаграмма направленности, близкая к круговой (неравномерность менее 2 дБ). Угломестная диаграмма направленности, как и в предыдущем случае, однолепестковая, направленная вниз. Ширина лепестка по уровню 6 дБ – примерно 100º.

При вертикальной установке спиральной антенны на БПЛА (рисунок 9) формируются характеристики направленности, необходимые для ретрансляции сигналов, поступаюших с других воздушных объектов.

 

Рисунок 9. Угломестная (а) и азимутальная (б) диаграммы направленности спиральной антенны на квадрокоптере при вертикальной установке

 

Азимутальная диаграмма направленности – двухлепестковая, поэтому для эффективного приема необходима ориентация антенны на корреспондента. Ширина каждого лепестка по уровню 6 дБ – около 90º. Соответственно, два комплекта оборудования ретрансляции с такими антеннами способны обслуживать все азимутальные направления.

Угломестная диаграмма направленности в верхней полусфере несколько «сжата» вследствие экранирующего действия корпуса БПЛА.

Следует отметить, что весьма перспективным представляется гибкое решение на основе оперативного изменения (по команде или адаптивно) ориентации спиральной антенны, с вертикальной на горизонтальную и обратно, в соответствии с тактической обстановкой.

Выводы

Проведенный анализ имеющихся сведений о радиолиниях БПЛА и существующих решений в области антенн для аппаратуры командных радиолиний управления и полезной нагрузки позволил обосновать перспективность использования низкопрофильных и спиральных антенн для ретрансляторов, размещаемых на БПЛА.

Проведенные исследования частотных и пространственных характеристик низкопрофильных и спиральных антенн при размещении на БПЛА подтвердили их достаточную эффективность.

Предложенные решения могут быть положены в основу разработки перспективных антенн для ретрансляторов, размещаемых на БПЛА.

About the authors

Konstantin V. Kotkov

Samara Innovative Enterprise of Radio Systems

Author for correspondence.
Email: kkv@siprs.ru

директор по развитию и гражданской продукции

Russian Federation, Samara

Mark A. Minkin

Samara Innovative Enterprise of Radio Systems

Email: mma@siprs.ru

Chief Researcher of the Scientific Department of 3, Doctor of Technical Sciences

Russian Federation, Samara

References

Supplementary files