基于测试源建模的无人机天线方向图测量摘要・本文介绍了安装在微型无人机（UAV）上的偶极子天线的电磁模型近 年来，这种装置已经被用作测试源，并去描述在相当大的甚高频和超高频天线的 安装条件下的辐射方向图（在地面上，用相邻元件来表征）在此框架下，测试 源的精确模型对于正确区分辐射特性与被测天线的辐射特性至关重要计算结 果验证与反射系数和方向图测量都显示非常好的一致性关键词辐射方向图测量，低频天线测量，无人驾驶飞行器平方公里阵列（SKA）是当今科学界止在开发的最大，最灵敏的射电望远镜SKAPhase 1的低频仪器将由一个全数字波束形成的阵列组成，该阵列有超过十万个 单元口］,工作频率为50到350 MHZo所有的单元将被放置在地面并覆盖上一个 金属网，这些单元被安排在一个随机疏密排列，平均间距约2米的范围内单元 的大小和高度大约为1.8米［2］这种阵列单元的性能应该在真实的安装条件下进行广泛的测试，以便确认其设计 的正确性和为射电望远镜校准阶段牛成有用的数据为此，开发了一种基于飞行 测试源的新型测量技术［3］该装置主要由安装在微型无人机（UAV）上的偶极 子天线和RF合成器馈电组成无人机能够在阵列单元的控制上执行自主飞行。
使用差分GNSS系统⑷可以准确测量其位置已经对每个单元⑸和小型子阵列［6］, ［7］进行了多种测量，在单一，嵌入和组合 阵列模式方面显示出非常好的结果在［7］中，该系统也被用来校准待测阵列的 幅度和相位根据［8］中报告里模式的结果来看，该方法的关键点之一是测试源 辐射方向图的知识（对于所合适的频率下安装在UAV上的偶极子的方向图）不 幸的是，由于非常低的工作频率（低至50MHz）,这些重要的数据不能被轻易测 量因此，如本文所述，已经对整个测试源组件进行了精确建模9计算结果已 通过测试源的反射系数测量和与简单参考天线相结合的辐射方向图测量来验证2 •无人机安装偶极子天线模型使用的无人机是基于Mikrokopter KGPS ver1.0的定制型号，具有多个金属和电 介质部件后者被忽略，因为它们非常薄，介电常数低，最重要的金属零件在图 1中被描绘铝制的六旋翼直升机展示全长大约70 emo GNSS盒的最大尺寸 约为18厘米，而其高度为2厘米合成器是12x6x5 cm3的盒子集成的巴 伦变换器安装在2.4x2x1.4 cm3的金展封装内，通过SMA连接器连接到合成 器就偶极子而言，在测试源的第一个方案中使用了两个伸缩式单极子，以便能 够调整工作频率⑶。
现在的方案由一组直径为6毫米的固定长度铝单极子组成每对应方案应在相应的工作频率下使用据了解，这种解决方案不太实用，但更 稳定图仁微型无人机的六个金属臂，射频合成器和GNSS系统的屏蔽盒和带有平衡・不平衡变 换器的偶极子整个测试源的全波分析得到了图2和图3分别报告的E和H平面辐射图正如 预期的那样，六旋翼直升机金属部件的影响可忽略不计在50MHz （点状曲线） 时（整个测试源的计算模型与偶极子一致）它们的尺寸实际上比偶极子长度小2米左右在150MHz （虚线）处，偶极长度大约0.9米长（略大于六分之一旋 翼臂）因此，后者作为导向器产生稍高于顶点方向（180度）的方向性相反，在250和350 MHz （分别为偶极长度分别为0.5米和0.36米）的较高频率时, 点划线和实线表明，六分之一直径臂和各种金屈盒的组合起到一个小地平而的作 用这增加了测试源最低点方向的方向性，在整个测量系统的信噪比方而这是更 理想的条件应该指出的是，由于结构在工作波长方面仍然非常小，所以所有的 辐射图都非常平滑Nadir angle (Deg)图2.测试源的计算的E面辐射图Nadir angle (Deg)图3.测试源的计算H面辐射图3 •实验验证测试源模型的实验验证已经在所有的符合频率上进行了反射和辐射方向图测量。
例如，图4所示，在350 MHz下运行的测试源配置的测量反射系数（实线），其 中六旋翼直升机的金属部件具有较强的影响（参见第II部分）在巴伦转换器端 口的SMA连接器上测量（参考阻抗为50Q）o S参数的仿真（虚线）包括巴伦 （Guanella型）的测量显示出非常好的一致性带有理想巴伦转换器的仿真也 用虚线表示值得注意的是，平衡器的负载效应由于其感应效应而略微降低了 谐振频率这也增加了总的损失水平 (ap)w.2oooo UOUOQUOH0 2 4 6 8 0 2 4 ■ ■ ■ ■ n n 1i"(105 0」0」5 0.2 0.25 03 0.35 0.4 0.45 0.5Frequency (GHz)图4.工作在350 MHz的测试源的反射系数：测量（实线），用巴伦（虚线）的实测S参数模拟，用理想巴伦（虚线）模拟不幸的是，由于工作频率低，测试源的辐射方向图不能在微波暗室中直接测量 其他户外设备或近场测量技术将被视为系统的未来（独立）验证到目前为止, 测试源模型已经与地面上的另一个参考天线相结合进行了验证具体来说，图5 所示，在测试源的准直线飞行期间获得的测量的接收功率（实线）的对数周期 PMM LP-02 以恒定的距地面大约70米。
应该注意的是，由于飞行高度儿乎 是恒定的，路径损耗也取决于顶角选择测试源的方位（指南针）角度以匹配地 面上参考天线的极化（共极方位）测试源路径被定义为执行E平面扫描图5 还可以看出与测试源模式相较，参考天线模式和路径损耗成比例的仿真（虚线） [3]o这两条曲线非常吻合最大差异约为0.5dBo这意味着所有仿真的组合（测 试源和参考天线模式的路径损耗（根据GNSS测量的相对距离计算），源功率 和电缆损耗）与在约50的角度范围内的测量数据一致 -405-450■55■60■56-(luCQp)7So -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50Zenith angle (deg)图5.350 MHz的E-plane接收功率模式，与测试源和被测天线模式成止比：测量（实线）和模拟（虚线）。