старший преподаватель кафедры радиотехники Санкт-Петербургского государственного университета им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
кандидат физико-математических наук, заведующий кафедры радиотехники Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
Беспилотные летательные аппараты активно развиваются в настоящее время. Их радиотехническое оборудование также совершенствуется и ставит новые задачи перед разработчиками. Со стороны антенной техники простым решением для обеспечения связи является применение ненаправленных антенных систем, что позволяет организовывать канал связи с БПЛА с любого направления, однако такие системы обладают ограниченной дальностью связи. Актуальной задачей является увеличение дальности работы линий связи с использованием беспилотных летательных аппаратов с сохранением возможности организации канала с любого направления. В первую очередь увеличение дальности может быть достигнуто путем использования направленных антенных систем, однако оно ограничено особенностями применения беспилотных летательных аппаратов. Несмотря на то, что во многих исследованиях рассматривается создание антенных решеток с широким диапазоном углов сканирования, такие системы требуют сложных диаграммообразующих схем, что усложняет их реализацию на готовых продуктах, в связи дополнительной весовой нагрузкой на беспилотные летательные аппараты.
Цель работы. Разработка переключаемой антенной системы на беспилотных летательных аппаратах с возможностью выбора направления излучения / приема в любом направлении азимутальной плоскости для повышения дальности связи относительно ненаправленных бортовых антенных систем. В рамках исследования разработана модель излучателя и переключаемой кольцевой антенной системы и цилиндрической антенной системы в пакете электромагнитного моделирования Ansys HFSS, основанной на методе конечных элементов для расчета электромагнитных полей.
Результаты. Показаны характеристики направленности кольцевой антенной системы из 8 и 6 элементов, в частности приводятся значения коэффициента направленного действия и азимутальные плоскости диаграммы направленности, а также аналогичные характеристики и параметры для цилиндрической антенной системы из 6×2 элементов.
Научная новизна. Разработанные модели увеличивают бюджет канала связи с БПЛА на 4,4-7,2 дБ, относительно ненаправленных систем, что соразмерно изменяет в большую сторону и дальность линии связи. Особый акцент сделан на форме огибающей диаграммы направленности при переключении на соседний элемент антенной системы, а также на возможность построения не только кольцевых, но и цилиндрических геометрий решения.
Практическая значимость. В результате данного исследования предложены конструктивные решения для использования на БПЛА с возможностью работы с любого направления азимутальной плоскости, а также с наклоном в угломестной плоскости для цилиндрической антенной системы.
Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are currently undergoing active development. Their radio equipment is also advancing, presenting new challenges for designers. From the antenna perspective, a straightforward solution for ensuring communication is the use of omnidirectional antenna systems, which allow establishing a communication link with the UAV from any direction. However, such systems have a limited communication range. A relevant task is to increase the operational range of communication links for unmanned aerial vehicles while maintaining the capability to establish a link from any direction. Primarily, increasing the range can be achieved by employing directional antenna systems; however, this is limited by the specific operational features of UAVs. Although numerous studies focus on creating antenna arrays with a wide scanning angle range, such systems require complex beamforming networks, which complicates their implementation on commercial products due to the additional weight burden on the UAV.
Aim. Development a switchable antenna system for unmanned aerial vehicles with the capability to select the radiation / reception direction in any azimuth plane direction to enhance the communication range compared to omnidirectional onboard antenna systems.
Materials and methods. As part of this research, models of a radiating element, a switchable circular antenna array, and a cylindrical antenna array were developed using the Ansys HFSS electromagnetic simulation package, which is based on the finite element method for calculating electromagnetic fields.
Results. The radiation patterns of an 8-element and a 6-element circular antenna array are presented, specifically the values of the directivity coefficient and azimuthal plane radiation patterns. Similar characteristics and parameters for a 6×2 element cylindrical antenna array are also provided.
Scientific novelty. The developed models increase the communication link budget of the UAV by 4.4‒7.2 dB compared to omnidirectional systems, which proportionally extends the range of the communication link. Particular emphasis is placed on the shape of the radiation pattern envelope when switching to an adjacent element of the antenna system, as well as on the feasibility of implementing not only circular but also cylindrical array geometries.
Practical significance. This research proposes design solutions for use on UAVs, enabling operation from any direction in the azimuth plane, as well as with an inclination in the elevation plane for the cylindrical antenna system.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.