Ein Multi-Antennen-Co-Design für Quadrocopter-UAVs

Ein Multi-Antennen-Co-Design für Quadrocopter-UAVs

UAVs werden in großem Umfang im militärischen und zivilen Sektor eingesetzt.

Über das Flugsteuerungssystem hinaus ist ein stabiler UAV-Betrieb in hohem Maße auf ein Mehrantennensystem für den externen Datenaustausch in Echtzeit angewiesen. Dieses Dokument stellt ein maßgeschneidertes Mehrantennen-Design für Quadrocopter-UAVs vor und beschreibt detailliert, wie 8 Antennen, die über 6 Frequenzbänder arbeiten, auf engstem Raum integriert werden, um eine robuste Systemkommunikation zu unterstützen.

Designanforderungen:  Das System erfordert 8 Antennen, die 6 Frequenzbänder abdecken:

5G-Bänder:  Einschließlich

700 MHz (UL: 703–743 MHz, DL: 758–798 MHz)

900 MHz (UL: 889–915 MHz, DL: 934–960 MHz).

1,4-GHz-Band:  1412–1497 MHz.

2,4-GHz-Band:  2412–2472 MHz.

Räumliche Einschränkungen:  Der verfügbare Platz ist äußerst begrenzt: Das Rotorgehäuse ist ein Kegelstumpf (160 mm x 180 mm x 40 mm) mit einem nutzbaren Umfang von 320 mm. Der obere Rumpf bietet nur zwei 20 mm x 44 mm große Bereiche für die Antennenplatzierung. Die größte Herausforderung besteht darin, alle Antennen unter Beibehaltung einer hohen Signalintegrität unterzubringen.

Wichtige Designmerkmale:

Konformes Rotorantennendesign:  Um Signalschwankungen, die durch die Rotorrotation bei herkömmlichen externen Antennen verursacht werden, abzuschwächen, wird ein konformes Design verwendet. Vier 5G-Antennen und zwei 1,4G-Antennen sind direkt auf der Kegelstumpfoberfläche des Rotors angebracht. Mit optimierter Feedline-Kompensation decken die 5G-Antennen 690 MHz–972 MHz und die 1,4 GHz-Antennen 1324 MHz–1592 MHz ab.

Simulationsmodell

Antennenbild

Konformes Rotorantennendesign:  Um Signalschwankungen, die durch die Rotorrotation bei herkömmlichen externen Antennen verursacht werden, abzuschwächen, wird ein konformes Design verwendet. Vier 5G-Antennen und zwei 1,4G-Antennen sind direkt auf der Kegelstumpfoberfläche des Rotors angebracht. Mit optimierter Feedline-Kompensation decken die 5G-Antennen 690 MHz bis 972 MHz ab 1,4-GHz- Antennen decken 1324 MHz bis 1592 MHz ab.

Reflexionskoeffizient von 5G-Antennenanschlüssen

Reflexionskoeffizient von 1,4G-Antennenanschlüssen

Miniaturisiertes Rumpfantennendesign: 

Simulationsmodell

Antennenbild

Zwei 2,4-GHz-Antennen sind symmetrisch auf dem Rumpf auf einer Grundfläche von 44 mm x 20 mm platziert. Diese nutzen 3-mm-FR4-Substrate mit kapazitiver Kompensation und parasitären Patches, um die Bandbreite zu erweitern. Die Antennen erreichen einen Reflexionskoeffizienten (S11) < -10 dB im Bereich von 2,35 GHz bis 2,54 GHz und halten eine Isolation von mehr als 20 dB aufrecht.

S-Parameter der 2,4-GHz-Antenne

Fazit:  Durch die Kombination gekrümmter konformer Designs auf Rotoren mit miniaturisierten Rumpfantennen werden die Konnektivitätsprobleme von Quadcopter-Mehrantennensystemen effektiv gelöst. Feldtests zeigen, dass das System auch bei Hochgeschwindigkeitsflügen oder scharfen Manövern eine nahtlose Kommunikation aufrechterhält.