En multi-antenn co-design för Quadcopter UAV

En multi-antenn co-design för Quadcopter UAV

UAV används i stor utsträckning inom militära och civila sektorer.

Utöver flygkontrollsystemet är en stabil UAV-drift mycket beroende av ett multi-antennsystem för externt datautbyte i realtid. Detta dokument presenterar en skräddarsydd multi-antenndesign för quadcopter-UAV:er, som beskriver hur 8 antenner som fungerar över 6 frekvensband är integrerade i ett begränsat utrymme för att stödja robust systemkommunikation.

Designkrav:  Systemet kräver 8 antenner som täcker 6 frekvensband:

5G-band:  Inklusive

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.

Rumsliga begränsningar:  Tillgängligt utrymme är extremt begränsat: rotorhuset är en stympad (160 mm x 180 mm x 40 mm) med en användbar omkrets på 320 mm. Den övre flygkroppen ger endast två 20 mm x 44 mm områden för antennplacering. Den primära utmaningen ligger i att montera alla antenner med bibehållen hög signalintegritet.

Viktiga designfunktioner:

Konform rotorantenndesign:  För att mildra signalfluktuationer orsakade av rotorrotation i traditionella externa antenner används en konform design. Fyra 5G-antenner och två 1,4G-antenner appliceras direkt på rotorns stympad yta. Med optimerad feedline-kompensation täcker 5G-antennerna 690MHz-972MHz och 1,4GHz-antennerna täcker 1324MHz-1592MHz.

Simuleringsmodell

Antennbild

Konform rotorantenndesign:  För att mildra signalfluktuationer orsakade av rotorrotation i traditionella externa antenner används en konform design. Fyra 5G-antenner och två 1,4G-antenner appliceras direkt på rotorns stympad yta. Med optimerad matningsledningskompensation täcker 5G-antennerna 690MHz-972MHz, och 1,4GHz -antenner täcker 1324MHz-1592MHz.

Reflektionskoefficient för 5G-antennportar

Reflektionskoefficient för 1,4G-antennportar

Miniatyriserad flygkroppsantenndesign: 

Simuleringsmodell

Antennbild

Två 2,4 GHz-antenner är placerade symmetriskt på flygkroppen inom ett 44 mm x 20 mm fotavtryck. Dessa använder 3 mm FR4-substrat med kapacitiv kompensation och parasitiska patchar för att bredda bandbredden. Antennerna uppnår en reflektionskoefficient (S11) < -10dB inom 2,35GHz-2,54GHz och upprätthåller en isolering större än 20dB.

2,4 GHz antenn S-parametrar

Slutsats:  Genom att kombinera krökta konforma konstruktioner på rotorer med miniatyriserade flygkroppsantenner, löses anslutningsutmaningarna för quadcopter multi-antennsystem effektivt. Fälttester visar att systemet upprätthåller sömlös kommunikation även under höghastighetsflygning eller skarpa manövrar.