Розроблення антенних систем для безпілотних аеростатів-розвідників

Abstract

Бакалаврська кваліфікаційна робота присвячена розробленні антенної системи для безпілотних аеростатів-розвідників. Сучасні виклики у сфері обороноздатності, моніторингу навколишнього середовища та надзвичайних ситуацій вимагають постійного вдосконалення та розвитку автономних повітряних платформ. Одним із найбільш перспективних рішень у цьому напрямі є безпілотні аеростати-розвідники, які здатні тривалий час знаходитись у повітрі, здійснюючи спостереження, ретрансляцію сигналів та передачу даних на великі відстані. У першому розділі було розглянуто загальні теоретичні основи побудови антен [1-4], класифіковано основні типи антен, що використовуються у радіоелектроніці та аеростатних платформах. Проведено аналіз ключових параметрів, які визначають ефективність антенного випромінювання – таких як діаграма спрямованості, коефіцієнт підсилення, КСХ, поляризація та ін. У другому розділі здійснено огляд сучасних аеростатних систем (JLENS, TARS, Altaeros, SkySentry та ін.) з аналізом їх антенних рішень. Було сформульовано перелік радіотехнічних та конструктивних вимог до проектованої антени. Серед них – робота в діапазоні 5-6.1 ГГц, коефіцієнт підсилення не менше 12 дБі, всенаправлена або секторна діаграма, мінімальні масо-габаритні показники, стабільність у широкому температурному діапазоні. На основі порівняльного аналізу обґрунтовано вибір патч- антенної решітки 2?2 як оптимальної для даного застосування. У третьому розділі проведено практичне проектування антенної системи: виконано розрахунок геометричних параметрів патч-елементів з урахуванням діелектричної проникності підкладки та корекційних чинників; створено 3D-модель антени у середовищі CST Studio Suite; змодельовано основні характеристики: графік S11, 3D-діаграму спрямованості, розподіл струмів та значення підсилення; здійснено оптимізацію параметрів для досягнення найкращого узгодження в смузі 5-6.1 ГГц; розроблено концепцію інтеграції антени до оболонки аеростата з урахуванням захисту від погодних умов, збереження аеродинаміки та мінімізації маси. У четвертому розділі проведено аналіз щодо питань охорони праці, для забезпечення належних умов праці працівників при роботі за комп’ютером, оцінки впливу радіовипромінювань. Об’єкт дослідження – антенні системи безпілотних аеростатів, що використовуються для виконання розвідувальних функцій у повітряному просторі. Предмет дослідження – Конструктивно-функціональні особливості та електродинамічні характеристики антенних систем. Сфера дослідження – Радіотехніка, антенні технології, безпілотні літальні апарати (БПЛА) та системи дистанційного зондування і спостереження. Мета роботи: розробка антенної системи для безпілотних аеростатів- розвідників.The bachelor's qualification thesis is dedicated to the development of an antenna system for unmanned reconnaissance aerostats. Modern challenges in the fields of defense, environmental monitoring, and emergency response require continuous advancement and refinement of autonomous aerial platforms. One of the most promising solutions in this domain is the deployment of unmanned reconnaissance aerostats, which are capable of long-term airborne operation for surveillance, signal retransmission, and long-range data transmission. In the first chapter, general theoretical foundations of antenna design were reviewed [1–4], and the main types of antennas used in radio electronics and aerostat platforms were classified. A detailed analysis of the key parameters affecting antenna radiation efficiency was conducted, including radiation pattern, gain, VSWR, polarization, and others. The second chapter provides an overview of modern aerostat systems (JLENS, TARS, Altaeros, SkySentry, etc.) with a focus on their antenna solutions. A set of radio-technical and structural requirements for the proposed antenna system was formulated. These included operation in the 5-6.1 GHz band, a gain of at least 12 dBi, omnidirectional or sectoral radiation pattern, minimal weight and dimensions, and stable performance under wide temperature variations. Based on comparative analysis, a 2?2 patch antenna array was selected as the optimal solution for the given application. In the third chapter, the practical design of the antenna system was performed: the geometrical parameters of the patch elements were calculated considering the dielectric properties of the substrate and correction factors; a 3D model of the antenna was created using CST Studio Suite; key characteristics were simulated, including the S11 parameter graph, 3D radiation pattern, current distribution, and gain; parameter optimization was carried out to achieve optimal impedance matching at 5-6.1 GHz range; a concept for integrating the antenna into the aerostat’s envelope was developed, with consideration of environmental protection, aerodynamic stability, and weight minimization. The fourth chapter addresses occupational safety aspects, ensuring appropriate working conditions for personnel using computer equipment, and evaluates the impact of radiofrequency emissions. The object of research – аntenna systems of unmanned aerostats used for airborne reconnaissance tasks. The subject of research – structural-functional features and electrodynamic characteristics of antenna systems. The scope of research is radio engineering, antenna technologies, unmanned aerial vehicles (UAVs), and remote sensing systems. Purpose: to develop an antenna system for unmanned reconnaissance aerostats.