《Electronics》：An SDR-Integrated Dual-Band Directional Antenna System for Counter-Drone RF Link Suppression: Design and Open-Field Validation
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本文提出了一种用于2.45 GHz和5.8 GHz ISM频段定向反无人机射频链路压制的单馈电双频堆叠天线。所提出的天线在空气间隔多层结构中结合了部分接地结构、金属反射器、两层圆形寄生谐振器层以及频率选择表面。单个同轴探针激励两个工作频段，无需复
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本文提出了一种用于2.45 GHz和5.8 GHz ISM频段定向反无人机射频链路压制的单馈电双频堆叠天线。所提出的天线在空气间隔多层结构中结合了部分接地结构、金属反射器、两层圆形寄生谐振器层以及频率选择表面。单个同轴探针激励两个工作频段，无需复杂的馈电网络。制作的原型实现了2.28–2.52 GHz和5.60–5.92 GHz的实测?10 dB阻抗带宽。远场测量在2.45 GHz和5.8 GHz分别获得了9.64 dBi和12.06 dBi的增益，而仿真值分别为10.00和12.50 dBi。额外的带内测量显示仿真与实测增益差异低于0.7 dB，同时实测共极化辐射方向图保持了预测的宽边定向特性。该原型随后与BladeRF 2.0 Micro xA9软件无线电平台集成。在2.4 GHz下进行的商用无人机测试表明，所测试的视频传输和指令控制链路出现可观察的中断。在重复的2.4 GHz天线级对比中，在20 m水平天线到目标间距下，所提出的DBSA在4/4次试验中观察到实时视频更新丢失，而商用5.5 dBi参考天线在4/4次试验中均未观察到该现象。在5.8 GHz下进行的补充开阔场FPV视频链路测试采用相同的天线到目标几何结构，使用30 MHz宽带压制波形，产生了严重的可见视频劣化但未完全中断链路。结果表明在两个工作频段均实现了经实验验证的天线–SDR集成；然而，SDR实验代表的是应用层面的功能验证观察，而非校准的压制阈值、最大工作距离或完整反无人机干扰机系统的验证。
论文解读文章
一、研究背景与问题
近年来，小型无人机尤其是微型和微型级旋翼无人机快速增长，为空域安全、关键基础设施保护和军事行动带来了新的挑战。这类无人机成本低、易获取、体积小且能低空飞行，传统监视和拦截系统难以有效应对。商用无人机高度依赖射频链路进行指令控制、遥测、导航支持和实时视频传输，这些链路通常工作在2.45 GHz和5.8 GHz ISM频段。因此，射频链路压制成为一种实用的非动能手段来限制未经授权无人机的运行。
现有研究存在明显割裂：天线领域的研究主要聚焦于阻抗和辐射特性，而基于软件无线电的反无人机研究则侧重于波形生成、干扰策略或链路破坏，通常将发射天线视为辅助组件而非主要设计贡献。目前缺乏一个从电磁设计、制造、阻抗验证到与同一SDR平台集成并在两个工作频段对空中通信链路进行评估的单馈电双频射频前端。为填补这一空白，研究人员开展了本研究。
二、研究内容与主要技术方法
研究人员设计并实现了一种单馈电双频堆叠天线，在空气间隔多层结构中整合了部分接地结构、金属反射器、两层圆形寄生谐振器层和频率选择表面。天线采用单个同轴探针激励两个工作频段，无需功分器、混合耦合器或多端口馈电网络。所有天线和超表面层均采用Rogers RT 5880基板制造，相对介电常数εr = 2.2，损耗角正切tanδ = 0.0009，基板厚度1.575 mm。全波电磁仿真使用CST Studio Suite 2022完成，有限天线结构采用时域求解器分析，独立FSS单元采用频域求解器配合四面体网格、横向单元边界和两个Floquet模式分析。制作完成后使用罗德与施瓦茨ZNB8矢量网络分析仪进行反射系数测量，远场辐射性能通过室内远场测量系统表征。随后将天线与BladeRF 2.0 Micro xA9 SDR平台集成，在开阔场环境中进行应用层功能验证测试。
三、研究结果
3.1 部分接地结构和反射器优化
研究人员通过三种接地模型对比发现，全接地平面虽然产生深谐振但带宽不足；仅保留中心条带的模型改善了上频段但下频段匹配不达标；最终采用中心条带加两条对称边缘条带的Model-3结构，实现了双频段平衡匹配，下频段S11改善至?13.75 dB，阻抗带宽分别达到212 MHz和191 MHz。引入100 mm × 100 mm金属反射器后，下频段带宽进一步扩展至254 MHz，仿真增益在2.45 GHz和5.8 GHz分别达到8.4 dBi和7.9 dBi。
3.2 FSS单元设计与寄生谐振器优化
FSS单元经历了从方环谐振器到十字偶极子、半C形段再到螺旋延伸的四阶段发展。最终螺旋加载单元在2.30 GHz和5.87 GHz分别产生约?41.6 dB和?28.3 dB的反射极小值，覆盖约2.1–3.0 GHz和5.6–6.3 GHz的低反射区域。直接FSS加载无法在双频段获得平衡响应，因此研究人员在源天线和FSS之间插入两层圆形寄生谐振器。双层谐振器配置将仿真增益从8.4 dBi提升至9.5 dBi（2.45 GHz）和从7.9 dBi提升至12.1 dBi（5.8 GHz），半功率波束宽度分别缩减至约57.5°和32.2°，但上频段旁瓣电平恶化约8 dB。
3.3 FSS位置与混合配置
最终将FSS放置在第二寄生谐振器层上方，间距h4 = 60.78 mm。完整配置下，2.45 GHz和5.8 GHz的仿真反射系数分别为?22.86 dB和?16.47 dB，仿真实现增益分别达到10 dBi和12.5 dBi。半功率波束宽度在2.45 GHz为58°和54.1°，在5.8 GHz缩减至30.7°和30.8°。旁瓣电平分别为?15.5 dB和?13.4 dB。FSS的主要贡献是恢复上频段旁瓣性能并保持窄宽边波束。
3.4 仿真辐射特性
仿真结果表明，2.45 GHz下天线产生宽边定向方向图，实现增益10 dBi，E面和H面半功率波束宽度分别为58.0°和54.1°；5.8 GHz下电尺寸更大的口径产生更窄的方向图和12.5 dBi的更高增益，两个主平面的波束宽度几乎相等（30.7°和30.8°），表明上频段具有较均衡的宽边波束。
3.5 原型制作与天线验证
制作的原型实测?10 dB阻抗带宽为2.28–2.52 GHz和5.60–5.92 GHz，覆盖两个目标工作频段。仿真与实测之间存在适度频移和带宽差异，可能源于制造公差、同轴探针位置偏差、介电和导体特性不确定性、焊接和连接器效应、装配中空气间隙变化以及3D打印PLA支撑元件的局部介电加载。远场测量在2.45 GHz和5.8 GHz分别获得9.64 dBi和12.06 dBi的增益，与仿真值10.00和12.50 dBi相比，最大差异低于0.7 dB。实测φ = 0°共极化方向图保持了仿真预测的宽边定向特性。
3.6 SDR功能验证测试
在2.4 GHz室内测试中，启用55 MHz宽带噪声波形后，控制器上的接收端数据指示停止，观察到指令控制链路的功能性中断。开阔场2.4 GHz商用无人机视频链路测试中，20 MHz宽带噪声波形导致实时视频更新丢失。在20 m水平间距条件下，所提出的DBSA在4/4次试验中均产生视频更新丢失，而商用5.5 dBi参考天线在4/4次试验中均未观察到该现象。5.8 GHz FPV视频链路测试中，30 MHz宽带压制波形产生严重的可见视频劣化和块状失真，但未完全中断链路。独立的2.4 GHz指令控制开阔场测试中，55 MHz波形导致接收端状态指示丢失和临时指令响应中断。
四、讨论与结论
研究人员指出，该天线的贡献不在于单一隔离加载技术，而在于这些元素的协调使用以实现双频段阻抗匹配和定向辐射。与代表性FSS辅助、堆叠和寄生加载天线相比，所提出的DBSA具有较高的垂直剖面（约0.85 × 0.85 × 1.24 λ0，2.45 GHz下），这是增益–剖面权衡的明确局限。实测增益高于文献[13]中FSS辅助双频设计的6.8 dBi和9.0 dBi，但两者在电剖面、结构配置、馈电方式和目标应用上差异显著。研究存在多项局限：远场测量仅限于单一角度切面，未独立表征交叉极化和辐射效率；商用无人机测试仅限于单一平台；5.8 GHz实验未建立完整链路中断或校准压制阈值；未进行校准的J/S、接收灵敏度和丢包率测量。SDR实验提供的是应用层面的功能验证证据，而非完整反无人机干扰机系统的验证。
研究结论为：所提出的DBSA实现了2.28–2.52 GHz和5.60–5.92 GHz的实测?10 dB阻抗带宽，在2.45 GHz和5.8 GHz分别获得9.64 dBi和12.06 dBi的实测增益，实测共极化方向图保持了仿真预测的宽边定向特性。与BladeRF SDR平台集成后，2.4 GHz商用无人机测试产生视频更新丢失和临时指令控制中断，5.8 GHz FPV实验产生严重可见视频劣化。这些观察证明了双频定向天线与低功率SDR平台的功能集成，但不应被解释为校准的压制阈值、最大工作距离或完整反无人机干扰机系统的验证。该论文发表在《Electronics》期刊上。
