民用反无人机电磁干扰关键技术研究

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随着民用无人机行业的迅速发展,无人机为人们的生产生活带来了极大的便利。但近年来,随着民用无人机数量的增多,“黑飞”无人机引发的危险事故层出不穷,不仅影响了机场、铁路等部门的安全运行,也给个人隐私甚至国家机密带来泄露的风险。为解决“黑飞”无人机带来的问题,本文重点围绕民用反无人机的电磁干扰技术进行研究。在研究了国内外相关技术的发展现状后,发现传统的无人机电磁干扰技术是通过发射大功率噪声信号来实现干扰,大多没有具体分析干扰信号参数对无人机干扰效果的影响。而且,无人机反制设备往往需要同时干扰多个频段(导航和控制信号等),传统的反无人机设备针对每个干扰频段单独设计末级功率放大器,不但增加了功耗和体积,还增加了反无人机设备的生产成本。针对上述问题,本文的进行的主要研究工作包括:(1)分析了无人机电磁反制技术的相关理论。对无人机导航信号和控制信号的工作原理进行介绍,具体包括导航信号的直接序列扩频通信(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS),控制信号的跳频通信(Frequency Hopping Spread Sprectrum,FHSS)或Wi Fi(WirelessFidelity,Wi Fi)通信方式。针对各种不同通信方式的特点,分别对其干扰策略进行研究,最终确定本文采用扫频电磁干扰的方式,并分析了实施有效干扰时的扫频参数范围。(2)设计了扫频函数可调的干扰信号源。为测试不同扫频参数对无人机干扰效果的影响,基于现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)和数模转换器(Digital Analog Converter,DAC)设计了直接数字频率合成器(Direct Digital Synthesizer,DDS),实现了扫频函数可调的信号发生器,然后将DDS产生的低频信号通过三个压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator,VCO)模块转换为三个频段的射频信号,分别是1.57GHz频段(针对无人机导航信号)、2.4GHz频段和5.8GHz频段(针对无人机控制信号)。其次,为了测试不同功率对扫频干扰效果的影响,分别为三个频段设计了相应的驱动级放大器和一个工作频率范围在DC~6GHz的步进功率衰减器,并完成了版图设计和实物加工。(3)双频末级功率放大器的设计。基于双频阻抗匹配原理,设计了1.57/2.44GHz的双频功率放大器,在输入信号功率为27d Bm时,输出功率达到39d Bm。进一步地,基于Π型双频匹配网络推导了三频匹配网络的实现方法,并进行仿真实验,验证了三频匹配网络的有效性,为三频段功率放大器的设计提供了理论依据。(4)对所设计的反无人机设备进行测试。测试了不同发射功率、不同扫频速率对无人机干扰效果的影响,得出了扫频干扰参数的参考区间。采用低成本的555定时器与VCO设计了三频段无人机干扰信号发生器,经实验测试,所设计的反无人机设备干扰速度快,性能稳定,达到了预期的效果。
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