行业动态 | 【译文报告】小型无人机系统电子对抗措施的有效性分析（下）
四、系统运用和设计考虑因素
（一）电子对抗系统设计
只有少数公司生产和销售便携式无人机干扰系统。虽然这些系统在美国被禁止销售和使用，但联邦政府和军方可以在美国境外使用这些产品。一个有效的电子对抗系统必须是通用的，并能适应无人机运行的任何射频频段。该系统的创建可能非常具有挑战性，因为如果干扰机覆盖更多的频带，它将具有更高的功率要求。这要求电子对抗系统的尺寸更大、重量更重，并且可能不那么便携。例如，以下便携式干扰系统是一个多功能系统，可以干扰2.4 GHz、5.8 GHz、GPS和GLONASS频带。这类干扰系统比其他干扰系统大，需要使用必须连接到干扰机上的电池组才能运行。
原型DDMR系统在波函数发生器的辅助下，在室内实验中有效地禁用了遥控无人机的发射链路。由于其尺寸和功率要求，这不是受控实验室之外的实用设计。本文重点研究了一种改进的便携式DDMR系统，该系统可以在实验室外实现。为了实现这些目标，该系统被开发用于干扰最常见的商用无人机通信频率，即2.4 GHz频段。DDMR系统在功率、尺寸和重量方面牺牲了多功能性。
一旦确定了DDMR VCO的最佳扫频，其他重要考虑因素是天线选择和干扰系统的功率输出或有效范围。干扰系统通常使用两种类型的天线：抛物面反射天线和偶极天线。这两种天线都有特定的功能。“抛物面天线是一种使用抛物面反射器（截面形状为抛物线的曲面）来引导无线电波的天线。”偶极天线主要由两个提供信号的导电元件组成。“发射机的驱动电流是，或者对于接收天线，在天线的两半之间获取到接收机的输出信号。”八木天线是一种常见的偶极天线，是所有干扰系统的理想天线设计。
（二）天线设计
TY-24-17-20八木天线因其窄波束宽度和2.4 GHz至2.48 GHz的频率范围而被选为原型DDMR。该天线与VCO的设计规格相匹配。八木天线的增益为17 dBi，具有以下特性：
当遥控无人机的发射器信号朝向无人机的接收器传播时，信号将随着它的行进而扩展。DDMR的VCO输出信号也是如此。如果存在障碍物，如建筑物或可能存在的地理障碍，信号很可能会被反射、折射或以某种方式被干扰，从而产生重复的波形。当存在多个波形时，由于RF信号从发射机到接收机采用各种路径，因此会发生多径传播。多径失真给无人机发射机和接收机之间的通信链路带来了更大的问题。当干扰无人机的通信链路时，DDMR的VCO信号可能表现出的任何多径失真，例如大型建筑，对其整体效果都不会产生重大影响。根据设计，DDMR试图去破坏和干扰无人机的通信链路。
（三）硬件设计
在设计DDMR系统的硬件时，有几个因素需要考虑，以使系统小、轻而有效。所选的特定VCO是ZX95-2490+，具有以下性能数据特征：
供应VCO的正弦波的输入电压将在5.5伏和8.5伏之间变化，以确保输出扫频充分覆盖2.4 GHz频带。
使用频谱分析仪测量DDMR VCO的有效性。捕获了1 MHz、500 kHz和100 kHz的屏幕截图。应当注意，在VCO的输出信号上放置了一个42dBm的衰减器，用于频谱分析仪的测量。下图展示了该系统如何覆盖2.4 GHz频段：
上述数字进一步表明，增加干扰扫频也需要更多的能量来充分干扰整个ISM频带。1 MHz的干扰扫频所需的能量大约是100 kHz干扰扫频能量的两倍。Arduino Uno最初被研究用作控制正弦波形的微控制器。创建了16 MHz Arduino UNO微控制器和运算放大器设计，以取代之前实验中成功使用的波形函数发生器。Arduino UNO通过高通滤波器输出脉宽调制（PWM）信号，以创建所需的正弦波形。
通过对软件代码的细微更改，我们可以发现，使用这种特殊的微控制器，扫描频率受到了极大的限制。微控制器可以产生的最快频率约为1.175 kHz。以下截图显示了两种不同的扫描频率：
Arduino UNO的另一种版本是Arduino DUE，使用这种微控制器，不需要高通滤波器来产生正弦波。
这种硬件设计也面临着类似的问题，因为无法以足够的频率产生正弦波。analogWriteResolution函数生成了一个12位波形，并将频率增加到大约32kHz；然而，波形分辨率非常差，如下所示。
在多次尝试使用Arduino微控制器产生正弦波并以足够的频率振荡失败后，由于其多功能性，我们选择了Red Pitaya的电路板。考虑了这个特殊的平台，因为它有可能在一个设计中取代波形函数发生器、微控制器和压控振荡器（VCO）。
然而，Red Pitaya硬件比使用Arduino微控制器、运算放大器和VCO贵得多。Red Pitaya板对用户友好，但存在与Arduino微控制器类似的问题。以下连续的截图说明了通过其VCO的5 MHz步长的扫频：
硬件需要几秒钟的时间才能逐步完成整个2.4 GHz至2.5 GHz的频率范围。虽然这种硬件设计扫过了整个2.4 GHz频段，但速度太慢，从未有效干扰无人机通信链路的跳频。这种硬件设计的性能不如Arduino微控制器。
因此我们重新研究了Arduino UNO微控制器设计，但在AD9850 DDS（直接数字合成器）的帮助下。DDS被添加到微控制器系统中以调节扫频。Arduino UNO用于向DDS输出正弦波信号，然后DDS将波形振荡到所需的频率。通过Arduino的开源软件代码可以轻松修改扫频。
Arduino UNO和AD9850 DDS的干扰扫频输出电压不在VCO有效干扰ISM频带的规格范围内。同样，根据第三章第5小节讨论的实验结果，最佳干扰扫频约为300 kHz。在确定了最佳扫描频率后，计算了非反相运算放大器的电阻值。当信号在5.5V和8.5V之间振荡时，需要运算放大器来放大Arduino UNO的输出波形。放大的波形被发送到VCO，然后VCO通过八木天线发射所需的干扰频率。
五、无人机探测和干扰雷达（DDMR）系统作战概念分析
（一）DDMR系统低成本解决方案
DDMR系统是市场上其他电子对抗系统的替代选择，它具有低成本和便携式优点，可以有效地干扰在2.4 GHz ISM载波频率上运行的小型无人机系统和无线电。之前的消声室测试确定，最佳干扰扫频在100 kHz至1 MHz的频率范围内。理论研究有助于确定POI和命中率的边界限制。MATLAB仿真和实验结果得出了300 kHz的最佳干扰扫频，这对DDMR干扰系统的硬件设计至关重要。
新DDMR系统的硬件包含在图49中的灰色小框内。该系统由15 V DC电源供电。
DDMR的大小、重量和低成本使其成为保护关键基础设施和场所免受无人机威胁的可行解决方案。为新DDMR设计的硬件可能会进一步改进，以实现更小的尺寸，从而允许将其集成到现有设备中，如突击步枪式平台，以实现快速轻松的部署。通过添加光学（十字线）瞄准系统，AR或其他类似平台将允许用户将天线精确地对准小型无人机系统。
新DDMR系统干扰部件中使用的所有零件的总成本不到150美元。相比之下，原型DDMR系统的波函数发生器，在不考虑其他硬件组件的情况下，远远超过了这个新系统的成本。此外，由于波函数发生器的尺寸和功率要求，原型DDMR系统不便携。与新的八木天线设计相比，原始的抛物面反射天线也非常大且笨重。
（二）DDMR系统未来发展
这项研究的一个重要局限性是，新的DDMR系统无法在室外现实环境中进行评估。这主要是由于联邦法律禁止在美国境内进行主动干扰，如第第一章第2小节所述。由于干扰系统有可能干扰在2.4 GHz载波频带上运行的其他附近通信信号，因此需要获得联邦通信委员会的批准。联邦通信委员会审查和批准一项提案需要花费大量时间。因此，不可能在本文的时间范围内完成实验硬件测试，但测试应该提上计划。获得美国联邦通信委员会的批准十分有益，因为这将进一步证明DDMR系统在现实环境中的有效性。
新的DDMR系统仅设计用于干扰ISM频段上的通信链路。未来的研究可以扩展到其他常见的载波频段，如4.8 GHz频段，因为无人机爱好者经常修改他们的无人机以在其他载波频率上运行。随着GPS的普及，无人机用户也将开始使用这项技术。特别是，随着其他指定频段越来越多地挤满了新兴的电子设备（智能汽车、智能家居等），无人机爱好者可能会选择在不那么拥挤的载波频段上运行。
