التركيز على اتجاهات الاتصالات على ارتفاعات منخفضة في نقل الفيديو بالطائرات بدون طيار، والملاحة، وتقنيات هوائيات التدابير المضادة

على خلفية الاقتصاد على ارتفاعات منخفضة الذي ينطلق على قدم وساق، لم تعد المركبات الجوية بدون طيار (UAVs) مجرد أجهزة طيران معزولة، ولكنها تطورت إلى عقد جوية متنقلة ذكية تدمج وظائف الاتصالات والملاحة والتحكم عن بعد المتقدمة (CNR). مع التطبيق الواسع النطاق لطائرات الإقلاع والهبوط العمودي الكهربائية (eVTOLs) والطائرات بدون طيار من الدرجة الصناعية في سيناريوهات مثل الخدمات اللوجستية الحضرية وفحص خطوط الكهرباء والإنقاذ في حالات الطوارئ، أصبحت البيئة الكهرومغناطيسية على ارتفاعات منخفضة معقدة بشكل متزايد.

وباعتباره واجهة مهمة بين الموجات الكهرومغناطيسية والواجهة الأمامية للترددات الراديوية، فإن جودة تصميم الهوائي تحدد بشكل مباشر نطاق الاتصال ودقة تحديد المواقع والقدرات الأمنية للنظام بأكمله. ستوفر هذه المقالة تحليلاً متعمقًا للتحديات التقنية الحالية والحلول السائدة والاتجاهات المستقبلية عبر ثلاثة مجالات أساسية - نقل الفيديو والملاحة والتدابير المضادة - من منظور مهندس هوائي محترف.

1. تقنية هوائي نقل الفيديو بدون طيار: عرض النطاق الترددي العالي، التصميم المتوافق متعدد الترددات وتكييف القناة

يعد نقل الصور عالي الوضوح ومنخفض الكمون أمرًا أساسيًا لتشغيل المركبات الجوية بدون طيار (UAVs). في الوقت الحالي، فإن الطلب على نقل تدفقات الفيديو فائقة الوضوح 4K/8K وقنوات متعددة من البيانات الشبكية الرقمية والذكية يضع متطلبات شديدة على هوائيات نقل الفيديو، مما يتطلب منها أن تكون 'عالية الكسب وعريضة النطاق وصغيرة الحجم'.

1.1 تقنية النطاقات المتعددة والنطاق العريض للغاية (UWB).

تستخدم الطائرات بدون طيار التقليدية عادةً هوائيات منفصلة لنطاقات تردد تشغيلية مختلفة (مثل الشبكة الحكومية المخصصة بتردد 1.4 جيجا هرتز والنطاقات الصناعية والمدنية بتردد 2.4 جيجا هرتز/5.8 جيجا هرتز). لا يستهلك تصميم 'تردد واحد وهوائي واحد' قدرًا كبيرًا من مساحة سطح هيكل الطائرة فحسب، بل يؤدي أيضًا إلى مشكلات شديدة في التداخل البيني (PIM) والتوافق الكهرومغناطيسي (EMC) بسبب وضع الهوائيات بالقرب من بعضها البعض.

الاتجاه السائد في هندسة الهوائيات الحديثة هو اعتماد التصميمات الكسورية ذات النطاق العريض للغاية (UWB) أو تقنيات الهوائي المشترك متعدد الأوضاع والترددات.

الهوائي الكسيري: من خلال الاستفادة من التشابه الذاتي للكسوريات الهندسية، يتردد الهوائي في وقت واحد عبر نطاقات تردد منفصلة متعددة، وبالتالي يستبدل وحدات الهوائي الثلاث المطلوبة سابقًا بوحدة واحدة.

تكامل السيراميك متعدد الطبقات منخفض الحرارة (LTCC): من خلال دمج معدد الإرسال والهوائي داخل الواجهة الأمامية للتردد اللاسلكي، يتم دمج الترشيح ومطابقة المعاوقة وعنصر الإشعاع في وحدة واحدة، مما يقلل بشكل كبير من الحمل على اللوحة.

1.2 الهوائيات المطابقة والإشعاع عالي الكسب متعدد الاتجاهات

لتجنب المساس بالتكوين الديناميكي الهوائي للمركبات الجوية بدون طيار (UAVs) ولتقليل السحب الديناميكي الهوائي، تحل تقنية الهوائي المطابق محل الهوائيات السوطية الخارجية بسرعة.

ومن خلال الدمج المباشر والسري لمصفوفات التصحيح ذات الشرائح الدقيقة وهوائيات الدوائر المطبوعة المرنة (FPC) في الحافة الأمامية لأجنحة الطائرة بدون طيار، أو جهاز الهبوط أو الجزء الداخلي من جسم الطائرة المركب، يتم تحقيق التثبيت 'السلس'. ومع ذلك، غالبًا ما تكون التصميمات المطابقة مقيدة بانحناء هيكل الطائرة، مما قد يؤدي بسهولة إلى تشويه نمط الإشعاع. يقوم المهندسون بإدخال مواد خارقة لمعالجة الموجات السطحية، مما يضمن احتفاظ الهوائي بخصائص دائرية شاملة الاتجاهات وخصائص استقطاب دائرية ممتازة حتى أثناء التغييرات الجذرية في وضع هيكل الطائرة (مثل الغطس أو الانعطافات ذات الزاوية العالية)، وبالتالي منع تمزيق الصورة أو الخفقان بشكل فعال في نقل الفيديو الناتج عن تأثيرات المسارات المتعددة.

2. تقنية هوائي الملاحة بدون طيار: دقة عالية على مستوى النظام ومقاومة للتداخل الأمامي للترددات اللاسلكية

تعمل أنظمة الملاحة بمثابة 'عيون' الطائرات بدون طيار. سواء كانت طائرة صناعية بدون طيار تقوم بعمليات تفتيش مستقلة على مستوى السنتيمتر أو معدات متخصصة تستخدم للسلامة العامة، فكلاهما يعتمد بشكل كبير على أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية المستقرة والموثوقة (GNSS).

2.1 تحديد المواقع عالي الدقة متعدد التردد على مستوى النظام

لتلبية المتطلبات الفنية لـ RTK (الحركية في الوقت الحقيقي) وPPP (تحديد المواقع بدقة)، يجب أن تكون هوائيات الملاحة الحديثة للطائرات بدون طيار قادرة على تغطية جميع نطاقات التردد لأنظمة الملاحة الرئيسية في العالم في وقت واحد، بما في ذلك BeiDou الصيني (B1/B2/B3)، ونظام GPS الأمريكي (L1/L2/L5)، وGLONASS الروسي، وGalileo الأوروبي.

في التصميم الهندسي، المقياس الأساسي لتقييم هوائيات الملاحة عالية الدقة هو تباين مركز الطور (PCV).

يستخدم المهندسون تصميم شبكة متعدد التغذية للتأكد من أن مركز الطور الكهربائي للهوائي والمركز المادي يتطابقان مكانيًا داخل المليمتر.

من خلال تحسين أداء كسب الهوائي عند زوايا الارتفاع المنخفضة، لا يزال بإمكان الطائرة بدون طيار التعلق بعدد كافٍ من 'الأقمار الصناعية على ارتفاعات منخفضة' في البيئات الكهرومغناطيسية الصعبة، مثل الأخاديد الحضرية ومناطق الغابات، وبالتالي منع فقدان الموقع.

 

2.2 تطور وتصغير الهوائي الحلزوني الرباعي

في الطائرات بدون طيار الصغيرة والمخصصة للمستهلكين، يعد الهوائي الحلزوني الرباعي (QHA) هو الخيار المفضل نظرًا لمزاياه الهيكلية الفريدة. إن QHA قادر على تقديم نقاء استقطاب دائري ممتاز (أي نسبة محورية منخفضة للغاية) ونمط إشعاع نصف كروي شبه مثالي دون الحاجة إلى مستوى أرضي معدني كبير.

يتضمن الاتجاه الحالي للتقدم التكنولوجي استخدام سيراميك الميكروويف ذو العزل الكهربائي العالي كركيزة عازلة. ومن خلال زيادة ثابت العزل الكهربائي، يمكن تقليل الأبعاد المادية للهوائي بأكثر من 60%. علاوة على ذلك، عند دمجه مع مضخم صوت متكامل منخفض الضوضاء عالي الخطية (LNA) ومرشحات الموجات الصوتية السطحية عالية الجودة (SAW)/الموجات الصوتية السائبة (BAW)، يمكن تصفية التداخل التوافقي القوي من المحطات الأساسية الأرضية (مثل إشارات 5G/6G) من المصدر.

3. تقنية هوائي التدابير المضادة للطائرات بدون طيار: الانتقال من التشويش الكهرومغناطيسي إلى الاتصالات المتكاملة والاستشعار والحوسبة

إن الازدهار في اقتصاد الارتفاعات المنخفضة يستلزم حتماً تحديث تقنيات الدفاع ضد الطائرات بدون طيار 'الرحلة السوداء' غير القانونية. تستخدم هوائيات التدابير المضادة التقليدية في الغالب تشويشًا متعدد الاتجاهات وعالي الطاقة؛ من المرجح أن يتداخل نهج 'الأرض المحروقة' هذا مع شبكات الاتصالات المدنية المحيطة. يتطور الجيل الجديد من تكنولوجيا هوائيات التدابير المضادة نحو الذكاء والاتجاه وتكامل الاتصالات والاستشعار والحوسبة.

3.1 5G-A المصفوفات المتكاملة للاستشعار والاتصالات والسطوح المرحلية

مع تغطية المجال الجوي على ارتفاعات منخفضة بواسطة شبكات 5G-A (5G-Advanced) وشبكات 6G المستقبلية، أصبحت هوائيات الاستشعار والاتصالات المتكاملة (ISAC) موضوعًا بحثيًا متطورًا في مجال الترددات اللاسلكية.

لم تعد أنظمة التدابير المضادة مجرد 'أجهزة تشويش' منفردة، بل تطورت إلى محطات ذكية تدمج الكشف عن الرادار والقمع الكهرومغناطيسي.

هوائيات مصفوفة المسح الإلكتروني النشطة (AESA): بالاشتراك مع خوارزميات تشكيل الحزم الرقمية (DBF)، يمكن لصفيفات التدابير المضادة تصنيع حزم ضيقة عالية الكسب في وقت قصير للغاية (مقياس ميلي ثانية) لتوجيه التداخل الكهرومغناطيسي على الطائرات بدون طيار المتطفلة على المدى الطويل.

الأسطح الذكية الذكية القابلة لإعادة التشكيل (RIS): من خلال التغيير الديناميكي لمرحلة عناصر الأسطح الخارجية في الوقت الفعلي، يمكن لهذه الأنظمة التعامل بمرونة مع الحزم المنعكسة أو المنقولة، مما يتيح بناء أسوار كهرومغناطيسية منخفضة الطاقة ومتعددة الاتجاهات وفعالة من حيث التكلفة.

3.2 قمع الاتجاه واسع النطاق وإحراز الشعاع التكيفي

تستخدم الطائرات بدون طيار الحديثة غير المشروعة في كثير من الأحيان تقنية طيف انتشار القفز الترددي (FHSS) ونطاقات التردد غير القياسية للتحكم عن بعد ونقل الفيديو، الأمر الذي يتطلب هوائيات مضادة لامتلاك نطاق تشغيل ديناميكي واسع للغاية.

تُستخدم مصفوفات ثنائي القطب اللوغاريتمي الدوري (LPDA) ومصفوفات الهوائي البوق عالي الكسب على نطاق واسع في 'بنادق التشويش' المحمولة ومحطات الدفاع الثابتة نظرًا لخصائص النطاق العريض للغاية. لمعالجة مسألة الأضرار الجانبية التي تلحق بالطائرات الشرعية الصديقة أثناء عمليات التشويش، أدخلت أنظمة هوائيات التدابير المضادة الحديثة تقنية إلغاء الشعاع التكيفي. على جانب معالجة الإشارات الرقمية، بينما يتم توجيه الهوائي نحو طائرات بدون طيار غير مصرح بها، فإنه يمكنه تلقائيًا إنشاء شقوق كهرومغناطيسية (أي نقاط عمياء حيث يكون اكتساب الإشعاع قريبًا من الصفر) في اتجاه الشرطة الصديقة وطائرات الإنقاذ بدون طيار أو محطات القاعدة المدنية القريبة، وبالتالي تحقيق تكوين دفاعي متقدم يتميز بـ 'ضربات اتجاهية دقيقة دون أي تأثير على الاتصالات الصديقة'.

4. ملخص ونظرة مستقبلية لتكنولوجيا هندسة الهوائيات

في المستقبل، لن تتبع تقنيات الاتصالات والملاحة وهوائيات التدابير المضادة على ارتفاعات منخفضة مسارات تطوير معزولة، ولكنها ستظهر بدلاً من ذلك خصائص التكامل العميق والتصغير والذكاء:

 

بالنسبة لمهندسي الهوائيات، لن تكمن تحديات المستقبل في تصميم أجهزة الترددات اللاسلكية نفسها فحسب، بل أيضًا في كيفية دمج الكهرومغناطيسية الفيزيائية المتقدمة وعلوم المواد المتطورة وخوارزميات الذكاء الاصطناعي بسلاسة. إن الدفع المستمر لحدود الكهرومغناطيسية في القنوات المعقدة منخفضة الارتفاع هو حجر الزاوية في بناء إنترنت الأشياء آمن وفعال وسلس على ارتفاعات منخفضة.