Konzentrieren Sie sich auf Kommunikationstrends in geringer Höhe bei Drohnen-Videoübertragung, Navigation und Gegenmaßnahmen-Antennentechnologien

Vor dem Hintergrund, dass die Wirtschaft in geringer Höhe in vollem Gange ist, sind unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) nicht mehr nur isolierte fliegende Hardware, sondern haben sich zu intelligenten mobilen Luftknoten entwickelt, die fortschrittliche Kommunikations-, Navigations- und Fernsteuerungsfunktionen (CNR) integrieren. Mit der weit verbreiteten Anwendung von eVTOLs (elektrischen vertikal startenden und landenden Flugzeugen) und industrietauglichen UAVs in Szenarien wie städtischer Logistik, Stromleitungsinspektion und Notfallrettung wird die elektromagnetische Umgebung in geringer Höhe immer komplexer.

Als kritische Schnittstelle zwischen elektromagnetischen Wellen und dem Hochfrequenz-Frontend bestimmt die Qualität des Antennendesigns direkt die Kommunikationsreichweite, die Positionierungsgenauigkeit und die Sicherheitsfähigkeiten des gesamten Systems. Dieser Artikel bietet eine eingehende Analyse aktueller technischer Herausforderungen, Mainstream-Lösungen und zukünftiger Trends in drei Kernbereichen – Videoübertragung, Navigation und Gegenmaßnahmen – aus der Sicht eines professionellen Antenneningenieurs.

1. UAV-Videoübertragungsantennentechnologie: hohe Bandbreite, konformes Mehrfrequenzdesign und Kanalanpassung

Eine hochauflösende Bildübertragung mit geringer Latenz ist für den Betrieb unbemannter Luftfahrzeuge (UAVs) von zentraler Bedeutung. Derzeit stellt die Nachfrage nach der Übertragung von 4K/8K-Ultra-High-Definition-Videostreams und mehreren Kanälen digitaler und intelligenter Netzwerkdaten extreme Anforderungen an Videoübertragungsantennen, die „hohe Verstärkung, große Bandbreite und Kompaktheit“ erfordern.

1.1 Multiband- und Ultra-Wideband-Technologie (UWB).

Herkömmliche UAVs verwenden in der Regel separate Antennen für verschiedene Betriebsfrequenzbänder (z. B. das 1,4-GHz-Regierungsnetzwerk und die 2,4-GHz-/5,8-GHz-Industrie- und Zivilbänder). Dieses „Eine Frequenz, eine Antenne“-Design beansprucht nicht nur eine erhebliche Menge an Flugzeugfläche, sondern führt auch zu schwerwiegenden Intermodulationsinterferenzen (PIM) und elektromagnetischen Verträglichkeitsproblemen (EMV), da die Antennen zu nahe beieinander positioniert sind.

Der vorherrschende Trend in der modernen Antennentechnik ist die Einführung fraktaler Ultra-Wideband-Designs (UWB) oder gemeinsam genutzter Multimode- und Multifrequenz-Antennentechnologien.

Fraktale Antenne: Durch die Nutzung der Selbstähnlichkeit geometrischer Fraktale schwingt die Antenne gleichzeitig über mehrere diskrete Frequenzbänder und ersetzt so die drei bisher erforderlichen Antenneneinheiten durch eine einzige Einheit.

Mehrschichtige Low-Temperature Co-fired Ceramic (LTCC)-Integration: Durch die Integration des Multiplexers und der Antenne in das HF-Frontend werden Filterung, Impedanzanpassung und das Strahlungselement in einer einzigen Einheit kombiniert, wodurch die Bordlast erheblich reduziert wird.

1.2 Konforme Antennen und omnidirektionale Hochleistungsstrahlung

Um die aerodynamische Konfiguration unbemannter Luftfahrzeuge (UAVs) nicht zu beeinträchtigen und den Luftwiderstand zu verringern, ersetzt die konforme Antennentechnologie zunehmend externe Peitschenantennen.

Durch die direkte und diskrete Integration von Mikrostreifen-Patch-Arrays und flexiblen Leiterplattenantennen (FPC) in die Vorderkante der Drohnenflügel, das Fahrwerk oder das Innere des Verbundrumpfs wird eine „nahtlose“ Installation erreicht. Allerdings sind konforme Designs häufig durch die Krümmung der Flugzeugzelle eingeschränkt, was leicht zu einer Verzerrung des Strahlungsmusters führen kann. Ingenieure führen Metamaterialien ein, um Oberflächenwellen zu manipulieren, um sicherzustellen, dass die Antenne auch bei drastischen Änderungen der Fluglage der Flugzeugzelle (z. B. bei Tauchgängen oder Kurven in großen Winkeln) eine hervorragende Rundstrahlcharakteristik und Zirkularpolarisation beibehält und so Bildrisse oder Flimmern bei der Videoübertragung, die durch Mehrwegeeffekte verursacht werden, wirksam unterdrücken.

2. UAV-Navigationsantennentechnologie: Systemweite hohe Präzision und HF-Front-End-Interferenzresistenz

Navigationssysteme dienen als „Augen“ eines UAV. Ob es sich um ein industrielles UAV handelt, das autonome Inspektionen im Zentimeterbereich durchführt, oder um Spezialausrüstung für die öffentliche Sicherheit: Beide sind stark auf stabile und zuverlässige Satellitennavigationssysteme (GNSS) angewiesen.

2.1 Systemweite Multifrequenz-Positionierung mit hoher Präzision

Um die technischen Anforderungen von RTK (Real-Time Kinematic) und PPP (Precision Point Positioning) zu erfüllen, müssen moderne UAV-Navigationsantennen in der Lage sein, gleichzeitig alle Frequenzbänder der wichtigsten Navigationssysteme der Welt abzudecken, darunter Chinas BeiDou (B1/B2/B3), das US-amerikanische GPS (L1/L2/L5), Russlands GLONASS und Europas Galileo.

Im technischen Design ist die Phasenzentrumsvariation (PCV) die zentrale Messgröße für die Bewertung hochpräziser Navigationsantennen.

Ingenieure verwenden ein Multi-Feed-Netzwerkdesign, um sicherzustellen, dass das elektrische Phasenzentrum und das physikalische Zentrum der Antenne räumlich bis auf den Millimeter genau übereinstimmen.

Durch die Optimierung der Verstärkungsleistung der Antenne bei niedrigen Höhenwinkeln kann die Drohne auch in schwierigen elektromagnetischen Umgebungen, wie z. B. städtischen Schluchten und Waldgebieten, immer noch eine ausreichende Anzahl von „Satelliten in geringer Höhe“ anvisieren und so Positionsverluste verhindern.

 

2.2 Entwicklung und Miniaturisierung der Quadrifilar-Helix-Antenne

Bei kleinen und Verbraucherdrohnen ist die Quadrifilar-Helix-Antenne (QHA) aufgrund ihrer einzigartigen strukturellen Vorteile die bevorzugte Wahl. Der QHA ist in der Lage, eine hervorragende Zirkularpolarisationsreinheit (dh ein extrem niedriges Achsenverhältnis) und ein nahezu perfektes halbkugelförmiges Strahlungsmuster zu liefern, ohne dass eine große Metallgrundplatte erforderlich ist.

Die aktuelle Richtung des technologischen Fortschritts beinhaltet die Verwendung von Mikrowellenkeramik mit hoher Dielektrizitätskonstante als dielektrisches Substrat. Durch die Erhöhung der Dielektrizitätskonstante können die physikalischen Abmessungen der Antenne um mehr als 60 % reduziert werden. Darüber hinaus können in Kombination mit einem integrierten rauscharmen Verstärker mit hoher Linearität (LNA) und Filtern für Oberflächenwellen (SAW)/Bulk Acoustic Wave (BAW) mit hohem Gütefaktor starke harmonische Störungen von bodengestützten Basisstationen (z. B. 5G/6G-Signale) an der Quelle herausgefiltert werden.

3. Antennentechnologie für Drohnen-Gegenmaßnahmen: Der Übergang von elektromagnetischer Störung zu integrierter Kommunikation, Sensorik und Datenverarbeitung

Der Boom der Tieflandwirtschaft erfordert unweigerlich eine Modernisierung der Verteidigungstechnologien gegen illegale „Schwarzflug“-Drohnen. Herkömmliche Antennen für Gegenmaßnahmen verwenden vorwiegend omnidirektionale Hochleistungsstörsender. Dieser Ansatz der „verbrannten Erde“ wird höchstwahrscheinlich die umliegenden zivilen Kommunikationsnetze stören. Die Gegenmaßnahmen-Antennentechnologie der neuen Generation entwickelt sich in Richtung Intelligenz, Direktionalität und der Integration von Kommunikation, Sensorik und Datenverarbeitung.

3.1 Integrierte 5G-A-Sensorik und -Kommunikation sowie Metasurface-Phased-Arrays

Mit der Abdeckung des Luftraums in geringer Höhe durch 5G-A (5G-Advanced) und zukünftige 6G-Netze sind ISAC-Antennen (Integrated Sensing and Communication) zu einem hochmodernen Forschungsthema im HF-Bereich geworden.

Gegenmaßnahmensysteme sind nicht mehr nur einzelne „Störsender“, sondern haben sich zu intelligenten Terminals entwickelt, die Radarerkennung und elektromagnetische Unterdrückung integrieren.

Active Electronically Scanned Array (AESA)-Antennen: In Kombination mit Digital Beamforming (DBF)-Algorithmen können Gegenmaßnahmen-Arrays in extrem kurzer Zeit (Millisekundenbereich) schmale Strahlen mit hoher Verstärkung synthetisieren, um elektromagnetische Störungen auf große Entfernung auf eindringende UAVs zu richten.

Rekonfigurierbare intelligente Metaoberflächen (RIS): Durch die dynamische Änderung der Phase von Metaoberflächenelementen in Echtzeit können diese Systeme reflektierte oder durchgelassene Strahlen flexibel manipulieren und so den Bau stromsparender, omnidirektionaler und kostengünstiger elektromagnetischer Zäune ermöglichen.

3.2 Ultrabreitband-Richtungsunterdrückung und adaptive Strahlkerbung

Moderne illegale UAVs nutzen häufig die Frequency-Hopping-Spread-Spectrum-Technologie (FHSS) und nicht standardmäßige Frequenzbänder für die Fernsteuerung und Videoübertragung, was erfordert, dass Gegenmaßnahmenantennen über einen extrem großen dynamischen Betriebsbereich verfügen.

Logarithmisch-periodische Dipolantennen (LPDA) und Hochleistungs-Hornantennenarrays werden aufgrund ihrer Ultrabreitbandeigenschaften häufig in tragbaren „Störkanonen“ und festen Verteidigungsstationen eingesetzt. Um das Problem der Kollateralschäden an befreundeten legitimen Flugzeugen bei Störeinsätzen anzugehen, haben moderne Gegenmaßnahmen-Antennensysteme die adaptive Strahlnullungstechnologie eingeführt. Auf der Seite der digitalen Signalverarbeitung kann die Antenne, während sie auf nicht autorisierte Drohnen gerichtet ist, automatisch elektromagnetische Kerben (d. h. tote Winkel, in denen der Strahlungsgewinn nahezu Null ist) in Richtung befreundeter Polizei- und Rettungsdrohnen oder nahegelegener ziviler Basisstationen erzeugen und so eine fortschrittliche Verteidigungskonfiguration erreichen, die durch „präzise, ​​gerichtete Angriffe ohne Auswirkungen auf die verbündete Kommunikation“ gekennzeichnet ist.

4. Zusammenfassung und Zukunftsaussichten für die Antennentechnik

Künftig werden Tiefflugkommunikations-, Navigations- und Abwehrantennentechnologien nicht mehr isolierten Entwicklungspfaden folgen, sondern Merkmale tiefer Integration, Miniaturisierung und Intelligenz aufweisen:

 

Für Antenneningenieure liegen die Herausforderungen der Zukunft nicht nur im Design der HF-Hardware selbst, sondern auch in der Frage, wie sich fortschrittliche physikalische Elektromagnetik, modernste Materialwissenschaft und Algorithmen der künstlichen Intelligenz nahtlos integrieren lassen. Die kontinuierliche Erweiterung der Grenzen der Elektromagnetik in komplexen Kanälen in geringer Höhe ist der Grundstein für den Aufbau eines sicheren, effizienten und nahtlosen Internets der Dinge in geringer Höhe.