Εστίαση στις τάσεις των επικοινωνιών χαμηλού υψομέτρου στις τεχνολογίες κεραίας μετάδοσης βίντεο, πλοήγησης και αντιμέτρων με drone

Στο πλαίσιο της οικονομίας χαμηλού υψομέτρου που απογειώνεται σε πλήρη εξέλιξη, τα μη επανδρωμένα εναέρια οχήματα (UAV) δεν είναι πλέον απλώς απομονωμένο ιπτάμενο υλικό, αλλά έχουν εξελιχθεί σε ευφυείς εναέριους κινητούς κόμβους που ενσωματώνουν προηγμένες λειτουργίες επικοινωνίας, πλοήγησης και τηλεχειρισμού (CNR). Με την ευρεία εφαρμογή των eVTOL (ηλεκτρικά αεροσκάφη κατακόρυφης απογείωσης και προσγείωσης) και UAV βιομηχανικής ποιότητας σε σενάρια όπως η αστική επιμελητεία, η επιθεώρηση γραμμών ηλεκτρικής ενέργειας και η έκτακτη διάσωση, το ηλεκτρομαγνητικό περιβάλλον χαμηλού υψομέτρου γίνεται όλο και πιο περίπλοκο.

Ως κρίσιμη διεπαφή μεταξύ των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων και της πρόσοψης ραδιοσυχνοτήτων, η ποιότητα του σχεδιασμού της κεραίας καθορίζει άμεσα το εύρος επικοινωνίας, την ακρίβεια τοποθέτησης και τις δυνατότητες ασφάλειας ολόκληρου του συστήματος. Αυτό το άρθρο θα παρέχει μια εις βάθος ανάλυση των τρεχουσών τεχνικών προκλήσεων, των βασικών λύσεων και των μελλοντικών τάσεων σε τρεις βασικούς τομείς - μετάδοση βίντεο, πλοήγηση και αντίμετρα - από την οπτική γωνία ενός επαγγελματία μηχανικού κεραιών.

1. Τεχνολογία κεραίας μετάδοσης βίντεο UAV: ​​υψηλό εύρος ζώνης, σύμμορφος σχεδιασμός πολλαπλών συχνοτήτων και προσαρμογή καναλιού

Η μετάδοση εικόνας υψηλής ευκρίνειας και χαμηλής καθυστέρησης είναι κεντρικής σημασίας για τη λειτουργία των μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων (UAV). Επί του παρόντος, η ζήτηση για μετάδοση ροών βίντεο 4K/8K εξαιρετικά υψηλής ευκρίνειας και πολλαπλών καναλιών ψηφιακών και ευφυών δικτυωμένων δεδομένων επιβάλλει ακραίες απαιτήσεις στις κεραίες μετάδοσης βίντεο, απαιτώντας αυτές να είναι «υψηλού κέρδους, ευρέος εύρους ζώνης και συμπαγείς».

1.1 Τεχνολογία πολλαπλών ζωνών και υπερευρείας ζώνης (UWB).

Τα παραδοσιακά UAV συνήθως χρησιμοποιούν ξεχωριστές κεραίες για διαφορετικές λειτουργικές ζώνες συχνοτήτων (όπως το αποκλειστικό δημόσιο δίκτυο 1,4 GHz και τις βιομηχανικές και αστικές ζώνες 2,4 GHz/5,8 GHz). Αυτή η σχεδίαση «μία συχνότητα, μία κεραία» όχι μόνο καταναλώνει σημαντική ποσότητα επιφάνειας σκελετού αεροσκάφους, αλλά οδηγεί επίσης σε σοβαρές παρεμβολές ενδοδιαμόρφωσης (PIM) και ηλεκτρομαγνητική συμβατότητα (EMC) λόγω της πολύ κοντινής θέσης των κεραιών μεταξύ τους.

Η κυρίαρχη τάση στη σύγχρονη μηχανική κεραιών είναι η υιοθέτηση σχεδίων φράκταλ Ultra-Wideband (UWB) ή τεχνολογιών κοινής κεραίας πολλαπλών λειτουργιών, πολλαπλών συχνοτήτων.

Fractal Antenna: Χρησιμοποιώντας την αυτο-ομοιότητα των γεωμετρικών φράκταλ, η κεραία αντηχεί ταυτόχρονα σε πολλαπλές διακριτές ζώνες συχνοτήτων, αντικαθιστώντας έτσι τις τρεις μονάδες κεραίας που απαιτούνταν προηγουμένως με μία μόνο μονάδα.

Ενσωμάτωση πολλαπλών στρωμάτων Κεραμικής συν-καύσης χαμηλής θερμοκρασίας (LTCC): Με την ενσωμάτωση του πολυπλέκτη και της κεραίας στο μπροστινό μέρος RF, το φιλτράρισμα, η αντιστοίχιση σύνθετης αντίστασης και το στοιχείο ακτινοβολίας συνδυάζονται σε μια ενιαία μονάδα, μειώνοντας σημαντικά το φορτίο επί του οχήματος.

1.2 Σύμμορφες κεραίες και πανκατευθυντική ακτινοβολία υψηλής απολαβής

Για να αποφευχθεί ο συμβιβασμός της αεροδυναμικής διαμόρφωσης των μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων (UAV) και για να μειωθεί η αεροδυναμική οπισθέλκουσα, η σύμμορφη τεχνολογία κεραίας αντικαθιστά γρήγορα τις εξωτερικές κεραίες.

Με την άμεση και διακριτική ενσωμάτωση συστοιχιών μπαλωμάτων μικροταινιών και κεραιών ευέλικτου τυπωμένου κυκλώματος (FPC) στην εμπρόσθια άκρη των φτερών του drone, στο σύστημα προσγείωσης ή στο εσωτερικό της σύνθετης ατράκτου, επιτυγχάνεται μια «απρόσκοπτη» εγκατάσταση. Ωστόσο, τα σύμμορφα σχέδια συχνά περιορίζονται από την καμπυλότητα του πλαισίου του αεροσκάφους, η οποία μπορεί εύκολα να οδηγήσει σε παραμόρφωση του σχεδίου ακτινοβολίας. Οι μηχανικοί εισάγουν μεταϋλικά για το χειρισμό των επιφανειακών κυμάτων, διασφαλίζοντας ότι η κεραία διατηρεί εξαιρετικά χαρακτηριστικά πανκατευθυντικής κυκλικότητας και κυκλικής πόλωσης ακόμη και κατά τη διάρκεια δραστικών αλλαγών στη στάση του πλαισίου του αεροσκάφους (όπως καταδύσεις ή στροφές υψηλής γωνίας), καταστέλλοντας έτσι αποτελεσματικά το σκίσιμο ή το τρεμόπαιγμα της εικόνας που προκαλείται από εφέ πολλαπλών διαδρομών στη μετάδοση βίντεο.

2. Τεχνολογία κεραίας πλοήγησης UAV: ​​Αντίσταση παρεμβολών υψηλής ακρίβειας και ραδιοσυχνοτήτων σε όλο το σύστημα

Τα συστήματα πλοήγησης χρησιμεύουν ως τα «μάτια» ενός UAV. Είτε πρόκειται για βιομηχανικό UAV που εκτελεί αυτόνομες επιθεωρήσεις σε επίπεδο εκατοστών είτε για εξειδικευμένο εξοπλισμό που χρησιμοποιείται για τη δημόσια ασφάλεια, και τα δύο βασίζονται σε μεγάλο βαθμό σε σταθερά και αξιόπιστα συστήματα δορυφορικής πλοήγησης (GNSS).

2.1 Τοποθέτηση υψηλής ακρίβειας πολλαπλών συχνοτήτων σε όλο το σύστημα

Για να ανταποκρίνονται στις τεχνικές απαιτήσεις του RTK (Real-Time Kinematic) και του PPP (Precision Point Positioning), οι σύγχρονες κεραίες πλοήγησης UAV πρέπει να μπορούν να καλύπτουν ταυτόχρονα όλες τις ζώνες συχνοτήτων των μεγάλων συστημάτων πλοήγησης στον κόσμο, συμπεριλαμβανομένων των κινεζικών BeiDou (B1/B2/B3), των USSL της Ρωσίας GPSsL15L. Ο Γαλιλαίος.

Στον μηχανολογικό σχεδιασμό, η βασική μέτρηση για την αξιολόγηση των κεραιών πλοήγησης υψηλής ακρίβειας είναι η Παραλλαγή Κέντρου Φάσης (PCV).

Οι μηχανικοί χρησιμοποιούν ένα σχέδιο δικτύου πολλαπλών τροφοδοσίας για να διασφαλίσουν ότι το κέντρο ηλεκτρικής φάσης και το φυσικό κέντρο της κεραίας συμπίπτουν χωρικά εντός του χιλιοστού.

Βελτιστοποιώντας την απόδοση απολαβής της κεραίας σε γωνίες χαμηλού υψομέτρου, το drone μπορεί ακόμα να κλειδώσει σε επαρκή αριθμό «δορυφόρων χαμηλού υψομέτρου» σε δύσκολα ηλεκτρομαγνητικά περιβάλλοντα, όπως αστικά φαράγγια και δασικές περιοχές, αποτρέποντας έτσι την απώλεια θέσης.

 

2.2 Εξέλιξη και μικρογραφία της κεραίας Quadrifilar Helix

Σε μικρά και καταναλωτικά drones, η τετράπλευρη ελικοειδής κεραία (QHA) είναι η προτιμώμενη επιλογή λόγω των μοναδικών δομικών πλεονεκτημάτων της. Το QHA είναι ικανό να προσφέρει εξαιρετική καθαρότητα κυκλικής πόλωσης (δηλαδή μια εξαιρετικά χαμηλή αξονική αναλογία) και ένα σχεδόν τέλειο ημισφαιρικό σχέδιο ακτινοβολίας χωρίς την ανάγκη για μεγάλο μεταλλικό επίπεδο γείωσης.

Η τρέχουσα κατεύθυνση της τεχνολογικής προόδου περιλαμβάνει τη χρήση κεραμικών μικροκυμάτων υψηλής διηλεκτρικής σταθερότητας ως διηλεκτρικού υποστρώματος. Με την αύξηση της διηλεκτρικής σταθεράς, οι φυσικές διαστάσεις της κεραίας μπορούν να μειωθούν περισσότερο από 60%. Επιπλέον, όταν συνδυάζεται με έναν ενσωματωμένο ενισχυτή χαμηλού θορύβου υψηλής γραμμικότητας (LNA) και φίλτρα ακουστικών κυμάτων επιφάνειας υψηλής (SAW)/χύδην ακουστικών κυμάτων (BAW), ισχυρές αρμονικές παρεμβολές από επίγειους σταθμούς βάσης (όπως σήματα 5G/6G) μπορούν να φιλτραριστούν στην πηγή.

3. Drone Countermeasure Antenna Technology: The Transition from Electromagnetic Jamming to Integrated Communications, Sensing and Computing

Η έκρηξη στην οικονομία χαμηλού υψομέτρου απαιτεί αναπόφευκτα αναβαθμίσεις σε αμυντικές τεχνολογίες κατά των παράνομων drones «μαύρης πτήσης». Οι παραδοσιακές κεραίες αντιμέτρων χρησιμοποιούν κυρίως πανκατευθυντική εμπλοκή υψηλής ισχύος. Αυτή η προσέγγιση της «καμένης γης» είναι πολύ πιθανό να παρέμβει στα γύρω δίκτυα μη στρατιωτικών επικοινωνιών. Η τεχνολογία κεραιών αντιμέτρων νέας γενιάς εξελίσσεται προς την ευφυΐα, την κατευθυντικότητα και την ενοποίηση των επικοινωνιών, της ανίχνευσης και των υπολογιστών.

3.1 5G-A Ολοκληρωμένη ανίχνευση και επικοινωνία και συστοιχίες φάσης Metasurface

Με την κάλυψη του εναέριου χώρου χαμηλού υψομέτρου από 5G-A (5G-Advanced) και μελλοντικά δίκτυα 6G, οι κεραίες Integrated Sensing and Communication (ISAC) έχουν γίνει ένα θέμα έρευνας αιχμής στον τομέα των ραδιοσυχνοτήτων.

Τα συστήματα αντίμετρων δεν είναι πλέον απλώς μεμονωμένα «αποφράξεις», αλλά έχουν εξελιχθεί σε έξυπνα τερματικά που ενσωματώνουν ανίχνευση ραντάρ και ηλεκτρομαγνητική καταστολή.

Κεραίες Active Electronically Scanned Array (AESA): Σε συνδυασμό με αλγόριθμους Digital Beamforming (DBF), οι συστοιχίες αντιμέτρων μπορούν να συνθέσουν στενές δέσμες υψηλής απολαβής σε εξαιρετικά σύντομο χρόνο (κλίμακα χιλιοστού του δευτερολέπτου) για να κατευθύνουν ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές σε εισβολικά UAV σε μεγάλη εμβέλεια.

Αναδιαμορφώσιμες Ευφυείς Μεταεπιφάνειες (RIS): Μεταβάλλοντας δυναμικά τη φάση των στοιχείων μετα-επιφάνειας σε πραγματικό χρόνο, αυτά τα συστήματα μπορούν να χειριστούν ευέλικτα τις ανακλώμενες ή μεταδιδόμενες δέσμες, επιτρέποντας την κατασκευή ηλεκτρομαγνητικών περιφράξεων χαμηλής κατανάλωσης, πανκατευθυντικών και οικονομικά αποδοτικών.

3.2 Καταστολή κατεύθυνσης υπερευρείας ζώνης και προσαρμοστική εγκοπή δέσμης

Τα σύγχρονα παράνομα UAV χρησιμοποιούν συχνά τεχνολογία διασκορπισμένου φάσματος μεταπήδησης συχνότητας (FHSS) και μη τυπικές ζώνες συχνοτήτων για τηλεχειρισμό και μετάδοση βίντεο, κάτι που απαιτεί κεραίες αντιμέτρων για να διαθέτουν εξαιρετικά μεγάλο δυναμικό εύρος λειτουργίας.

Οι συστοιχίες κεραιών λογαριθμικού-περιοδικού δίπολου (LPDA) και κόρνας υψηλής απολαβής χρησιμοποιούνται ευρέως σε φορητά «όπλα εμπλοκής» και σταθερούς αμυντικούς σταθμούς λόγω των χαρακτηριστικών υπερευρείας ζώνης τους. Για να αντιμετωπιστεί το ζήτημα της παράπλευρης βλάβης σε φιλικά νόμιμα αεροσκάφη κατά τη διάρκεια εργασιών εμπλοκής, τα σύγχρονα συστήματα κεραίας αντιμέτρων έχουν εισαγάγει την προσαρμοστική τεχνολογία μηδενισμού δέσμης. Από την πλευρά της ψηφιακής επεξεργασίας σήματος, ενώ η κεραία κατευθύνεται σε μη εξουσιοδοτημένα drones, μπορεί να δημιουργήσει αυτόματα ηλεκτρομαγνητικές εγκοπές (δηλαδή τυφλά σημεία όπου η αύξηση της ακτινοβολίας είναι κοντά στο μηδέν) προς την κατεύθυνση φιλικών αεροσκαφών αστυνομίας και διάσωσης ή κοντινών σταθμών βάσης πολιτών.

4. Σύνοψη και Μελλοντικές Προοπτικές για την Τεχνολογία Μηχανικής Κεραιών

Στο μέλλον, οι τεχνολογίες κεραιών επικοινωνίας, πλοήγησης και αντίμετρων σε χαμηλό υψόμετρο δεν θα ακολουθούν πλέον μεμονωμένες διαδρομές ανάπτυξης, αλλά αντίθετα θα παρουσιάζουν χαρακτηριστικά βαθιάς ολοκλήρωσης, σμίκρυνσης και ευφυΐας:

 

Για τους μηχανικούς κεραιών, οι προκλήσεις του μέλλοντος δεν θα έγκεινται μόνο στη σχεδίαση του ίδιου του υλικού ραδιοσυχνοτήτων, αλλά και στο πώς να ενσωματώσουν απρόσκοπτα προηγμένους φυσικούς ηλεκτρομαγνητικούς, προηγμένους αλγόριθμους επιστήμης υλικών και τεχνητής νοημοσύνης. Η συνεχής ώθηση των ορίων της ηλεκτρομαγνητικής σε πολύπλοκα κανάλια χαμηλού υψομέτρου είναι ο ακρογωνιαίος λίθος για την οικοδόμηση ενός ασφαλούς, αποτελεσματικού και απρόσκοπτου Διαδικτύου των πραγμάτων σε χαμηλό υψόμετρο.