تمرکز بر روندهای ارتباطات در ارتفاع پایین در انتقال ویدئو با پهپاد، ناوبری و فناوری های آنتن متقابل

در شرایطی که اقتصاد در ارتفاع پایین در حال بلند شدن است، وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (پهپادها) دیگر صرفاً سخت افزار پرنده ایزوله نیستند، بلکه به گره های متحرک هوایی هوشمند تبدیل شده اند که عملکردهای ارتباطات پیشرفته، ناوبری و کنترل از راه دور (CNR) را یکپارچه می کنند. با استفاده گسترده از eVTOL ها (هواپیماهای برخاست و فرود عمودی الکتریکی) و پهپادهای درجه صنعتی در سناریوهایی مانند لجستیک شهری، بازرسی خطوط برق و نجات اضطراری، محیط الکترومغناطیسی در ارتفاع پایین به طور فزاینده ای پیچیده می شود.

به عنوان رابط مهم بین امواج الکترومغناطیسی و فرکانس رادیویی فرکانس جلویی، کیفیت طراحی آنتن به طور مستقیم محدوده ارتباطی، دقت موقعیت یابی و قابلیت های امنیتی کل سیستم را تعیین می کند. این مقاله تجزیه و تحلیل عمیقی از چالش‌های فنی فعلی، راه‌حل‌های اصلی و روندهای آینده در سه حوزه اصلی - انتقال ویدئو، ناوبری و اقدامات متقابل - از دیدگاه یک مهندس آنتن حرفه‌ای ارائه می‌کند.

1. فناوری آنتن انتقال ویدئوی پهپاد: پهنای باند بالا، طراحی منسجم چند فرکانس و سازگاری کانال

انتقال تصویر با کیفیت بالا و با تأخیر کم در عملیات وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (UAV) نقش اساسی دارد. در حال حاضر، تقاضا برای انتقال جریان‌های ویدیویی با کیفیت فوق‌العاده 4K/8K و کانال‌های متعدد داده‌های دیجیتالی و هوشمند شبکه‌ای، تقاضاهای شدیدی را برای آنتن‌های انتقال ویدیو ایجاد می‌کند و به آنتن‌های انتقال ویدیوی «با بهره بالا، پهنای باند وسیع و فشرده» نیاز دارد.

1.1 فناوری چند باند و فوق عریض (UWB).

پهپادهای سنتی معمولاً از آنتن‌های جداگانه برای باندهای فرکانس عملیاتی مختلف (مانند شبکه اختصاصی دولتی 1.4 گیگاهرتز و باندهای صنعتی و عمرانی 2.4 گیگاهرتز / 5.8 گیگاهرتز) استفاده می‌کنند. این طراحی «یک فرکانس، یک آنتن» نه تنها مقدار قابل توجهی از سطح بدنه هواپیما را مصرف می‌کند، بلکه منجر به تداخل شدید درون مدولاسیون (PIM) و مشکلات سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) به دلیل قرار گرفتن آنتن‌ها بسیار نزدیک به یکدیگر می‌شود.

روند غالب در مهندسی آنتن مدرن، پذیرش طرح‌های فراکتال باند فوق‌عرض (UWB) یا فناوری‌های آنتن مشترک چند حالته و چند فرکانس است.

آنتن فراکتال: با استفاده از شباهت خود فراکتال های هندسی، آنتن به طور همزمان در چندین باند فرکانس گسسته طنین انداز می شود و در نتیجه سه واحد آنتنی که قبلاً مورد نیاز بود با یک واحد جایگزین می شود.

ادغام چند لایه سرامیک با دمای پایین (LTCC): با ادغام مالتی پلکسر و آنتن در قسمت جلویی RF، فیلتر کردن، تطبیق امپدانس و عنصر تابشی در یک واحد ترکیب می‌شوند و بار روی برد را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهند.

1.2 آنتن های منسجم و تابش با بهره بالا همه جهته

برای جلوگیری از به خطر انداختن پیکربندی آیرودینامیکی وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (UAV) و برای کاهش کشش آیرودینامیکی، فناوری آنتن منسجم به سرعت در حال جایگزینی آنتن‌های شلاق خارجی است.

با ادغام مستقیم و محتاطانه آرایه‌های وصله میکرواستریپ و آنتن‌های مدار چاپی انعطاف‌پذیر (FPC) در لبه جلویی بال‌های هواپیمای بدون سرنشین، ارابه فرود یا داخل بدنه کامپوزیت، نصب 'یکپارچه' حاصل می‌شود. با این حال، طرح های منسجم اغلب توسط انحنای بدنه هواپیما محدود می شوند، که به راحتی می تواند منجر به اعوجاج الگوی تابش شود. مهندسان در حال معرفی فرامواد برای دستکاری امواج سطحی هستند تا اطمینان حاصل کنند که آنتن دایره ای همه جانبه و ویژگی های قطبش دایره ای عالی را حتی در هنگام تغییرات شدید در نگرش بدنه هواپیما (مانند شیرجه ها یا چرخش های با زاویه بالا) حفظ می کند، در نتیجه به طور موثر پارگی یا سوسو زدن تصویر ناشی از اثرات چند مسیری در انتقال ویدئو را سرکوب می کند.

2. فناوری آنتن ناوبری پهپاد: مقاومت در برابر تداخل با دقت بالا و RF در سراسر سیستم

سیستم های ناوبری به عنوان 'چشم' یک پهپاد عمل می کنند. چه این یک پهپاد صنعتی باشد که بازرسی های مستقل در سطح سانتی متر را انجام می دهد یا تجهیزات تخصصی مورد استفاده برای ایمنی عمومی، هر دو به شدت به سیستم های ناوبری ماهواره ای پایدار و قابل اعتماد (GNSS) متکی هستند.

2.1 موقعیت یابی با دقت بالا با فرکانس چندگانه گسترده سیستم

برای برآورده ساختن الزامات فنی RTK (Real-Time Kinematic) و PPP (Precision Point Positioning)، آنتن های ناوبری پهپاد مدرن باید قابلیت پوشش همزمان تمام باندهای فرکانسی سیستم های ناوبری بزرگ جهان، از جمله BeiDou چین (B1/B2/B3)، USSSs/GPSsL1NA و USSsL5L5 را داشته باشند. گالیله

در طراحی مهندسی، معیار اصلی برای ارزیابی آنتن های ناوبری با دقت بالا، تغییر مرکز فاز (PCV) است.

مهندسان از طراحی شبکه چند تغذیه ای استفاده می کنند تا اطمینان حاصل کنند که مرکز فاز الکتریکی و مرکز فیزیکی آنتن از نظر فضایی تا حدود میلی متر منطبق هستند.

با بهینه‌سازی عملکرد بهره آنتن در زوایای ارتفاع کم، پهپاد همچنان می‌تواند روی تعداد کافی «ماهواره‌های ارتفاع پایین» در محیط‌های چالش‌برانگیز الکترومغناطیسی مانند دره‌های شهری و مناطق جنگلی قفل شود و در نتیجه از از دست دادن موقعیت جلوگیری کند.

 

2.2 تکامل و کوچک سازی آنتن هلیکس Quadrifilar

در پهپادهای کوچک و درجه یک مصرف کننده، آنتن مارپیچ چهار وجهی (QHA) به دلیل مزایای ساختاری منحصر به فرد آن، انتخاب ارجح است. QHA قادر است خلوص قطبش دایره ای عالی (یعنی نسبت محوری بسیار کم) و الگوی تشعشعی نیمکره ای تقریباً کامل را بدون نیاز به صفحه زمین فلزی بزرگ ارائه دهد.

جهت فعلی پیشرفت تکنولوژی شامل استفاده از سرامیک های مایکروویو با ثابت دی الکتریک بالا به عنوان بستر دی الکتریک است. با افزایش ثابت دی الکتریک می توان ابعاد فیزیکی آنتن را بیش از 60 درصد کاهش داد. علاوه بر این، هنگامی که با یک تقویت‌کننده کم نویز خطی بالا (LNA) و فیلترهای موج صوتی سطح بالا (SAW) / موج صوتی حجیم (BAW) ترکیب می‌شود، تداخل هارمونیک قوی از ایستگاه‌های پایه زمینی (مانند سیگنال‌های 5G/6G) می‌تواند در منبع فیلتر شود.

3. فناوری آنتن مقابله با پهپاد: گذار از پارازیت الکترومغناطیسی به ارتباطات یکپارچه ، سنجش و محاسبات

رونق اقتصاد در ارتفاعات پایین به ناچار به ارتقای فناوری‌های دفاعی در برابر هواپیماهای بدون سرنشین غیرقانونی «پرواز سیاه» نیاز دارد. آنتن‌های متقابل سنتی عمدتاً از پارازیت‌های چند جهتی و با قدرت بالا استفاده می‌کنند. این رویکرد 'زمین سوخته' به احتمال زیاد با شبکه های ارتباطی غیرنظامی اطراف تداخل خواهد داشت. فناوری آنتن متقابل نسل جدید به سمت هوشمندی، جهت دهی و ادغام ارتباطات، سنجش و محاسبات در حال تکامل است.

3.1 5G-A حسگر و ارتباطات یکپارچه و آرایه های فازی فراسطحی

با پوشش فضای کم ارتفاع توسط شبکه های 5G-A (5G-Advanced) و شبکه های 6G آینده، آنتن های حسگر و ارتباطات یکپارچه (ISAC) به یک موضوع تحقیقاتی پیشرفته در زمینه RF تبدیل شده اند.

سیستم‌های مقابله‌ای دیگر صرفاً «پارچ‌کننده» نیستند، بلکه به پایانه‌های هوشمندی تبدیل شده‌اند که تشخیص راداری و سرکوب الکترومغناطیسی را یکپارچه می‌کنند.

آنتن‌های آرایه اسکن شده الکترونیکی فعال (AESA): در ترکیب با الگوریتم‌های شکل‌دهی پرتو دیجیتال (DBF)، آرایه‌های متقابل می‌توانند پرتوهای باریک با بهره بالا را در یک زمان بسیار کوتاه (مقیاس میلی‌ثانیه) سنتز کنند تا تداخل الکترومغناطیسی را در پهپادهای مزاحم در برد طولانی هدایت کنند.

Metasurfaces هوشمند قابل تنظیم مجدد (RIS): با تغییر دینامیکی فاز عناصر فراسطحی در زمان واقعی، این سیستم ها می توانند به طور انعطاف پذیر پرتوهای منعکس شده یا ارسال شده را دستکاری کنند و ساخت حصارهای الکترومغناطیسی کم مصرف، همه جهته و مقرون به صرفه را ممکن می سازند.

3.2 سرکوب جهتی با باند فوق العاده و بریدگی پرتو تطبیقی

پهپادهای غیرقانونی مدرن اغلب از فناوری طیف گسترده پرش فرکانس (FHSS) و باندهای فرکانس غیر استاندارد برای کنترل از راه دور و انتقال ویدئو استفاده می‌کنند، که به آنتن‌های اقدام متقابل برای داشتن محدوده عملیاتی بسیار گسترده دینامیکی نیاز دارد.

دوقطبی لگاریتمی- تناوبی (LPDA) و آرایه‌های آنتن شیپوری با بهره بالا به دلیل ویژگی‌های باند فوق‌العاده، به طور گسترده در «تفنگ‌های گیر کردن» قابل حمل و ایستگاه‌های دفاعی ثابت استفاده می‌شوند. برای پرداختن به موضوع آسیب جانبی به هواپیماهای مشروع دوستانه در طول عملیات پارازیت، سیستم‌های آنتن متقابل مدرن، فناوری تهی پرتو تطبیقی ​​را معرفی کرده‌اند. در سمت پردازش سیگنال دیجیتال، در حالی که آنتن به سمت پهپادهای غیرمجاز هدایت می‌شود، می‌تواند به طور خودکار بریدگی‌های الکترومغناطیسی (یعنی نقاط کور که در آن افزایش تشعشع نزدیک به صفر است) در جهت پهپادهای پلیس و امداد و نجات یا ایستگاه‌های پایه غیرنظامی نزدیک ایجاد کند، در نتیجه به یک پیکربندی دفاعی پیشرفته بدون ضربه‌گیری دقیق، بدون جهت‌گیری ارتباطی دفاعی پیشرفته و مشخص‌شده توسط «پیکربندی دفاعی مناسب» دست یابد.

4. خلاصه و چشم انداز آینده برای فناوری مهندسی آنتن

در آینده، فناوری‌های ارتباطی در ارتفاع پایین، ناوبری و آنتن‌های متقابل دیگر مسیرهای توسعه مجزا را دنبال نمی‌کنند، بلکه ویژگی‌های یکپارچگی عمیق، کوچک‌سازی و هوشمندی را نشان خواهند داد:

 

برای مهندسان آنتن، چالش‌های آینده نه تنها در طراحی خود سخت‌افزار RF، بلکه در نحوه ادغام یکپارچه الکترومغناطیسی فیزیکی پیشرفته، علم مواد پیشرفته و الگوریتم‌های هوش مصنوعی نیز نهفته است. فشار مستمر مرزهای الکترومغناطیسی در کانال‌های پیچیده در ارتفاع پایین، سنگ بنای ساخت یک اینترنت اشیا در ارتفاع پایین امن، کارآمد و بدون درز است.