Skoncentruj się na trendach w komunikacji na małych wysokościach w technologiach transmisji wideo, nawigacji i anten przeciwdziałających dronom

W kontekście rozwijającej się pełną parą gospodarki działającej na małych wysokościach, bezzałogowe statki powietrzne (UAV) nie są już jedynie izolowanym sprzętem latającym, ale przekształciły się w inteligentne powietrzne mobilne węzły integrujące zaawansowane funkcje komunikacji, nawigacji i zdalnego sterowania (CNR). Wraz z powszechnym stosowaniem eVTOL (elektrycznych samolotów pionowego startu i lądowania) oraz UAV klasy przemysłowej w scenariuszach takich jak logistyka miejska, inspekcja linii energetycznych i ratownictwo, środowisko elektromagnetyczne na małych wysokościach staje się coraz bardziej złożone.

Jako krytyczny interfejs między falami elektromagnetycznymi a interfejsem częstotliwości radiowej, jakość konstrukcji anteny bezpośrednio determinuje zasięg komunikacji, dokładność pozycjonowania i możliwości bezpieczeństwa całego systemu. Artykuł ten zawiera dogłębną analizę obecnych wyzwań technicznych, głównych rozwiązań i przyszłych trendów w trzech głównych obszarach — transmisji wideo, nawigacji i środków zaradczych — z perspektywy profesjonalnego inżyniera anten.

1. Technologia anten do transmisji wideo UAV: ​​wysoka przepustowość, wieloczęstotliwościowa konstrukcja konforemna i adaptacja kanałów

Transmisja obrazu o wysokiej rozdzielczości i niskim opóźnieniu ma kluczowe znaczenie dla działania bezzałogowych statków powietrznych (UAV). Obecnie zapotrzebowanie na transmisję strumieni wideo o ultrawysokiej rozdzielczości 4K/8K oraz wielu kanałów cyfrowych i inteligentnych danych sieciowych stawia ekstremalne wymagania antenom do transmisji wideo, wymagając, aby były one „o dużym wzmocnieniu, szerokiej przepustowości i kompaktowe”.

1.1 Technologia wielopasmowa i ultraszerokopasmowa (UWB).

Tradycyjne UAV zazwyczaj wykorzystują oddzielne anteny dla różnych operacyjnych pasm częstotliwości (takich jak dedykowana sieć rządowa 1,4 GHz oraz pasma przemysłowe i cywilne 2,4 GHz/5,8 GHz). Taka konstrukcja typu „jedna częstotliwość, jedna antena” nie tylko zajmuje znaczną część powierzchni płatowca, ale także prowadzi do poważnych problemów z zakłóceniami intermodulacyjnymi (PIM) i kompatybilnością elektromagnetyczną (EMC) ze względu na umieszczenie anten zbyt blisko siebie.

Dominującym trendem we współczesnej inżynierii anten jest przyjęcie ultraszerokopasmowych konstrukcji fraktalnych (UWB) lub technologii wielomodowych i wieloczęstotliwościowych anten współdzielonych.

Antena fraktalna: Wykorzystując samopodobieństwo geometrycznych fraktali, antena rezonuje jednocześnie w wielu dyskretnych pasmach częstotliwości, zastępując w ten sposób trzy wymagane wcześniej jednostki antenowe jedną jednostką.

Integracja wielowarstwowej, niskotemperaturowej ceramiki współspalanej (LTCC): Dzięki integracji multipleksera i anteny w obszarze czołowym RF filtrowanie, dopasowanie impedancji i element promieniujący są połączone w jedną jednostkę, znacznie zmniejszając obciążenie na pokładzie.

1.2 Anteny konforemne i promieniowanie dookólne o dużym wzmocnieniu

Aby uniknąć pogorszenia konfiguracji aerodynamicznej bezzałogowych statków powietrznych (UAV) i zmniejszyć opór aerodynamiczny, technologia anten konforemnych szybko zastępuje zewnętrzne anteny biczowe.

Dzięki bezpośredniej i dyskretnej integracji układów mikropaskowych i anten z elastycznym obwodem drukowanym (FPC) z krawędzią natarcia skrzydeł drona, podwoziem lub wnętrzem kompozytowego kadłuba, uzyskuje się „bezproblemową” instalację. Jednakże konstrukcje konforemne są często ograniczone przez krzywiznę płatowca, co może łatwo prowadzić do zniekształcenia charakterystyki promieniowania. Inżynierowie wprowadzają metamateriały do ​​manipulowania falami powierzchniowymi, zapewniając, że antena zachowuje doskonałą dookólną charakterystykę kołowości i polaryzacji kołowej nawet podczas drastycznych zmian w położeniu płatowca (takich jak nurkowania lub zakręty pod dużym kątem), skutecznie tłumiąc w ten sposób rozrywanie lub migotanie obrazu w transmisji wideo spowodowane efektami wielodrożności.

2. Technologia anteny nawigacyjnej UAV: ​​wysoka precyzja w całym systemie i odporność na zakłócenia RF z przodu

Systemy nawigacji służą jako „oczy” UAV. Niezależnie od tego, czy jest to przemysłowy UAV wykonujący autonomiczne inspekcje z dokładnością do centymetra, czy specjalistyczny sprzęt używany dla bezpieczeństwa publicznego, oba w dużym stopniu opierają się na stabilnych i niezawodnych systemach nawigacji satelitarnej (GNSS).

2.1 Precyzyjne pozycjonowanie wieloczęstotliwościowe w całym systemie

Aby spełnić wymagania techniczne RTK (Real-Time Kinematic) i PPP (Precision Point Positioning), nowoczesne anteny nawigacyjne UAV muszą być w stanie jednocześnie pokryć wszystkie pasma częstotliwości głównych systemów nawigacji na świecie, w tym chińskiego BeiDou (B1/B2/B3), amerykańskiego GPS (L1/L2/L5), rosyjskiego GLONASS i europejskiego Galileo.

W projektowaniu inżynierskim podstawową metryką służącą do oceny precyzyjnych anten nawigacyjnych jest zmienność środka fazy (PCV).

Inżynierowie stosują projekt sieci wielozadaniowej, aby zapewnić, że elektryczny środek fazowy i fizyczny anteny pokrywają się przestrzennie z dokładnością do milimetra.

Optymalizując wzmocnienie anteny przy małych kątach elewacji, dron może nadal namierzać wystarczającą liczbę „satelitów na małych wysokościach” w trudnych środowiskach elektromagnetycznych, takich jak kaniony miejskie i obszary zalesione, zapobiegając w ten sposób utracie pozycji.

 

2.2 Ewolucja i miniaturyzacja czterofilarnej anteny śrubowej

W przypadku małych i konsumenckich dronów preferowanym wyborem jest czterolistna antena helisowa (QHA) ze względu na jej unikalne zalety konstrukcyjne. QHA jest w stanie zapewnić doskonałą czystość polaryzacji kołowej (tj. wyjątkowo niski współczynnik osiowy) i niemal idealny półkulisty wzór promieniowania bez potrzeby stosowania dużej metalowej płaszczyzny uziemiającej.

Obecny kierunek postępu technologicznego zakłada wykorzystanie jako podłoża dielektrycznego ceramiki mikrofalowej o wysokiej stałej dielektrycznej. Zwiększając stałą dielektryczną, fizyczne wymiary anteny można zmniejszyć o ponad 60%. Co więcej, w połączeniu ze zintegrowanym niskoszumowym wzmacniaczem o wysokiej liniowości (LNA) i filtrami powierzchniowych fal akustycznych (SAW)/masowych fal akustycznych (BAW) o wysokiej Q, silne zakłócenia harmoniczne z naziemnych stacji bazowych (takie jak sygnały 5G/6G) można odfiltrować u źródła.

3. Technologia anten przeciwdziałających dronom: przejście od zakłócania elektromagnetycznego do zintegrowanej komunikacji, wykrywania i przetwarzania danych

Boom w gospodarce niskogórskiej nieuchronnie wymaga modernizacji technologii obronnych przeciwko nielegalnym dronom „czarnego lotu”. Tradycyjne anteny przeciwdziałające wykorzystują głównie zagłuszanie dookólne o dużej mocy; podejście „spalonej ziemi” z dużym prawdopodobieństwem zakłóca otaczające cywilne sieci komunikacyjne. Technologia anten przeciwdziałających nowej generacji ewoluuje w kierunku inteligencji, kierunkowości i integracji komunikacji, wykrywania i obliczeń.

3.1 Zintegrowane układy wykrywania i komunikacji 5G-A oraz układy fazowe metapowierzchniowe

Wraz z pokryciem przestrzeni powietrznej na małych wysokościach sieciami 5G-A (5G-Advanced) i przyszłymi sieciami 6G, anteny zintegrowanego wykrywania i komunikacji (ISAC) stały się najnowocześniejszym tematem badań w dziedzinie częstotliwości radiowych.

Systemy przeciwdziałania nie są już jedynie pojedynczymi „zakłócaczami”, ale przekształciły się w inteligentne terminale integrujące wykrywanie radarowe i tłumienie elektromagnetyczne.

Anteny z aktywnym elektronicznie skanowanym układem (AESA): w połączeniu z algorytmami cyfrowego kształtowania wiązki (DBF), układy przeciwdziałające mogą syntetyzować wąskie wiązki o dużym wzmocnieniu w niezwykle krótkim czasie (w skali milisekundowej) w celu kierowania zakłóceń elektromagnetycznych na zakłócające UAV z dużej odległości.

Rekonfigurowalne inteligentne metapowierzchnie (RIS): dynamicznie zmieniając fazę elementów metapowierzchni w czasie rzeczywistym, systemy te mogą elastycznie manipulować wiązkami odbitymi lub transmitowanymi, umożliwiając budowę wielokierunkowych i ekonomicznych ogrodzeń elektromagnetycznych o małej mocy.

3.2 Ultraszerokopasmowe tłumienie kierunku i adaptacyjne wycinanie wiązki

Nowoczesne nielegalne UAV często wykorzystują technologię widma rozproszonego ze zmianą częstotliwości (FHSS) i niestandardowe pasma częstotliwości do zdalnego sterowania i transmisji wideo, co wymaga, aby anteny przeciwdziałające posiadały niezwykle szeroki dynamiczny zakres działania.

Układy anten dipolowo-okresowych logarytmicznie (LPDA) i anten tubowych o dużym wzmocnieniu są szeroko stosowane w przenośnych „działach zakłócających” i stacjonarnych stacjach obronnych ze względu na ich ultraszerokopasmową charakterystykę. Aby rozwiązać problem ubocznych uszkodzeń zaprzyjaźnionych, legalnych statków powietrznych podczas operacji zakłócania, w nowoczesnych systemach anten przeciwdziałających wprowadzono technologię adaptacyjnego zerowania wiązki. Po stronie cyfrowego przetwarzania sygnału, gdy antena jest skierowana na nieuprawnione drony, może automatycznie tworzyć nacięcia elektromagnetyczne (tj. martwe punkty, w których wzmocnienie promieniowania jest bliskie zeru) w kierunku przyjaznych dronów policyjnych i ratowniczych lub pobliskich cywilnych stacji bazowych, uzyskując w ten sposób zaawansowaną konfigurację obronną charakteryzującą się „precyzyjnymi uderzeniami kierunkowymi bez wpływu na przyjazną komunikację”.

4. Podsumowanie i perspektywy na przyszłość dla technologii inżynierii antenowej

W przyszłości technologie komunikacji, nawigacji i anten przeciwdziałających na małych wysokościach nie będą już podążać izolowanymi ścieżkami rozwoju, lecz będą wykazywały cechy głębokiej integracji, miniaturyzacji i inteligencji:

 

Dla inżynierów zajmujących się antenami wyzwania przyszłości będą polegać nie tylko na projektowaniu samego sprzętu RF, ale także na tym, jak bezproblemowo zintegrować zaawansowane fizyczne elementy elektromagnetyczne, najnowocześniejsze badania materiałowe i algorytmy sztucznej inteligencji. Ciągłe przesuwanie granic elektromagnetycznych w złożonych kanałach znajdujących się na małych wysokościach jest kamieniem węgielnym budowy bezpiecznego, wydajnego i płynnego Internetu rzeczy na niskich wysokościach.