Акцент на тенденциях в области связи на малых высотах в области антенных технологий передачи видео, навигации и противодействия дронами.

На фоне развития маловысотной экономики беспилотные летательные аппараты (БПЛА) больше не являются просто изолированной летательной аппаратурой, а превратились в интеллектуальные воздушные мобильные узлы, объединяющие передовые функции связи, навигации и дистанционного управления (CNR). С широким применением eVTOL (электрических самолетов с вертикальным взлетом и посадкой) и БПЛА промышленного класса в таких сценариях, как городская логистика, проверка линий электропередачи и аварийно-спасательные работы, электромагнитная среда на малых высотах становится все более сложной.

Качество конструкции антенны, являющейся критически важным интерфейсом между электромагнитными волнами и радиочастотным интерфейсом, напрямую определяет дальность связи, точность позиционирования и возможности безопасности всей системы. В этой статье будет представлен углубленный анализ текущих технических проблем, основных решений и будущих тенденций в трех основных областях — передача видео, навигация и меры противодействия — с точки зрения профессионального антенного инженера.

1. Технология антенны для передачи видео БПЛА: высокая пропускная способность, многочастотная конформная конструкция и адаптация каналов

Передача изображений высокой четкости с малой задержкой занимает центральное место в работе беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). В настоящее время потребность в передаче видеопотоков сверхвысокой четкости 4K/8K и нескольких каналов цифровых и интеллектуальных сетевых данных предъявляет чрезвычайные требования к антеннам для передачи видео, требуя от них «высокого усиления, широкой полосы пропускания и компактности».

1.1 Многодиапазонная и сверхширокополосная (СШП) технология

Традиционные БПЛА обычно используют отдельные антенны для разных рабочих диапазонов частот (например, выделенная государственная сеть 1,4 ГГц и промышленные и гражданские диапазоны 2,4 ГГц/5,8 ГГц). Такая конструкция «одна частота, одна антенна» не только занимает значительную площадь поверхности планера, но также приводит к серьезным интермодуляционным помехам (PIM) и проблемам электромагнитной совместимости (ЭМС) из-за того, что антенны расположены слишком близко друг к другу.

Преобладающей тенденцией в современной антенной технике является внедрение сверхширокополосных (СШП) фрактальных конструкций или многомодовых многочастотных технологий совместного использования антенн.

Фрактальная антенна: используя самоподобие геометрических фракталов, антенна резонирует одновременно в нескольких дискретных диапазонах частот, тем самым заменяя три антенных блока, которые ранее требовались, одним блоком.

Интеграция многослойной низкотемпературной керамики совместного нагрева (LTCC): за счет интеграции мультиплексора и антенны в ВЧ-интерфейс фильтрация, согласование импеданса и излучающий элемент объединяются в один блок, что значительно снижает нагрузку на плате.

1.2. Конформные антенны и всенаправленное излучение с высоким коэффициентом усиления.

Чтобы избежать нарушения аэродинамической конфигурации беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и снизить аэродинамическое сопротивление, технология конформных антенн быстро заменяет внешние штыревые антенны.

Путем прямой и незаметной интеграции микрополосковых патч-матриц и антенн с гибкой печатной схемой (FPC) в переднюю кромку крыльев дрона, шасси или внутреннюю часть композитного фюзеляжа достигается «бесшовная» установка. Однако конформные конструкции часто ограничены кривизной корпуса планера, что может легко привести к искажению диаграммы направленности. Инженеры внедряют метаматериалы для управления поверхностными волнами, гарантируя, что антенна сохраняет превосходные характеристики всенаправленной округлости и круговой поляризации даже во время резких изменений положения планера (например, пикирования или поворотов под большим углом), тем самым эффективно подавляя разрывы изображения или мерцание при передаче видео, вызванные эффектами многолучевого распространения.

2. Технология навигационных антенн БПЛА: общесистемная высокая точность и устойчивость к радиочастотным помехам.

Навигационные системы служат «глазами» БПЛА. Будь то промышленный БПЛА, выполняющий автономные проверки на сантиметровом уровне, или специализированное оборудование, используемое для общественной безопасности, оба в значительной степени полагаются на стабильные и надежные системы спутниковой навигации (GNSS).

2.1 Общесистемное многочастотное высокоточное позиционирование

Чтобы соответствовать техническим требованиям RTK (кинематика в реальном времени) и PPP (точное позиционирование точки), современные навигационные антенны БПЛА должны быть способны одновременно перекрывать все диапазоны частот основных мировых навигационных систем, включая китайскую BeiDou (B1/B2/B3), американскую GPS (L1/L2/L5), российскую ГЛОНАСС и европейскую Galileo.

В инженерном проектировании основным показателем для оценки высокоточных навигационных антенн является изменение фазового центра (PCV).

Инженеры используют конструкцию сети с несколькими фидерами, чтобы гарантировать, что электрический фазовый центр и физический центр антенны совпадают в пространстве с точностью до миллиметра.

Оптимизируя коэффициент усиления антенны при малых углах места, дрон все равно может захватывать достаточное количество «маловысотных спутников» в сложных электромагнитных условиях, таких как городские каньоны и лесные массивы, тем самым предотвращая потерю позиции.

 

2.2 Эволюция и миниатюризация четырехзаходной спиральной антенны

В небольших дронах потребительского класса предпочтительным выбором является четырехзаходная спиральная антенна (QHA) из-за ее уникальных конструктивных преимуществ. QHA способен обеспечить превосходную чистоту круговой поляризации (т.е. чрезвычайно низкое отношение осей) и почти идеальную полусферическую диаграмму направленности без необходимости использования большой металлической заземляющей пластины.

Современное направление технологического прогресса предполагает использование в качестве диэлектрической подложки СВЧ-керамики с высокой диэлектрической проницаемостью. За счет увеличения диэлектрической проницаемости физические размеры антенны можно уменьшить более чем на 60%. Кроме того, в сочетании со встроенным высоколинейным малошумящим усилителем (LNA) и высокодобротными фильтрами поверхностных акустических волн (SAW)/объемных акустических волн (BAW) сильные гармонические помехи от наземных базовых станций (например, сигналы 5G/6G) могут быть отфильтрованы в источнике.

3. Антенная технология противодействия дронам: переход от электромагнитных помех к интегрированным коммуникациям, зондированию и вычислениям

Бум экономики малых высот неизбежно приводит к необходимости модернизации технологий защиты от незаконных дронов «черного полета». Традиционные антенны противодействия преимущественно используют всенаправленные мощные помехи; этот подход «выжженной земли» с высокой вероятностью создаст помехи окружающим гражданским сетям связи. Антенная технология противодействия нового поколения развивается в направлении интеллекта, направленности и интеграции средств связи, зондирования и вычислений.

3.1 Интегрированное зондирование и связь 5G-A и фазированные решетки метаповерхности

Благодаря покрытию низковысотного воздушного пространства сетями 5G-A (5G-Advanced) и будущими сетями 6G антенны интегрированного зондирования и связи (ISAC) стали передовой темой исследований в области радиочастот.

Системы противодействия больше не являются просто отдельными «глушителями», а превратились в интеллектуальные терминалы, объединяющие радарное обнаружение и электромагнитное подавление.

Антенны с активной решеткой с электронным сканированием (AESA): в сочетании с алгоритмами цифрового формирования луча (DBF) решетки противодействия могут синтезировать узкие лучи с высоким коэффициентом усиления за чрезвычайно короткое время (в миллисекундном масштабе) для направления электромагнитных помех на вторгающиеся БПЛА на большом расстоянии.

Реконфигурируемые интеллектуальные метаповерхности (RIS): динамически изменяя фазу элементов метаповерхности в реальном времени, эти системы могут гибко манипулировать отраженными или пропущенными лучами, что позволяет создавать маломощные, всенаправленные и экономичные электромагнитные ограждения.

3.2 Сверхширокополосное направленное подавление и адаптивное вырезание луча

Современные незаконные БПЛА часто используют технологию расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты (FHSS) и нестандартные полосы частот для дистанционного управления и передачи видео, что требует от антенн противодействия чрезвычайно широкого динамического рабочего диапазона.

Логарифмически-периодический диполь (LPDA) и рупорные антенные решетки с высоким коэффициентом усиления широко используются в портативных «пушках помех» и стационарных оборонных станциях благодаря своим сверхширокополосным характеристикам. Чтобы решить проблему сопутствующего ущерба дружественным законным самолетам во время операций по созданию помех, в современных антенных системах противодействия внедрена технология адаптивного обнуления луча. Что касается цифровой обработки сигналов, то, хотя антенна направлена ​​на несанкционированные дроны, она может автоматически создавать электромагнитные помехи (т.е. слепые зоны, где усиление излучения близко к нулю) в направлении дружественных полицейских и спасательных дронов или близлежащих гражданских базовых станций, тем самым достигая усовершенствованной конфигурации защиты, характеризующейся «точными, направленными ударами, не влияющими на дружественные коммуникации».

4. Резюме и перспективы развития антенных технологий.

В будущем антенные технологии маловысотной связи, навигации и противодействия больше не будут идти изолированными путями развития, а вместо этого будут демонстрировать характеристики глубокой интеграции, миниатюризации и интеллекта:

 

Для инженеров-антенников задачи будущего будут заключаться не только в разработке самого радиочастотного оборудования, но и в том, как плавно интегрировать передовые физические электромагнетизмы, передовые материалы в области материаловедения и алгоритмы искусственного интеллекта. Постоянное расширение границ электромагнетизма в сложных низковысотных каналах является краеугольным камнем построения безопасного, эффективного и бесперебойного низковысотного Интернета вещей.