Усредсредите се на трендове комуникације на малим висинама у видео преносу, навигацији и технологији антена за контрамере

У позадини економског кретања на малим висинама у пуном замаху, беспилотне летелице (УАВ) више нису само изоловани летећи хардвер, већ су еволуирали у интелигентне ваздушне мобилне чворове који интегришу функције напредне комуникације, навигације и даљинског управљања (ЦНР). Са широко распрострањеном применом еВТОЛ-а (електричних авиона за вертикално полетање и слетање) и беспилотних летелица индустријске класе у сценаријима као што су урбана логистика, инспекција далековода и спасавање у хитним случајевима, електромагнетно окружење на малим висинама постаје све сложеније.

Као критични интерфејс између електромагнетних таласа и радио фреквенцијског фронт-енда, квалитет дизајна антене директно одређује домет комуникације, тачност позиционирања и сигурносне могућности читавог система. Овај чланак ће пружити детаљну анализу тренутних техничких изазова, главних решења и будућих трендова у три кључне области — видео пренос, навигација и противмере — из перспективе професионалног инжењера антена.

1. Технологија антене за видео пренос УАВ: широк пропусни опсег, вишефреквентни конформни дизајн и прилагођавање канала

Пренос слике високе дефиниције са малим кашњењем је централни за рад беспилотних летелица (УАВ). Тренутно, потражња за преносом 4К/8К видео токова ултра-високе дефиниције и више канала дигиталних и интелигентних умрежених података поставља екстремне захтеве за антене за видео пренос, захтевајући од њих да буду „великог добитка, широког пропусног опсега и компактне“.

1.1 Мулти-банд и Ултра-видебанд (УВБ) технологија

Традиционалне беспилотне летелице обично користе засебне антене за различите оперативне фреквентне опсеге (као што су владина наменска мрежа од 1,4 ГХз и индустријски и цивилни опсези од 2,4 ГХз/5,8 ГХз). Овај дизајн „једна фреквенција, једна антена“ не само да троши значајну количину површине оквира авиона, већ такође доводи до озбиљних интермодулационих сметњи (ПИМ) и проблема са електромагнетном компатибилношћу (ЕМЦ) због тога што су антене постављене преблизу једна другој.

Преовлађујући тренд у савременом инжењерингу антена је усвајање ултраширокопојасних (УВБ) фракталних дизајна или мулти-моде, мулти-фрекуенци дељене антенске технологије.

Фрактална антена: Користећи самосличност геометријских фрактала, антена истовремено резонује у више дискретних фреквенцијских опсега, чиме се замењују три антенске јединице које су претходно биле потребне једном јединицом.

Интеграција вишеслојне нискотемпературне ко-печене керамике (ЛТЦЦ): Интеграцијом мултиплексера и антене у РФ фронт-енд, филтрирање, усклађивање импедансе и зрачећи елемент су комбиновани у једну јединицу, значајно смањујући оптерећење на плочи.

1.2 Конформне антене и омнидирекционо зрачење високог појачања

Да би се избегло угрожавање аеродинамичке конфигурације беспилотних летелица (УАВ) и да би се смањио аеродинамички отпор, технологија конформних антена брзо замењује спољне бичасте антене.

Директном и дискретном интеграцијом низова микротракастих закрпа и антена флексибилног штампаног кола (ФПЦ) у предњу ивицу крила дрона, стајни трап или унутрашњост композитног трупа, постиже се 'бешавна' инсталација. Међутим, конформни дизајни су често ограничени закривљеношћу оквира авиона, што лако може довести до изобличења узорка зрачења. Инжењери уводе метаматеријале за манипулисање површинским таласима, обезбеђујући да антена задржи одличну омнидирекциону кружност и карактеристике кружне поларизације чак и током драстичних промена у ставу оквира авиона (као што су зарони или заокрети под великим углом), чиме се ефикасно потискује кидање слике или треперење у видео преносу ефеката више пута.

2. Технологија УАВ навигационе антене: висока прецизност у целом систему и отпорност на интерференцију на РФ фронт-енду

Навигациони системи служе као 'очи' беспилотне летелице. Било да се ради о индустријској беспилотној летелици која обавља аутономне инспекције на нивоу центиметра или специјализованој опреми која се користи за јавну безбедност, оба се у великој мери ослањају на стабилне и поуздане системе сателитске навигације (ГНСС).

2.1 Вишефреквентно високо-прецизно позиционирање широм система

Да би испуниле техничке захтеве РТК (кинематика у реалном времену) и ППП (прецизно позиционирање тачке), модерне беспилотне навигационе антене морају бити способне да истовремено покрију све фреквентне опсеге главних светских навигационих система, укључујући кинески БеиДоу (Б1/Б2/Б3), амерички ГПС (Л1/Л2'с ГЛО/Л5НА) у Русији.

У инжењерском дизајну, основна метрика за процену високо прецизних навигационих антена је варијација центра фазе (ПЦВ).

Инжењери користе дизајн мреже са више извора како би осигурали да се електрични фазни центар антене и физички центар поклапају просторно до милиметра.

Оптимизацијом перформанси појачања антене при малим угловима елевације, дрон и даље може да се закључа на довољан број 'сателита на малим висинама' у изазовним електромагнетним окружењима, као што су урбани кањони и шумска подручја, чиме се спречава губитак позиције.

 

2.2 Еволуција и минијатуризација квадрифиларне спиралне антене

Код малих и потрошачких дронова, квадрифиларна спирална антена (КХА) је пожељан избор због својих јединствених структурних предности. КХА је способан да испоручи одличну чистоћу кружне поларизације (тј. изузетно низак аксијални однос) и скоро савршен хемисферични образац зрачења без потребе за великом металном уземљењем.

Тренутни правац технолошког напретка укључује употребу микроталасне керамике високе диелектричне константе као диелектричне подлоге. Повећањем диелектричне константе, физичке димензије антене могу се смањити за више од 60%. Штавише, у комбинацији са интегрисаним високолинеарним нискошумним појачалом (ЛНА) и филтерима површинског акустичног таласа високог квалитета (САВ)/булк акустичног таласа (БАВ), јаке хармонијске сметње базних станица на земљи (као што су 5Г/6Г сигнали) могу бити филтриране на извору.

3. Технологија антене против дронова: Прелазак са електромагнетног ометања на интегрисане комуникације, детекцију и рачунарство

Процват економије на малим висинама неизбежно захтева надоградњу одбрамбених технологија против илегалних беспилотних летелица. Традиционалне противмерне антене углавном користе омнидирекционо ометање велике снаге; овај приступ 'спаљене земље' ће врло вероватно ометати околне цивилне комуникационе мреже. Технологија антена за противмере нове генерације развија се ка интелигенцији, усмерености и интеграцији комуникација, сензора и рачунарства.

3.1 5Г-А интегрисани сензори и комуникација и метаповршински фазни низови

Са покривеношћу ваздушног простора на малим висинама 5Г-А (5Г-Адванцед) и будућим 6Г мрежама, антене за интегрисано детектовање и комуникацију (ИСАЦ) постале су врхунска тема истраживања у области РФ.

Системи за противмере више нису само појединачни „ометачи“, већ су еволуирали у интелигентне терминале који интегришу детекцију радара и електромагнетну супресију.

Антене са активним електронским скенираним низом (АЕСА): У комбинацији са алгоритмима за дигитално формирање снопа (ДБФ), низови противмера могу да синтетишу уске снопове са великим појачањем у изузетно кратком времену (скала милисекунди) да усмере електромагнетне сметње на беспилотне летелице које продиру на великом домету.

Реконфигурабилне интелигентне метаповршине (РИС): Динамичким мењањем фазе метаповршинских елемената у реалном времену, ови системи могу флексибилно да манипулишу рефлектованим или преношеним сноповима, омогућавајући изградњу омнидирекционих и исплативих електромагнетних ограда мале снаге.

3.2 Ултра-широкопојасно усмерено потискивање и прилагодљиво урезивање зрака

Савремени недозвољени беспилотне летелице често користе технологију проширеног спектра (ФХСС) са скоковима фреквенције и нестандардне фреквентне опсеге за даљинско управљање и видео пренос, што захтева да антене за противмере поседују изузетно широк динамички радни опсег.

Логаритамско-периодични диполни (ЛПДА) и рог антенски низови са високим појачањем се широко користе у преносивим 'пушкама за ометање' и фиксним одбрамбеним станицама због својих ултра-широкопојасних карактеристика. Да би се решило питање колатералне штете пријатељским легитимним авионима током операција ометања, савремени антенски системи против мера увели су технологију адаптивног поништавања снопа. На страни дигиталне обраде сигнала, док је антена усмерена на неовлашћене беспилотне летелице, она може аутоматски да креира електромагнетне зарезе (тј. слепе тачке где је појачање зрачења близу нуле) у правцу пријатељских полицијских и спасилачких беспилотних летелица или оближњих цивилних базних станица, чиме се постиже напредна одбрамбена конфигурација коју карактерише пријатељски правац комуникације.

4. Резиме и будући изгледи за технологију антенског инжењеринга

У будућности, комуникационе, навигационе и антенске технологије на малим висинама више неће пратити изоловане путеве развоја, већ ће уместо тога показивати карактеристике дубоке интеграције, минијатуризације и интелигенције:

 

За инжењере антена, изазови будућности неће лежати само у дизајну самог РФ хардвера, већ иу томе како да неприметно интегришу напредну физичку електромагнетику, најсавременију науку о материјалима и алгоритме вештачке интелигенције. Континуирано померање граница електромагнетике у сложеним каналима на малим висинама је камен темељац изградње безбедног, ефикасног и беспрекорног интернета ствари на малим висинама.