Fokusera på kommunikationstrender på låg höjd inom drönarvideoöverföring, navigering och motåtgärdsantennteknik

Mot bakgrund av att låghöjdsekonomin tar fart i full gång, är obemannade flygfarkoster (UAV) inte längre bara isolerad flygande hårdvara, utan har utvecklats till intelligenta flygnoder som integrerar avancerade kommunikations-, navigerings- och fjärrkontrollfunktioner (CNR). Med den utbredda tillämpningen av eVTOL (elektriska vertikala start- och landningsflygplan) och industriella UAV:er i scenarier som stadslogistik, kraftledningsinspektion och nödräddning, blir den elektromagnetiska miljön på låg höjd alltmer komplex.

Som det kritiska gränssnittet mellan elektromagnetiska vågor och radiofrekvensfronten, bestämmer kvaliteten på antenndesign direkt kommunikationsräckvidden, positioneringsnoggrannheten och säkerhetskapaciteten för hela systemet. Den här artikeln kommer att ge en djupgående analys av nuvarande tekniska utmaningar, vanliga lösningar och framtida trender inom tre kärnområden – videoöverföring, navigering och motåtgärder – ur en professionell antenningenjörs perspektiv.

1. UAV-videoöverföringsantennteknik: hög bandbredd, konform design med flera frekvenser och kanalanpassning

Högupplöst bildöverföring med låg latens är central för driften av obemannade flygfarkoster (UAV). För närvarande ställer efterfrågan på att sända 4K/8K ultrahögupplösta videoströmmar och flera kanaler med digital och intelligent nätverksdata extrema krav på videoöverföringsantenner, vilket kräver att de är 'högförstärkning, bredbandsbredd och kompakt'.

1.1 Multi-band och Ultra-wideband (UWB)-teknik

Traditionella UAV:er använder vanligtvis separata antenner för olika operativa frekvensband (som 1,4 GHz statligt dedikerade nätverk och 2,4 GHz/5,8 GHz industriella och civila band). Denna design av 'en frekvens, en antenn' förbrukar inte bara en betydande del av skrovets yta utan leder också till allvarliga intermodulationsstörningar (PIM) och elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) på grund av att antennerna är placerade för nära varandra.

Den rådande trenden inom modern antennteknik är antagandet av Ultra-Wideband (UWB) fraktaldesigner eller multi-mode, multi-frequency shared antenn technology.

Fraktalantenn: Genom att använda självlikheten hos geometriska fraktaler, resonerar antennen samtidigt över flera diskreta frekvensband, och ersätter därigenom de tre antennenheter som tidigare krävdes med en enda enhet.

Multi-layer Low-Temperature Co-fired Ceramic (LTCC) Integration: Genom att integrera multiplexern och antennen i RF-fronten, kombineras filtrering, impedansmatchning och det strålande elementet till en enda enhet, vilket avsevärt minskar belastningen ombord.

1.2 Konforma antenner och rundstrålande högförstärkningsstrålning

För att undvika att äventyra den aerodynamiska konfigurationen av obemannade flygfarkoster (UAV) och för att minska det aerodynamiska motståndet, ersätter konform antennteknologi snabbt externa piskantenner.

Genom att direkt och diskret integrera microstrip patch-arrayer och flexibla tryckta kretsar (FPC) antenner i framkanten av drönarens vingar, landningsstället eller det inre av kompositkroppen, uppnås en 'sömlös' installation. Konforma konstruktioner är dock ofta begränsade av krökningen på flygplanet, vilket lätt kan leda till förvrängning av strålningsmönstret. Ingenjörer introducerar metamaterial för att manipulera ytvågor, vilket säkerställer att antennen bibehåller utmärkt rundstrålande cirkularitet och cirkulär polariseringsegenskaper även under drastiska förändringar i flygplanets attityd (som dyk eller svängar i hög vinkel), och därigenom effektivt undertrycka bildrivning eller flimmer i videoeffektöverföringar orsakade av flervägseffekter.

2. UAV-navigationsantennteknik: Systemomfattande högprecision och RF-frontstörningsmotstånd

Navigationssystem fungerar som 'ögonen' på en UAV. Oavsett om det är en industriell UAV som utför autonoma inspektioner på centimeternivå eller specialiserad utrustning som används för allmän säkerhet, är båda starkt beroende av stabila och pålitliga satellitnavigeringssystem (GNSS).

2.1 Systemomfattande multifrekvens högprecisionspositionering

För att uppfylla de tekniska kraven för RTK (Real-Time Kinematic) och PPP (Precision Point Positioning), måste moderna UAV-navigeringsantenner samtidigt kunna täcka alla frekvensband i världens stora navigationssystem, inklusive Kinas BeiDou (B1/B2/B3), USA:s GPS (L1/L2/L5), Rysslands GalONASS och GLONASS Europes.

Inom teknisk design är kärnmåttet för att utvärdera högprecisionsnavigeringsantenner Phase Center Variation (PCV).

Ingenjörer använder en multi-feed nätverksdesign för att säkerställa att antennens elektriska fascentrum och fysiska centrum sammanfaller rumsligt till inom en millimeter.

Genom att optimera antennens förstärkningsprestanda vid låga höjdvinklar kan drönaren fortfarande låsa sig på ett tillräckligt antal 'låghöjdssatelliter' i utmanande elektromagnetiska miljöer, såsom urbana kanjoner och skogsområden, och därigenom förhindra förlust av position.

 

2.2 Evolution och miniatyrisering av Quadrifilar Helix-antennen

I små och konsumentklassade drönare är den kvadrifilära helixantennen (QHA) det föredragna valet på grund av dess unika strukturella fördelar. QHA kan leverera utmärkt cirkulär polarisationsrenhet (dvs ett extremt lågt axiellt förhållande) och ett nästan perfekt halvsfäriskt strålningsmönster utan behov av ett stort jordplan av metall.

Den nuvarande riktningen för tekniska framsteg involverar användningen av mikrovågskeramik med hög dielektrisk konstant som det dielektriska substratet. Genom att öka dielektricitetskonstanten kan antennens fysiska dimensioner reduceras med mer än 60 %. Dessutom, i kombination med en integrerad höglinjär lågbrusförstärkare (LNA) och high-Q ytakustiska vågor (SAW)/bulk akustisk våg (BAW) filter, kan starka harmoniska störningar från markbaserade basstationer (som 5G/6G-signaler) filtreras bort vid källan.

3. Drönarmotåtgärdsantennteknik: övergången från elektromagnetisk störning till integrerad kommunikation, avkänning och datoranvändning

Uppsvinget i låghöjdsekonomin kräver oundvikligen uppgraderingar av försvarsteknologier mot illegala drönare med 'svarta flygningar'. Traditionella motåtgärdsantenner använder huvudsakligen rundstrålande störning med hög effekt; Det här tillvägagångssättet för den 'brända jorden' kommer med stor sannolikhet att störa omgivande civila kommunikationsnätverk. Den nya generationens motåtgärdsantennteknik utvecklas mot intelligens, riktning och integrering av kommunikation, avkänning och datoranvändning.

3.1 5G-A integrerad avkänning och kommunikation och Metasurface Phased Arrays

Med täckningen av luftrummet på låg höjd av 5G-A (5G-Advanced) och framtida 6G-nätverk, har Integrated Sensing and Communication (ISAC) antenner blivit ett spjutspetsforskningsämne inom RF-området.

Motåtgärdssystem är inte längre bara enstaka 'störningar', utan har utvecklats till intelligenta terminaler som integrerar radardetektering och elektromagnetisk undertryckning.

Active Electronically Scanned Array (AESA)-antenner: Kombinerat med DBF-algoritmer (Digital Beamforming) kan motåtgärdsarrayer syntetisera smala strålar med hög förstärkning på extremt kort tid (millisekunderskala) för att rikta elektromagnetisk interferens mot inträngande UAV:er på långt avstånd.

Reconfigurable Intelligent Metasurfaces (RIS): Genom att dynamiskt ändra fasen för metasytor i realtid, kan dessa system flexibelt manipulera reflekterade eller sända strålar, vilket möjliggör konstruktion av lågeffekt, rundstrålande och kostnadseffektiva elektromagnetiska stängsel.

3.2 Ultrabredbandsriktningsdämpning och adaptiv strålskärning

Moderna otillåtna UAV:er använder ofta frequency-hopping spread spectrum (FHSS) teknologi och icke-standardiserade frekvensband för fjärrkontroll och videoöverföring, vilket kräver motåtgärdsantenner för att ha ett extremt brett dynamiskt driftsområde.

Logaritmisk-periodisk dipol (LPDA) och högförstärkande hornantenner används i stor utsträckning i bärbara 'jamming guns' och fasta försvarsstationer på grund av deras ultrabredbandsegenskaper. För att ta itu med frågan om sidoskador på vänliga legitima flygplan under störningsoperationer, har moderna motåtgärdsantennsystem introducerat adaptiv strålnullningsteknik. På den digitala signalbehandlingssidan, medan antennen är riktad mot obehöriga drönare, kan den automatiskt skapa elektromagnetiska skåror (dvs döda vinklar där strålningsförstärkningen är nära noll) i riktning mot vänliga polis- och räddningsdrönare eller närliggande civila basstationer, och därigenom uppnå en avancerad försvarskonfiguration som kännetecknas av 'precis, riktad kommunikation' utan inverkan på vänliga anfall.

4. Sammanfattning och framtidsutsikter för antennteknik

I framtiden kommer kommunikations-, navigerings- och motåtgärdsantennteknologier på låg höjd inte längre att följa isolerade utvecklingsvägar, utan kommer istället att uppvisa egenskaper av djup integration, miniatyrisering och intelligens:

 

För antenningenjörer kommer framtidens utmaningar att ligga inte bara i designen av själva RF-hårdvaran, utan också i hur man sömlöst integrerar avancerad fysisk elektromagnetik, banbrytande materialvetenskap och artificiell intelligensalgoritmer. Att kontinuerligt tänja på gränserna för elektromagnetik i komplexa låghöjdskanaler är hörnstenen i att bygga ett säkert, effektivt och sömlöst Internet of Things på låg höjd.