มุ่งเน้นไปที่แนวโน้มการสื่อสารระดับความสูงต่ำในการส่งสัญญาณวิดีโอโดรน การนำทาง และเทคโนโลยีเสาอากาศตอบโต้

ท่ามกลางกระแสเศรษฐกิจในพื้นที่ต่ำที่ขยายตัวอย่างเต็มรูปแบบ ยานพาหนะทางอากาศไร้คนขับ (UAV) ไม่ได้เป็นเพียงฮาร์ดแวร์การบินที่แยกจากกันอีกต่อไป แต่ได้พัฒนาเป็นโหนดเคลื่อนที่ทางอากาศอัจฉริยะที่ผสานรวมฟังก์ชันการสื่อสาร การนำทาง และการควบคุมระยะไกล (CNR) ขั้นสูง ด้วยการใช้งานอย่างแพร่หลายของ eVTOL (เครื่องบินขึ้นและลงจอดในแนวดิ่งด้วยไฟฟ้า) และ UAV ระดับอุตสาหกรรมในสถานการณ์ต่างๆ เช่น การขนส่งในเมือง การตรวจสอบสายไฟ และการช่วยเหลือฉุกเฉิน สภาพแวดล้อมแม่เหล็กไฟฟ้าในระดับต่ำจึงมีความซับซ้อนมากขึ้น

เนื่องจากเป็นส่วนติดต่อที่สำคัญระหว่างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและส่วนหน้าของความถี่วิทยุ คุณภาพของการออกแบบเสาอากาศจึงกำหนดช่วงการสื่อสาร ความแม่นยำของตำแหน่ง และความสามารถด้านความปลอดภัยของทั้งระบบได้โดยตรง บทความนี้จะให้การวิเคราะห์เชิงลึกเกี่ยวกับความท้าทายทางเทคนิคในปัจจุบัน วิธีแก้ปัญหาหลัก และแนวโน้มในอนาคตในสามประเด็นหลัก ได้แก่ การส่งสัญญาณวิดีโอ การนำทาง และมาตรการรับมือ จากมุมมองของวิศวกรเสาอากาศมืออาชีพ

1. เทคโนโลยีเสาอากาศส่งสัญญาณวิดีโอ UAV: ​​แบนด์วิดท์สูง การออกแบบที่สอดคล้องกับหลายความถี่ และการปรับช่องสัญญาณ

การส่งภาพที่มีความละเอียดสูงและมีความหน่วงต่ำถือเป็นหัวใจสำคัญของการทำงานของยานพาหนะทางอากาศไร้คนขับ (UAV) ในปัจจุบัน ความต้องการในการส่งสัญญาณวิดีโอสตรีมความละเอียดสูงพิเศษ 4K/8K และข้อมูลเครือข่ายอัจฉริยะและดิจิทัลหลายช่องทาง ทำให้มีความต้องการเสาอากาศส่งสัญญาณวิดีโออย่างมาก โดยกำหนดให้เสาอากาศเหล่านั้นต้อง 'ได้รับสัญญาณสูง แบนด์วิดท์กว้าง และกะทัดรัด'

1.1 เทคโนโลยีมัลติแบนด์และอัลตร้าไวด์แบนด์ (UWB)

โดยทั่วไปแล้ว UAV แบบดั้งเดิมจะใช้เสาอากาศแยกกันสำหรับย่านความถี่การทำงานที่แตกต่างกัน (เช่น เครือข่ายเฉพาะของรัฐบาล 1.4 GHz และย่านความถี่อุตสาหกรรมและย่านความถี่ 2.4 GHz/5.8 GHz) การออกแบบ 'ความถี่เดียว เสาอากาศเดียว' นี้ไม่เพียงแต่ใช้พื้นที่ผิวลำตัวเครื่องบินจำนวนมากเท่านั้น แต่ยังนำไปสู่ปัญหาการรบกวนระหว่างคลื่นความถี่สูง (PIM) และปัญหาความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) เนื่องจากเสาอากาศอยู่ในตำแหน่งใกล้กันเกินไป

แนวโน้มที่แพร่หลายในวิศวกรรมเสาอากาศสมัยใหม่คือการนำการออกแบบแฟร็กทัลแบบอัลตร้าไวด์แบนด์ (UWB) มาใช้หรือเทคโนโลยีเสาอากาศที่ใช้ร่วมกันแบบหลายโหมดและหลายความถี่

เสาอากาศแฟร็กทัล: ด้วยการใช้ความคล้ายคลึงในตัวเองของแฟร็กทัลเรขาคณิต เสาอากาศจะสะท้อนพร้อมกันข้ามคลื่นความถี่ที่แยกจากกันหลายแถบ ดังนั้นจึงแทนที่เสาอากาศสามยูนิตที่ต้องการก่อนหน้านี้ด้วยยูนิตเดียว

การบูรณาการเซรามิกร่วมยิงอุณหภูมิต่ำ (LTCC) หลายชั้น: ด้วยการบูรณาการมัลติเพล็กเซอร์และเสาอากาศภายในส่วนหน้า RF การกรอง การจับคู่อิมพีแดนซ์ และองค์ประกอบการแผ่รังสีจะรวมกันเป็นหน่วยเดียว ซึ่งช่วยลดภาระออนบอร์ดได้อย่างมาก

1.2 เสาอากาศแบบ Conformal และการแผ่รังสีกำลังสูงรอบทิศทาง

เพื่อหลีกเลี่ยงผลกระทบต่อการกำหนดค่าตามหลักอากาศพลศาสตร์ของยานพาหนะทางอากาศไร้คนขับ (UAV) และเพื่อลดแรงต้านตามหลักอากาศพลศาสตร์ เทคโนโลยีเสาอากาศแบบ Conformal กำลังเข้ามาแทนที่เสาอากาศแส้ภายนอกอย่างรวดเร็ว

ด้วยการผสานรวมไมโครสตริปแพตช์อาเรย์และเสาอากาศวงจรพิมพ์ (FPC) แบบยืดหยุ่นโดยตรงและรอบคอบเข้ากับขอบนำของปีกโดรน อุปกรณ์ลงจอด หรือภายในลำตัวคอมโพสิต ทำให้การติดตั้ง 'ราบรื่น' เกิดขึ้นได้ อย่างไรก็ตาม การออกแบบที่สอดคล้องกันมักถูกจำกัดโดยความโค้งของลำตัว ซึ่งสามารถนำไปสู่การบิดเบือนของรูปแบบการแผ่รังสีได้ง่าย วิศวกรกำลังแนะนำวัสดุเมตาเพื่อควบคุมคลื่นพื้นผิว เพื่อให้แน่ใจว่าเสาอากาศจะรักษาลักษณะวงกลมรอบทิศทางและโพลาไรเซชันแบบวงกลมที่ยอดเยี่ยม แม้ในระหว่างการเปลี่ยนแปลงทัศนคติของเฟรมอย่างรุนแรง (เช่น การดำน้ำหรือการเลี้ยวมุมสูง) ดังนั้นจึงช่วยลดการฉีกขาดของภาพหรือการกะพริบในการส่งสัญญาณวิดีโอที่เกิดจากเอฟเฟกต์แบบหลายเส้นทางได้อย่างมีประสิทธิภาพ

2. เทคโนโลยีเสาอากาศนำทาง UAV: ​​ความแม่นยำสูงทั้งระบบและความต้านทานการแทรกแซง RF Front-end

ระบบนำทางทำหน้าที่เป็น 'ดวงตา' ของ UAV ไม่ว่าจะเป็น UAV อุตสาหกรรมที่ทำการตรวจสอบอัตโนมัติระดับเซนติเมตรหรืออุปกรณ์พิเศษที่ใช้เพื่อความปลอดภัยสาธารณะ ทั้งสองอย่างนี้ต้องพึ่งพาระบบนำทางด้วยดาวเทียม (GNSS) ที่เสถียรและเชื่อถือได้เป็นอย่างมาก

2.1 การวางตำแหน่งที่มีความแม่นยำสูงหลายความถี่ทั้งระบบ

เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดทางเทคนิคของ RTK (Real-Time Kinematic) และ PPP (Precision Point Positioning) เสาอากาศนำทาง UAV สมัยใหม่จะต้องสามารถครอบคลุมย่านความถี่ทั้งหมดของระบบนำทางที่สำคัญของโลกพร้อมกัน รวมถึง BeiDou ของจีน (B1/B2/B3), GPS ของสหรัฐอเมริกา (L1/L2/L5), GLONASS ของรัสเซีย และ Galileo ของยุโรป

ในการออกแบบทางวิศวกรรม ตัวชี้วัดหลักสำหรับการประเมินเสาอากาศนำทางที่มีความแม่นยำสูงคือ Phase Center Variation (PCV)

วิศวกรใช้การออกแบบเครือข่ายฟีดหลายตัวเพื่อให้แน่ใจว่าศูนย์เฟสไฟฟ้าและศูนย์กลางทางกายภาพของเสาอากาศตรงกันในเชิงพื้นที่ภายในมิลลิเมตร

ด้วยการเพิ่มประสิทธิภาพการรับของเสาอากาศที่มุมเงยต่ำ โดรนยังคงสามารถล็อค 'ดาวเทียมระดับความสูงต่ำ' ในจำนวนที่เพียงพอในสภาพแวดล้อมที่มีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ท้าทาย เช่น หุบเขาลึกในเมืองและพื้นที่ป่า ดังนั้นจึงป้องกันการสูญเสียตำแหน่ง

 

2.2 วิวัฒนาการและการย่อขนาดของเสาอากาศ Quadrifilar Helix

ในโดรนขนาดเล็กและระดับผู้บริโภคทั่วไป เสาอากาศแบบเกลียวสี่แฉก (QHA) เป็นตัวเลือกที่ต้องการเนื่องจากมีข้อได้เปรียบด้านโครงสร้างที่เป็นเอกลักษณ์ QHA สามารถให้ความบริสุทธิ์ของโพลาไรเซชันแบบวงกลมที่ดีเยี่ยม (เช่น อัตราส่วนแกนที่ต่ำมาก) และรูปแบบการแผ่รังสีแบบซีกทรงกลมที่เกือบจะสมบูรณ์แบบโดยไม่จำเป็นต้องใช้ระนาบกราวด์โลหะขนาดใหญ่

ทิศทางปัจจุบันของความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีเกี่ยวข้องกับการใช้เซรามิกไมโครเวฟที่มีค่าความเป็นฉนวนสูงเป็นสารตั้งต้นอิเล็กทริก ด้วยการเพิ่มค่าคงที่ไดอิเล็กตริก ขนาดทางกายภาพของเสาอากาศสามารถลดลงได้มากกว่า 60% นอกจากนี้ เมื่อรวมกับเครื่องขยายสัญญาณเสียงรบกวนต่ำเชิงเส้นสูง (LNA) ในตัวและตัวกรองคลื่นเสียงพื้นผิว Q สูง (SAW)/คลื่นเสียงจำนวนมาก (BAW) การรบกวนฮาร์โมนิกที่รุนแรงจากสถานีฐานภาคพื้นดิน (เช่น สัญญาณ 5G/6G) ก็สามารถกรองออกที่แหล่งกำเนิดได้

3. เทคโนโลยีเสาอากาศตอบโต้ด้วยโดรน: การเปลี่ยนจากการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าไปสู่ แบบบูร ณาการ การสื่อสาร การตรวจจับ และคอมพิวเตอร์

ความเจริญรุ่งเรืองในเศรษฐกิจที่มีพื้นที่ต่ำทำให้จำเป็นต้องอัพเกรดเทคโนโลยีการป้องกันประเทศจากโดรน 'เที่ยวบินสีดำ' ที่ผิดกฎหมายอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ เสาอากาศรับมือแบบดั้งเดิมส่วนใหญ่จะใช้การรบกวนแบบรอบทิศทางและกำลังสูง แนวทาง 'โลกที่ไหม้เกรียม' นี้มีแนวโน้มสูงที่จะรบกวนเครือข่ายการสื่อสารของพลเรือนโดยรอบ เทคโนโลยีเสาอากาศตอบโต้ยุคใหม่กำลังพัฒนาไปสู่ความชาญฉลาด การกำหนดทิศทาง และการบูรณาการการสื่อสาร การตรวจจับ และการประมวลผล

3.1 5G-A การตรวจจับและการสื่อสารแบบรวม และอาร์เรย์ Phased Array ของ Metasurface

ด้วยความครอบคลุมของน่านฟ้าระดับความสูงต่ำโดย 5G-A (5G-ขั้นสูง) และเครือข่าย 6G ในอนาคต เสาอากาศการตรวจจับและการสื่อสารแบบรวม (ISAC) จึงกลายเป็นหัวข้อการวิจัยที่ล้ำสมัยในสาขา RF

ระบบตอบโต้ไม่ได้เป็นเพียง 'เครื่องรบกวน' ตัวเดียวอีกต่อไป แต่ได้พัฒนาเป็นเทอร์มินัลอัจฉริยะที่รวมการตรวจจับเรดาร์และการปราบปรามทางแม่เหล็กไฟฟ้าเข้าด้วยกัน

เสาอากาศ Active Electronically Scanned Array (AESA): เมื่อรวมกับอัลกอริธึม Digital Beamforming (DBF) แล้ว อาเรย์ตอบโต้สามารถสังเคราะห์ลำแสงแคบที่มีอัตราขยายสูงได้ในเวลาที่สั้นมาก (ระดับมิลลิวินาที) เพื่อควบคุมการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่ UAV ที่บุกรุกในระยะไกล

Metasurfaces อัจฉริยะ (RIS) ที่กำหนดค่าใหม่ได้: ด้วยการเปลี่ยนเฟสขององค์ประกอบ metasurface แบบไดนามิกแบบเรียลไทม์ ระบบเหล่านี้จึงสามารถจัดการลำแสงที่สะท้อนหรือส่งผ่านได้อย่างยืดหยุ่น ช่วยให้สามารถสร้างรั้วแม่เหล็กไฟฟ้าที่ใช้พลังงานต่ำ รอบทิศทาง และคุ้มต้นทุน

3.2 การปราบปรามทิศทางของแถบความถี่กว้างพิเศษและการปรับรอยบากของลำแสงแบบปรับได้

UAV ที่ผิดกฎหมายสมัยใหม่มักใช้เทคโนโลยี Frequency-hopping Spread Spectrum (FHSS) และคลื่นความถี่ที่ไม่ได้มาตรฐานสำหรับการควบคุมระยะไกลและการส่งสัญญาณวิดีโอ ซึ่งต้องใช้เสาอากาศตอบโต้เพื่อให้มีช่วงการทำงานแบบไดนามิกที่กว้างมาก

ไดโพลแบบลอการิทึมคาบ (LPDA) และอาร์เรย์เสาอากาศแบบฮอร์นกำลังขยายสูงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายใน 'ปืนติดขัด' แบบพกพาและสถานีป้องกันแบบอยู่กับที่ เนื่องจากมีลักษณะเฉพาะของแถบความถี่กว้างพิเศษ เพื่อแก้ไขปัญหาความเสียหายของหลักประกันต่อเครื่องบินฝ่ายเดียวกันที่ถูกกฎหมายในระหว่างการปฏิบัติการติดขัด ระบบเสาอากาศตอบโต้สมัยใหม่ได้นำเทคโนโลยีการลบล้างลำแสงแบบปรับได้มาใช้ ในด้านการประมวลผลสัญญาณดิจิทัล ขณะที่เสาอากาศพุ่งไปที่โดรนที่ไม่ได้รับอนุญาต เสาอากาศจะสามารถสร้างรอยบากแม่เหล็กไฟฟ้าได้โดยอัตโนมัติ (เช่น จุดบอดที่มีรังสีเข้าใกล้ศูนย์) ในทิศทางของตำรวจที่เป็นมิตรและโดรนกู้ภัย หรือสถานีฐานพลเรือนในบริเวณใกล้เคียง ดังนั้นจึงบรรลุการกำหนดค่าการป้องกันขั้นสูงที่โดดเด่นด้วย 'การโจมตีตามทิศทางที่แม่นยำ โดยไม่มีผลกระทบต่อการสื่อสารที่เป็นมิตร'

4. สรุปและแนวโน้มในอนาคตสำหรับเทคโนโลยีวิศวกรรมเสาอากาศ

ในอนาคต เทคโนโลยีการสื่อสาร การนำทาง และเสาอากาศตอบโต้ในระดับความสูงต่ำจะไม่เป็นไปตามเส้นทางการพัฒนาที่แยกจากกันอีกต่อไป แต่จะแสดงลักษณะของการบูรณาการเชิงลึก การย่อขนาด และความชาญฉลาดแทน:

 

สำหรับวิศวกรเสาอากาศ ความท้าทายในอนาคตจะไม่เพียงแต่อยู่ที่การออกแบบฮาร์ดแวร์ RF เท่านั้น แต่ยังรวมไปถึงวิธีการบูรณาการแม่เหล็กไฟฟ้าทางกายภาพขั้นสูง วิทยาศาสตร์วัสดุที่ล้ำสมัย และอัลกอริธึมปัญญาประดิษฐ์ได้อย่างราบรื่น การผลักดันขอบเขตของแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างต่อเนื่องในช่องสัญญาณระดับความสูงต่ำที่ซับซ้อนถือเป็นรากฐานสำคัญของการสร้าง Internet of Things ระดับความสูงต่ำที่ปลอดภัย มีประสิทธิภาพ และราบรื่น