Зосередьтеся на тенденціях зв’язку на низькій висоті в технологіях передачі відео з дронів, навігації та антен для протидії

На тлі економіки на низьких висотах, що розвивається повним ходом, безпілотні літальні апарати (БПЛА) більше не є просто ізольованим літальним обладнанням, а перетворилися на інтелектуальні повітряні мобільні вузли, що об’єднують передові функції зв’язку, навігації та дистанційного керування (CNR). Завдяки широкому застосуванню eVTOL (літак з електричним вертикальним зльотом і посадкою) і БПЛА промислового класу в таких сценаріях, як міська логістика, перевірка ліній електропередач і аварійно-рятувальні роботи, електромагнітне середовище на низькій висоті стає дедалі складнішим.

Будучи критичним інтерфейсом між електромагнітними хвилями та радіочастотним інтерфейсом, якість конструкції антени безпосередньо визначає діапазон зв’язку, точність позиціонування та можливості безпеки всієї системи. Ця стаття надасть поглиблений аналіз поточних технічних проблем, основних рішень і майбутніх тенденцій у трьох основних сферах — передачі відео, навігації та протидії — з точки зору професійного розробника антен.

1. Технологія антени відеопередачі БПЛА: висока смуга пропускання, багаточастотний конформний дизайн і адаптація каналів

Передача зображення високої чіткості з низькою затримкою є центральною для роботи безпілотних літальних апаратів (БПЛА). В даний час попит на передачу відеопотоків надвисокої чіткості 4K/8K і багатоканальних цифрових та інтелектуальних мережевих даних висуває надзвичайні вимоги до антен для передачі відео, вимагаючи від них «високого коефіцієнта посилення, широкої смуги пропускання та компактності».

1.1 Багатодіапазонна та надширокосмугова (UWB) технологія

Традиційні БПЛА зазвичай використовують окремі антени для різних робочих діапазонів частот (наприклад, для урядової виділеної мережі 1,4 ГГц і для промислових і цивільних діапазонів 2,4 ГГц/5,8 ГГц). Ця конструкція «одна частота, одна антена» не тільки займає значну площу поверхні планера, але також призводить до серйозних інтермодуляційних перешкод (PIM) і проблем з електромагнітною сумісністю (EMC) через те, що антени розташовані надто близько одна до одної.

Переважаючою тенденцією в сучасній антенній інженерії є прийняття ультраширокосмугових (UWB) фрактальних конструкцій або багатомодових, багаточастотних спільних антенних технологій.

Фрактальна антена: використовуючи самоподібність геометричних фракталів, антена резонує одночасно в кількох дискретних діапазонах частот, таким чином замінюючи три антенних блоки, які раніше були потрібні, одним блоком.

Інтеграція багатошарової низькотемпературної кераміки зі спільним спалюванням (LTCC): Завдяки інтеграції мультиплексора та антени в радіочастотний інтерфейс, фільтрація, узгодження імпедансу та випромінювальний елемент об’єднані в єдиний блок, що значно зменшує навантаження на плату.

1.2 Конформні антени та всеспрямоване випромінювання з високим коефіцієнтом посилення

Щоб уникнути погіршення аеродинамічної конфігурації безпілотних літальних апаратів (БПЛА) і зменшити аеродинамічний опір, технологія конформних антен швидко замінює зовнішні штирові антени.

Безпосередня і непомітна інтеграція мікросмужкових матриць і антен на гнучкій друкованій схемі (FPC) у передню кромку крил дрона, шасі або внутрішню частину композитного фюзеляжу досягає «безшовної» установки. Однак конформні конструкції часто обмежені кривизною корпусу літака, що може легко призвести до спотворення діаграми спрямованості. Інженери впроваджують метаматеріали для управління поверхневими хвилями, гарантуючи, що антена зберігає чудову всеспрямовану круговість і характеристики кругової поляризації навіть під час різких змін положення планера (таких як занурення або повороти під великим кутом), тим самим ефективно пригнічуючи розриви зображення або мерехтіння під час передачі відео, спричинені ефектами багатопроменевого поширення.

2. Технологія навігаційної антени БПЛА: висока точність для всієї системи та стійкість до радіочастотних перешкод

Навігаційні системи служать «очима» БПЛА. Незалежно від того, чи це промисловий БПЛА, який виконує автономні перевірки на сантиметровому рівні, чи спеціалізоване обладнання, яке використовується для громадської безпеки, обидва значною мірою покладаються на стабільні та надійні системи супутникової навігації (GNSS).

2.1 Загальносистемне багаточастотне високоточне позиціонування

Щоб відповідати технічним вимогам RTK (Real-Time Kinematic) і PPP (Precision Point Positioning), сучасні навігаційні антени БПЛА повинні бути здатні одночасно покривати всі діапазони частот основних світових навігаційних систем, включаючи китайську BeiDou (B1/B2/B3), американську GPS (L1/L2/L5), російську ГЛОНАСС і європейську Galileo.

У інженерному проектуванні основним показником для оцінки високоточних навігаційних антен є варіація фазового центру (PCV).

Інженери використовують конструкцію мережі з кількома фідами, щоб гарантувати, що електричний фазовий центр і фізичний центр антени просторово збігаються з точністю до міліметра.

Завдяки оптимізації ефективності підсилення антени при низьких кутах підйому дрон все ще може зафіксувати достатню кількість «супутників на низькій висоті» в складних електромагнітних середовищах, таких як міські каньйони та лісисті зони, тим самим запобігаючи втраті позиції.

 

2.2. Еволюція та мініатюризація чотириниткової спіральної антени

У невеликих безпілотних літальних апаратах і безпілотних літальних апаратах споживчого класу чотиризасічна спіральна антена (QHA) є кращим вибором завдяки її унікальним структурним перевагам. QHA здатний забезпечувати чудову чистоту кругової поляризації (тобто надзвичайно низьке осьове відношення) і майже ідеальну напівсферичну діаграму спрямованості без потреби у великій металевій площині заземлення.

Сучасний напрям технологічного прогресу передбачає використання мікрохвильової кераміки з високою діелектричною проникністю як діелектричної підкладки. Збільшуючи діелектричну проникність, фізичні розміри антени можна зменшити більш ніж на 60%. Крім того, у поєднанні з інтегрованим високолінійним підсилювачем з низьким рівнем шуму (LNA) і фільтрами поверхневої акустичної хвилі (SAW)/об’ємної акустичної хвилі (BAW) з високою добротністю сильні гармонічні перешкоди від наземних базових станцій (наприклад, сигнали 5G/6G) можуть бути відфільтровані в джерелі.

3. Антенна технологія протидії безпілотникам: перехід від електромагнітних перешкод до інтегрованого зв’язку, зондування та обчислень

Бум економіки на низьких висотах неминуче вимагає модернізації технологій захисту від нелегальних безпілотних літальних апаратів. Традиційні антени протидії переважно використовують всенаправлені потужні перешкоди; цей підхід «випаленої землі» з високою ймовірністю заважатиме навколишнім цивільним комунікаційним мережам. Технологія протидії антен нового покоління розвивається в напрямку інтелекту, спрямованості та інтеграції зв’язку, зондування та обчислення.

3.1 Інтегроване зондування та зв’язок 5G-A та метаповерхневі фазовані решітки

Завдяки охопленню повітряного простору на низьких висотах мережами 5G-A (5G-Advanced) і майбутніми мережами 6G антени Integrated Sensing and Communication (ISAC) стали передовою темою досліджень у галузі радіочастот.

Системи протидії більше не є просто окремими «перешкодами», а перетворилися на інтелектуальні термінали, які об’єднують радіолокаційне виявлення та електромагнітне придушення.

Антени з активною електронно сканованою решіткою (AESA): у поєднанні з алгоритмами цифрового формування променя (DBF) решітки протидії можуть синтезувати вузькі промені з високим коефіцієнтом посилення за надзвичайно короткий час (у масштабі мілісекунд), щоб спрямувати електромагнітні перешкоди на БПЛА, що вторгаються, на великій відстані.

Реконфігуровані інтелектуальні метаповерхні (RIS): шляхом динамічної зміни фази елементів метаповерхні в режимі реального часу ці системи можуть гнучко маніпулювати відбитими або пропущеними променями, дозволяючи створювати малопотужні, всенаправлені та економічно ефективні електромагнітні огорожі.

3.2 Надширокосмугове придушення спрямованості та адаптивне вирізання променя

Сучасні незаконні БПЛА часто використовують технологію розширеного спектра зі стрибками частоти (FHSS) і нестандартні смуги частот для дистанційного керування та передачі відео, що вимагає від антен контрзаходу надзвичайно широкого динамічного робочого діапазону.

Логарифмічно-періодичні дипольні (LPDA) і рупорні антенні решітки з високим коефіцієнтом посилення широко використовуються в портативних «гарматах постановки перешкод» і стаціонарних захисних станціях завдяки своїм надширокосмуговим характеристикам. Щоб вирішити проблему побічної шкоди дружнім легальним літакам під час глушіння, сучасні антенні системи протидії запровадили адаптивну технологію обнулення променя. З боку обробки цифрового сигналу, хоча антена спрямована на неавторизовані дрони, вона може автоматично створювати електромагнітні виїмки (тобто сліпі зони, де посилення випромінювання близьке до нуля) у напрямку дружніх поліцейських і рятувальних дронів або прилеглих цивільних базових станцій, таким чином досягаючи розширеної конфігурації захисту, що характеризується «точними спрямованими ударами без впливу на дружні комунікації».

4. Резюме та майбутні перспективи технології розробки антен

У майбутньому технології низьковисотного зв’язку, навігації та антен протидії більше не будуть йти ізольованими шляхами розвитку, а натомість демонструватимуть характеристики глибокої інтеграції, мініатюризації та інтелекту:

 

Завдання майбутнього для розробників антен полягатимуть не лише в розробці самого апаратного радіочастотного обладнання, але й у тому, як бездоганно інтегрувати передову фізичну електромагнетику, передову матеріалознавство та алгоритми штучного інтелекту. Постійне розширення меж електромагнетизму в складних каналах на низькій висоті є наріжним каменем побудови безпечного, ефективного та безперебійного Інтернету речей на низькій висоті.