Tập trung vào các xu hướng liên lạc ở độ cao thấp trong công nghệ ăng-ten truyền dẫn, điều hướng và biện pháp đối phó bằng máy bay không người lái

Trong bối cảnh nền kinh tế tầm thấp đang phát triển mạnh mẽ, máy bay không người lái (UAV) không còn đơn thuần là phần cứng bay biệt lập mà đã phát triển thành các nút di động trên không thông minh tích hợp các chức năng liên lạc, điều hướng và điều khiển từ xa (CNR) tiên tiến. Với việc ứng dụng rộng rãi eVTOL (máy bay cất cánh và hạ cánh thẳng đứng bằng điện) và UAV cấp công nghiệp trong các tình huống như hậu cần đô thị, kiểm tra đường dây điện và cứu hộ khẩn cấp, môi trường điện từ ở độ cao thấp ngày càng trở nên phức tạp.

Là giao diện quan trọng giữa sóng điện từ và mặt trước tần số vô tuyến, chất lượng thiết kế ăng-ten quyết định trực tiếp phạm vi liên lạc, độ chính xác định vị và khả năng bảo mật của toàn bộ hệ thống. Bài viết này sẽ cung cấp phân tích chuyên sâu về những thách thức kỹ thuật hiện tại, các giải pháp chủ đạo và xu hướng tương lai trên ba lĩnh vực cốt lõi—truyền video, điều hướng và các biện pháp đối phó—từ góc nhìn của một kỹ sư ăng-ten chuyên nghiệp.

1. Công nghệ ăng-ten truyền video UAV: ​​băng thông cao, thiết kế phù hợp đa tần số và thích ứng kênh

Truyền hình ảnh độ phân giải cao, độ trễ thấp là trọng tâm trong hoạt động của máy bay không người lái (UAV). Hiện tại, nhu cầu truyền các luồng video độ phân giải cực cao 4K/8K và nhiều kênh dữ liệu mạng thông minh và kỹ thuật số đặt ra yêu cầu rất cao về ăng-ten truyền video, đòi hỏi chúng phải có 'độ lợi cao, băng thông rộng và nhỏ gọn'.

1.1 Công nghệ đa băng tần và siêu băng rộng (UWB)

Các UAV truyền thống thường sử dụng ăng-ten riêng cho các dải tần hoạt động khác nhau (chẳng hạn như mạng dành riêng cho chính phủ 1,4 GHz và các băng tần công nghiệp và dân dụng 2,4 GHz/5,8 GHz). Thiết kế 'một tần số, một ăng-ten' này không chỉ tiêu tốn một lượng đáng kể diện tích bề mặt khung máy bay mà còn dẫn đến các vấn đề nghiêm trọng về nhiễu xuyên điều chế (PIM) và tương thích điện từ (EMC) do các ăng-ten được đặt quá gần nhau.

Xu hướng phổ biến trong kỹ thuật ăng-ten hiện đại là áp dụng các thiết kế fractal siêu băng rộng (UWB) hoặc công nghệ ăng-ten chia sẻ đa chế độ, đa tần số.

Ăng-ten phân dạng: Bằng cách sử dụng tính chất tự tương tự của các phân dạng hình học, ăng-ten cộng hưởng đồng thời trên nhiều dải tần riêng biệt, do đó thay thế ba đơn vị ăng-ten được yêu cầu trước đây bằng một đơn vị duy nhất.

Tích hợp gốm đồng nung nhiệt độ thấp (LTCC) nhiều lớp: Bằng cách tích hợp bộ ghép kênh và ăng-ten trong mặt trước RF, bộ lọc, kết hợp trở kháng và phần tử bức xạ được kết hợp thành một khối duy nhất, giảm đáng kể tải trên bo mạch.

1.2 Ăng-ten phù hợp và bức xạ có mức tăng cao đa hướng

Để tránh ảnh hưởng đến cấu hình khí động học của máy bay không người lái (UAV) và để giảm lực cản khí động học, công nghệ ăng-ten phù hợp đang nhanh chóng thay thế các ăng-ten roi bên ngoài.

Bằng cách tích hợp trực tiếp và kín đáo các mảng vá vi dải và ăng-ten mạch in linh hoạt (FPC) vào cạnh trước của cánh máy bay không người lái, thiết bị hạ cánh hoặc phần bên trong thân máy bay composite, sẽ đạt được quá trình lắp đặt 'liền mạch'. Tuy nhiên, các thiết kế phù hợp thường bị hạn chế bởi độ cong của khung máy bay, điều này có thể dễ dàng dẫn đến sự biến dạng của mô hình bức xạ. Các kỹ sư đang giới thiệu các siêu vật liệu để điều khiển sóng bề mặt, đảm bảo rằng ăng-ten duy trì các đặc tính phân cực tròn và hình tròn đa hướng tuyệt vời ngay cả khi có những thay đổi mạnh mẽ về tư thế của khung máy bay (chẳng hạn như lặn hoặc quay góc cao), từ đó ngăn chặn hiệu quả hiện tượng xé hình hoặc nhấp nháy hình ảnh khi truyền video do hiệu ứng đa đường gây ra.

2. Công nghệ ăng-ten điều hướng UAV: ​​Khả năng chống nhiễu từ đầu cuối RF và độ chính xác cao trên toàn hệ thống

Hệ thống định vị đóng vai trò là 'đôi mắt' của UAV. Cho dù đó là UAV công nghiệp thực hiện kiểm tra tự động ở cấp độ centimet hay thiết bị chuyên dụng dùng cho an toàn công cộng, cả hai đều phụ thuộc rất nhiều vào hệ thống định vị vệ tinh ổn định và đáng tin cậy (GNSS).

2.1 Định vị có độ chính xác cao đa tần số trên toàn hệ thống

Để đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của RTK (Động học thời gian thực) và PPP (Định vị điểm chính xác), ăng-ten dẫn đường của UAV hiện đại phải có khả năng bao phủ đồng thời tất cả các dải tần của các hệ thống định vị chính trên thế giới, bao gồm BeiDou (B1/B2/B3) của Trung Quốc, GPS của Mỹ (L1/L2/L5), GLONASS của Nga và Galileo của Châu Âu.

Trong thiết kế kỹ thuật, thước đo cốt lõi để đánh giá ăng-ten dẫn đường có độ chính xác cao là Biến thiên tâm pha (PCV).

Các kỹ sư sử dụng thiết kế mạng nhiều nguồn cấp dữ liệu để đảm bảo rằng tâm pha điện và tâm vật lý của ăng-ten trùng khớp về mặt không gian trong phạm vi milimet.

Bằng cách tối ưu hóa hiệu suất khuếch đại của ăng-ten ở các góc độ cao thấp, máy bay không người lái vẫn có thể khóa đủ số lượng 'vệ tinh ở độ cao thấp' trong môi trường điện từ đầy thách thức, chẳng hạn như hẻm núi đô thị và khu vực rừng rậm, từ đó ngăn ngừa mất vị trí.

 

2.2 Sự phát triển và thu nhỏ của Ăng-ten xoắn tứ giác

Trong các máy bay không người lái cỡ nhỏ và dành cho người tiêu dùng, ăng-ten xoắn tứ giác (QHA) là lựa chọn ưu tiên do những ưu điểm về cấu trúc độc đáo của nó. QHA có khả năng mang lại độ tinh khiết phân cực tròn tuyệt vời (tức là tỷ lệ trục cực thấp) và mẫu bức xạ bán cầu gần như hoàn hảo mà không cần mặt phẳng nền kim loại lớn.

Hướng tiến bộ công nghệ hiện nay liên quan đến việc sử dụng gốm vi sóng có hằng số điện môi cao làm chất nền điện môi. Bằng cách tăng hằng số điện môi, kích thước vật lý của ăng-ten có thể giảm hơn 60%. Hơn nữa, khi kết hợp với bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA) có độ tuyến tính cao tích hợp và bộ lọc sóng âm bề mặt Q cao (SAW)/sóng âm khối (BAW), nhiễu sóng hài mạnh từ các trạm gốc trên mặt đất (chẳng hạn như tín hiệu 5G/6G) có thể được lọc tại nguồn.

3. Công nghệ ăng-ten đối phó với máy bay không người lái: Quá trình chuyển đổi từ gây nhiễu điện từ sang tích hợp truyền thông, cảm biến và máy tính

Sự bùng nổ trong nền kinh tế tầm thấp chắc chắn đòi hỏi phải nâng cấp các công nghệ phòng thủ chống lại máy bay không người lái 'chuyến bay đen' bất hợp pháp. Các ăng-ten đối phó truyền thống chủ yếu sử dụng phương pháp gây nhiễu đa hướng, công suất cao; Cách tiếp cận 'thiêu đốt' này rất có thể sẽ gây trở ngại cho các mạng lưới liên lạc dân sự xung quanh. Công nghệ ăng-ten biện pháp đối phó thế hệ mới đang phát triển theo hướng thông minh, định hướng và tích hợp thông tin liên lạc, cảm biến và điện toán.

3.1 Cảm biến và truyền thông tích hợp 5G-A và Mảng theo pha Metasurface

Với phạm vi phủ sóng không phận ở độ cao thấp của mạng 5G-A (5G-Advanced) và 6G trong tương lai, ăng-ten Cảm biến và Truyền thông Tích hợp (ISAC) đã trở thành chủ đề nghiên cứu tiên tiến trong lĩnh vực RF.

Các hệ thống biện pháp đối phó không còn đơn thuần là những 'thiết bị gây nhiễu' đơn lẻ mà đã phát triển thành các thiết bị đầu cuối thông minh tích hợp tính năng phát hiện radar và triệt tiêu điện từ.

Ăng-ten mảng quét điện tử chủ động (AESA): Kết hợp với thuật toán Định dạng chùm tia kỹ thuật số (DBF), mảng biện pháp đối phó có thể tổng hợp các chùm tia hẹp có độ lợi cao trong thời gian cực ngắn (thang mili giây) để định hướng nhiễu điện từ đối với các UAV xâm nhập ở tầm xa.

Siêu bề mặt thông minh có thể cấu hình lại (RIS): Bằng cách thay đổi linh hoạt pha của các phần tử siêu bề mặt trong thời gian thực, các hệ thống này có thể điều khiển linh hoạt các chùm phản xạ hoặc truyền qua, cho phép xây dựng hàng rào điện từ năng lượng thấp, đa hướng và tiết kiệm chi phí.

3.2 Triệt tiêu hướng băng tần siêu rộng và Cắt chùm tia thích ứng

Các UAV bất hợp pháp hiện đại thường sử dụng công nghệ trải phổ nhảy tần (FHSS) và các dải tần không chuẩn để điều khiển từ xa và truyền video, đòi hỏi ăng-ten biện pháp đối phó phải có phạm vi hoạt động cực rộng.

Mảng ăng-ten lưỡng cực chu kỳ logarit (LPDA) và ăng-ten còi có mức tăng cao được sử dụng rộng rãi trong 'súng gây nhiễu' di động và các trạm phòng thủ cố định do đặc tính băng thông cực rộng của chúng. Để giải quyết vấn đề thiệt hại phụ đối với máy bay hợp pháp thân thiện trong các hoạt động gây nhiễu, các hệ thống ăng-ten biện pháp đối phó hiện đại đã giới thiệu công nghệ vô hiệu hóa chùm tia thích ứng. Về mặt xử lý tín hiệu số, trong khi ăng-ten hướng vào máy bay không người lái trái phép, nó có thể tự động tạo ra các rãnh điện từ (tức là các điểm mù nơi mức tăng bức xạ gần bằng 0) theo hướng máy bay không người lái của cảnh sát và cứu hộ thân thiện hoặc các trạm cơ sở dân sự gần đó, nhờ đó đạt được cấu hình phòng thủ tiên tiến được đặc trưng bởi 'các cuộc tấn công có hướng, chính xác mà không ảnh hưởng đến liên lạc thân thiện'.

4. Tóm tắt và triển vọng tương lai cho công nghệ kỹ thuật ăng-ten

Trong tương lai, các công nghệ ăng-ten liên lạc, định vị và biện pháp đối phó ở độ cao thấp sẽ không còn đi theo con đường phát triển biệt lập mà thay vào đó sẽ thể hiện các đặc điểm của sự tích hợp sâu, thu nhỏ và trí thông minh:

 

Đối với các kỹ sư ăng-ten, những thách thức trong tương lai sẽ không chỉ nằm ở việc thiết kế phần cứng RF mà còn ở cách tích hợp liền mạch điện từ vật lý tiên tiến, khoa học vật liệu tiên tiến và thuật toán trí tuệ nhân tạo. Liên tục vượt qua ranh giới của điện từ trong các kênh độ cao thấp phức tạp là nền tảng của việc xây dựng Internet of Things ở độ cao thấp an toàn, hiệu quả và liền mạch.