تصميم هوائيات منخفضة الاحتمال للطائرات العطرية وأوفس

الدور الحاسم لأنائيات منخفضة الاحتمال في التصميم الحديث للأشعة فوق البنفسجية

وفي مجال المركبات الجوية غير المأهولة بسرعة والطائرات بدون طيار، يشكل نظام الهوائي عنصرا أساسيا غير محسوس في كثير من الأحيان، وعلى عكس الأجهزة الأرضية، تفرض المنصات الجوية قيودا شديدة على تصميم الهوائي: فالهيكل يجب أن يكون خفيفا بما يكفي للحفاظ على طول الرحلات الجوية، وصغيرا بما يكفي لتجنب فرض عقوبات جوية، وكفاءات كافية للحفاظ على وصلات اتصال موثوقة تتجاوز المسافات الطويلة أو من خلال التدخل في البيئة.

ويتجاوز التحدي الهندسي مجرد تقليل المناقصات، إذ يجب أن يُحدث الهوائي المنخفض نمطا إشعاعيا يناسب بعثة الطائرة بدون طيار، سواء كان ذلك تغطية شاملة للقيادة أو التحكم أو الشعاعات الموجية لوصلات البيانات ذات المخرجات العالية مثل تيار الفيديو، كما يجب أن ينجو من الضغوط الميكانيكية للطيران، بما في ذلك التذبذب، والتدوير الحراري، والقوى المتأثبة خلال عمليات الهبوط.

لماذا الهوائيات المنخفضة الاحتمال هي أساسية لأداء المركبات

والدافع الرئيسي لاعتماد هوائيات منخفضة الطراز في الطائرات بدون طيار هو الكفاءة الهوائية، وكل تفجر من جسم الطائرة بدون طيار يخلق جرا طفيليا، مما يقلل مباشرة من وقت الطيران والسرعة والقدرة على الحمولة، كما أن وجود سوط أو احتكاريائي هوائي في كثير من النظم الأرضية - قد يؤدي إلى مقاومة كبيرة للثديينات السطحية، ولا سيما في فترات التدفق المرتفعة.

كما أن وفورات الوزن الزائد هي ذات أهمية بالغة، إذ أن كل غرام يضاف إلى طائرة بدون طيار يتطلب طاقة بطارية إضافية للرفع، مما إما يقلل وقت البعثة أو يتطلب مجموعة أكبر من البطاريات أثقل، كما أن الهوائيات المنخفضة البرودة، ولا سيما تلك التي تستخدم أجهزة ضوئية مثل مركبي PTFE أو أفلام متعددة الكيمياء المرنة، يمكن أن تزن أقل من بضعة غرامات بينما لا تزال تقدم أداء كهربائيا مقبولا.

كما أن تخفيض السطو والضوضاء يبرر استخدام التصاميم المنخفضة المدى، إذ يجب على الطائرات المسيّرة للاستطلاع العسكري، على سبيل المثال، تجنب الكشف عن الرادار والتقليل إلى أدنى حد من التوقيعات الصوتية، ويؤدي الهوائي المُتفجر إلى زيادة تقاطع الرادار ويمكن أن يُحدث صافرة أو ذبذبذبات جوية، وذلك بترسيخ الهوائيات المتمركزة في الجناحين، أو بخفض من باب معدات الهبوط بدرجة كبيرة.

وأخيراً، فإن الهوائيات المنخفضة المدى تتيح تحسين القدرة الميكانيكية، كما أن الهوائي الخارجي معرض للضرر من الفروع أو الأسلاك أو الأثر الأرضي أثناء الهبوط، وعلى النقيض من ذلك، فإن الهوائي المزود بالهباء محمية بالهيكل المحيط ويمكن تصميمه لتحمل نفس الحمولات التي يُحمى بها الحاسوب الجوي نفسه.

الاعتبارات الرئيسية المتعلقة بالتصميمات الخاصة بالأنينات المنخفضة الأسعار

الحجم، والحجم، والتكامل الموحّد

فالحد الأوضح هو الهندسة، إذ يجب أن يكون في داخل العقارات المتاحة على طائرة بدون طيار تكون مزودة بالفعل بالبطاريات والمجسات والمجهزات، وقد يكون لدى المركبات ذات الأجنحة الثابتة مساحة محدودة في الزنزانة أو الأجنحة أو بطن التبريد، بينما تكون لدى المضاعفات عادة أجسام مركزية صغيرة محاطة بالأسلحة والمركبات.

فالهائيات المتطابقة التي تتبع مواسير الهيكل الداعم أصبحت شائعة بشكل متزايد لأنها تتيح للهوائي أن يتصرف كعنصر هيكلي دون إضافة حجم طفيلي، وعلى سبيل المثال، يمكن أن يقطع الهوائي المباشر في الجلد المعدني لجناح الطائرة بدون طيار، بينما يمكن إدراج الهوائي الحساس في تصميمات المركبة بين أجهزة الصمامات المصنوعة.

اختيار المواد للوزن الخفيف وطولها

ويؤثر اختيار المواد الفرعية والسلوكية تأثيرا مباشرا على كفاءة هوائيات الهوائيات ووزنها وموثوقيتها، وتشمل المواصفات الفرعية للديكليات ذات الهوائيات المنخفضة الطراز على الطائرات بدون طيار ما يلي:

• Rogers 5880 / 6002] — low-loss PTFE composites that offer stable permittivity across temperature, ideal for GPS and telemetry bands (1.5-2.4 GHz).
• Polyimide flex movies (Kapton)] - رقيقة، خفيفة الوزن، وقابلة للذوبان، مناسبة للصلائح المتطابقة على السطحات المكشوفة.
• FR-4 glass epoxy — cost-effective but lossy at higher frequencies; used only for less demanding applications.
• Foam-based substrates (Rohacell)] — extremely low dielectric constant (er:1.1) for high-efficiency patch antennas, butميكانيكياً weak and typically require protective layers.

وبالنسبة للموصلين، فإن النحاس معياري، ولكن يجري استكشاف مواد بديلة مثل أكاسيد النانووير الفضية أو البوليمرات السلوكية في الهوائيات المرنة المطبوعة، والتي تنطوي دائما على السلوك (الحد الأقصى للكفاءة) مقابل الوزن والمرونة، وكثيرا ما تطبق المعاطف الحمائية مثل راتنجات البريلية أو الأكريكة على حماية المعدن من التآكل والعدام دون إضافة وزن قابل للقياس.

اشتراطات التردد والزوارق

ويجب أن تدعم نظم الهوائيات فوق البنفسجية في كثير من الأحيان مجموعات الترددات المتعددة.

• Ultra High Frequency (UHF) 400-470 MHz for long-range command and control.
• L-band 1.5-1.6 GHz for GPS/GNSS positioning.
• S-band 2.4-2.5 GHz for Wi-Fi, 4G/5G cellular links, or spread-spectrum telemetry.
• C-band 5.2-5.8 GHz for high-definition video transmission.
• مليميت - وايف (24 جيهرتز، 60 جيهرتز) لتطبيقات التردد العالي المستقبلية مثل الرادار أو 5 جي.

ويتمتع الهوائي المنخفض الوراثة بحجم ضيق من الازدحام، يقل في كثير من الأحيان عن ٥ في المائة من الترددات المركزية إلى حجمه المخفض، وليتسنى للمهندسين استخدام رقائق مغلفة )طبقات مائية مائلة( أو تصميمات ملو َّثة أو عناصر طفيلية لخلق سلوك متعدد الصبر، على سبيل المثال لا الحصر، تصميم أحادي النطاقات الفوقية على نطاق واسع.

نمط الإشعاعات والإقطاب

ويتوقف نمط الإشعاع المطلوب على البعثة، ففيما يتعلق بصلة اتصال نموذجية بين الطائرات بدون طيار والمحطة الأرضية، يلزم وجود نمط شامل في الطائرة الزامية للحفاظ على الاتصال بصرف النظر عن توجه الطائرات بدون طيار، وقد يؤدي الهوائيات المنخفضة الحجم مثل رقائق الموجات ربعية مع طائرة أرضية إلى نمط ثابت، وهو ما يقترب من الاتجاه العام فوق الطائرة الأرضية.

ويستفيد الاستقطاب العناني بشكل خاص من هوائيات الطائرات بدون طيار لأنه يقلل من آثار التناوب في الغلاف الأيوني (مهمة الرحلات الجوية البعيدة المدى) ويوفر أداء متسقا بصرف النظر عن التوجه النسبي للإحالة وتلقي الهوائيات، ويستند الكثير من الهوائيات المتدنية المحتوية على التوابل الأرضية ذات الترددات شبه المائية، ونسبة الأنهار الاصطناعية، أو ما بين مختلف المقاييس.

Impedance Matching and Feeding Techniques

وعادة ما يكون للهوائيات المنخفضة الملامح تأثير مُدخّل يُنحرف عن المعيار 50 أوم، خاصة عندما يكون الارتفاع فوق الطائرة الأرضية مجرد جزء من الموجة، ويُسمح للشبكتين المطابقتين للكميات باستخدام الأورام الموزعة، والعناصر المُقطّعة (المُنتجة والموصلة)، أو المُحوّلات ذات الترددات الربعية بجعل عناصر فقدان العواد (S11) دون الفارقة.

وتشمل أساليب التغذية المشتركة خطوط الميكروسيب، والاختبارات الاصطناعية، والتكافلات الاصطناعية، والتقريب بين القرب، وتُستخدم الشقق المزدوجة في تصميمات منخفضة الاحتمالات لأنها تعزل شبكة التغذية عن العنصر المشع، وتخفض الإشعاعات الخافضة، وتبسط التكامل مع الدائرة الأمامية للمحطة التي توجد في خليج الطائرات المسيرة.

الأنواع المشتركة من الهوائيات المنخفضة الأسعار للطائرات

Planar Inverted-F Antennas (PIFAs)

أما الأنبوب المزود بالأجهزة الضوئية فهي من بين أكثر الأنابيب المنخفضة الاستخدام استخداماً في التطبيقات المتنقلة والطائرات بدون طيار، وهي تتألف من رقعة معدنية قابلة للارتداد فوق طائرة أرضية بواسطة دبوس مختصر وتغذيها خط مسبار كواكسي أو مصغر، ويستخدم طولها الإجمالي عادةً في موقع يتراوح بين 0.02 و0.05 كيلو متر، مما يجعلها رقيقة للغاية.

Microstrip Patch Antennas

أما رقعة المايكستريب الكلاسيكية أو المصغرة فيتمثل في النموذج الكيميائي للهوائي المنخفض الوراثي، ويحدّد ارتفاعه سميكة من القمح الفرعي للديليكت، التي عادة ما تكون 0.01 إلى 0.1 كيلوغرام، ويُعدّ الباتشيون توجيها ممتازا لعنصر واحد (نحو 6-9 د.ب) ويمكن ترتيبه في صفائف لتحقيق مكاسب أعلى.

Fold Dipole Antennas

إن الديبول المطوي هو مشتق من الديبول الكلاسيكي الذي يمتد نصف الموجات والذي يميل إلى الحد من الارتفاع العام، وعندما تطبع على مستوى أدنى من المستوى أو تُستخدم على دائرة مضللة، يمكن جعل الديبول المطوي مصمماً على نحو متقارب مع عرض ميزة وجود ازدحام أعلى (حوالي 300 أوم) مما يعكس أنماطاً واسعة النطاق من الإشعاع.

الهوائيات الهلكية (الطريقة المألوفة)

يمكن أن يُصنع في نسخة منخفضة الجودة باستخدام مطياف غير طبيعي، وجهاز بلاستيكي مُصَلَّق في تصميم مُصَبَّع، و كذلك يمكن أن يُغذي بجهاز بلاستيكي مُصَدَّب في مُعدّة مُتَصَدَّدَة.

فيفالدي (اللوحة المتطاولة)

فالهوائيات الفيفالدية تقدم أداء واسع النطاق للغاية (المحيطات) ويمكن أن تكون منخفضة المقاييس عن طريق وضعها على مواضع صغيرة، وهي أجهزة إطفاء ذات نطاق نهائي، مما يعني أن خطها الرئيسي على طول طائرة الهوائي، وهو أمر مفيد عندما توضع الهوائيات على حافة جناح أو ذيل ذيل.

تحديات التصميم والحلول الهندسية

حجم الموازنة مع الأداء

وتقول المبادلات الأساسية في تصميم الهوائيات المنخفضة، المعروفة باسم الحد الأقصى لهرينغتون - تشو، إن نطاق الترددات وكسب الهوائي الصغير يرتبطان على نحو عكسي بحجمه الكهربائي (كا)، ويقلل فرز الهوائي من نطاقه الجاهز وكفاءته من الإشعاع، أما بالنسبة للطائرات التي لا تتجاوز أبعادها الهندسية الوعرة 0.1 في المائة أو أقل.

]التردد الافتراضي: /[ ]الإطار: ١[[ استخدام مواد الديولوجية العالية السرعة )مثلا، الظواهر المؤثرة التي تستخدم التردد /الثاني عشر( يمكن أن تقلل من الحجم المادي لشبكة الترددات الوسيطة الضيقة، ولكن هذا يكلف زيادة الخسائر في الموجات السطحية وضيق النطاق الترددي.

Environmental Durability and Thermal Stability

وتمارس طائرات الأوعية المحتوية على عدة بيئات من الجو العالي التجمّد إلى ظروف صحراء ساخنة، مع التعرض للرطوبة، والإشعاع فوق البنفسج والرمل، ويجب أن تحتفظ الهوائيات المنخفضة الجودة بالسلامة الكهربائية والميكانيكية عبر هذه المتطرفات، وتتمتع المواد مثل PTFE (Teflon) باستقرار حراري ممتاز، ولكن يصعب ربطها بهياكل أخرى.

]Solution:] Use of hermetically sealed radomes made from UV-stable polymers (e.g., polycarbonate or PMMA) with low dielectric loss. For the antenna itself, conformal coating of parylene or silicone provide moistrate without add more than a few tracerefficient trans of fish.

التداخل والتعايش مع الإلكترونيات الأخرى

والطائرة الآلية هي بيئة مزدحمة بالكهرباء، إذ تعمل أجهزة لاسلكية متعددة (GPS، و2.4 GHz، و5.8 من فيديو GHz، و900 من قياسات تليفزيونية ميغاهرتز) في آن واحد، ويجب أن ترفض الهوائيات التي لا تتردد على جهاز الاستقبال، بالإضافة إلى أن البطارية والسيارات والأسلاك تنتج ضوضاء ذات نطاق واسع.

]Solution:] Use of bandpass filters integrated into the antenna feed (either as discrete components or as part of the antenna itself, e.g. a slot antenna that naturally rejects certain frequencies). Proper shielding and ground frequency of the antenna ground plane to the drone’s common ground

المحاكاة والاختبارات والتصديق

ويتوقف تصميم الهوائي المنخفض المتطور اعتماداً كبيراً على المحاكاة الكهرومغناطيسية الكاملة الموجة قبل وضع النماذج، كما أن البرمجيات مثل هذه النظم هي فقط عينات من المواد السائلة ذات النمط الخافت، أو الأسطول الاستوديو لفرقة العمل، أو FEKO تسمح للمهندسين بنموذج الهوائي على مقياس جوي غير قابل للطي بما في ذلك آثار المعادن، و ألياف الكربون، وحزمة البطاريات التي يمكن التنبؤ بها بدقة.

وبعد أن يتم بناء نموذج أولي، يتحقق الاختبار في غرفة منقوعة من نمط الإشعاع، وبالنسبة للطائرات المسيرة، كثيرا ما تشمل مجموعة الاختبارات دوارة صغيرة يمكن أن تحاكي عملية القذف والتبخر أثناء الرحلة، ويجب أن تستوفي هذه المقاييس المميزة، والبيزويد، ونقاء الاستقطاب.

الاتجاهات المستقبلية في الأنتينا ذات المنح الصغيرة

وهناك ثلاثة اتجاهات رئيسية تمثل الجيل القادم من الهوائيات فوق البنفسجية:

الإلكترونيات المرنة والثابتة

ومن شأن التقدم في الأعلام الاصطناعية، والغرافيين، وأفلام النانووب الكربونية أن يتيح له أن يطبع على بلاستيك مرن أو حتى نسيج، ويمكن أن يُلصق الهوائي المرن في داخل محمي من ذراع بلا طيار أو في الجلد الجناح، وينقذ الفضاء والوزن، كما أن التصميمات القابلة للكسر، التي لا تزال في البحث، ستسمح بأن تكون متوافقة مع هياكل قابلة للتلفزة مثل التحلل مثل الترسبات التي تُصق.

Metamaterial-Enhanced Low-Profile Antennas

فالهياكل المميتة - الصناعية التي تظهر خصائص لا توجد في مهندسين ذوي طبيعة منخفضة للتلاعب بالموجات الكهرومغناطيسية بطرق تتقلص حجم الهوائي، فعلى سبيل المثال، فإن سطحاً عالياً من المحركات المغناطيسية أو موصلاً صناعياً يمكن أن يكون بمثابة مرآة مغناطيسية مثالية، مما يتيح لجهاز قياسي منخفض الاحتمالات أن يحقق نفس الترددات الافتراضية التي أوقفت فيها.

AI-Assisted Optimization and 3D Printing

وتستخدم المعلومات الاستخبارية الفنية، ولا سيما الخوارزميات الجينية والتعلم العميق، لتحقيق الشكل الأمثل لشبكة الأنينات المنخفضة الأسعار وتغذيتها لتحقيق أهداف متعددة )الجمع بين قوسين، وضم النطاق، ونقاء الاستقطاب( في آن واحد.

خاتمة

إن تصميم الهوائيات المنخفضة المدى للطائرات بدون طيار الجوية والمركبات الجوية فوق البنفسجية هو تخصص هندسي متعدد الوجوه يتطلب مبادلات دقيقة بين الأداء الكهربائي والقوة الميكانيكية والقيود على التكامل، حيث أن الطائرات بدون طيار ستظل تتقلص وتعمل في سيناريوات أكثر طلباً - من مرحلة التسليم غير المباشر إلى منابر ذات قدرة عالية على الحركة الشمسية - وسيظل هذا النسيج عاملاً حاسماً في التمكين.

For further reading, see the ]Microwave Journal's overview of low-profile UAV antennas, IEE Xplore paper on reconfigurable low-profile antennas for drones conforms: