ドローンとの安定した通信を維持するには？

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近年、無人航空機 (UAV) またはドローンは、軍事、公共サービス、商業、さらには個人を含む多くの多様な業界や組織によって広く採用されています。ドローンが飛行し、物体を運び、自律的に飛行する能力により、この技術はさまざまな形で人生を変えてきました。軍隊は、セキュリティと監視のためにそれらを採用しています。レスキュー チームは、災害の 3D マッピングにそれらを使用します。食品業界でさえ、食品配達をより迅速かつ簡単にするためにワゴンに参加しています。他のラジコン デバイスと同様に、ドローン、クアッドコプター、または UAV は、機能するためにアンテナを必要とします。ドローン ミッションを正常に運用するには、ドローンとリモート コントロール (RC) の間の通信が安定していて、ドローンの紛失を防ぐ必要があります。不安定性、抗力の問題、および干渉は、ドローンの性能を妨げる主な課題です。

ドローンアンテナのHFWorksモデリング

この研究活動に貢献するために、電磁仮想プロトタイピング ソフトウェアである HFWorks を使用して、回路干渉、抗力、およびドローン フレームの影響を受けにくいアンテナを設計しました。アンテナの設計は雑誌の論文 [1] から入手しました。

凸状に曲がった丸形Y字型アンテナ

提案されたアンテナは薄型で、無人機の操作中の抗力の問題を最小限に抑えるのに便利な凸状の曲率を持っています。

図 1.上面図

図 2.底面図

図 3.正面図

上記のアンテナをシミュレートすると、次の結果が得られます。

図4. アンテナのリターンロス

図 5. 3D 放射パターン

図 6. 2D放射パターン( ?=0° )

表 1.アンテナの遠方界パラメーター (5.8GHz)

上の図から、アンテナの反射係数は 5.8 GHz で -12 dB であり、最大放射は地面に向かっていることがわかります。このようなタイプのアンテナは、3D マッピングや空撮などのドローン アプリケーションに非常に適しています。

ドローンのアンテナ

アンテナは周囲の物体から独立して機能しません。ドローン本体は、金属からの反射と誘電負荷により、アンテナの全体的な性能に影響を与えます。ドローンにアンテナを取り付けるのは本当に大変です。アンテナをドローンの中央に配置すると、回路ノイズの影響を受けやすくなります。したがって、干渉が目立たない翼の中央にアンテナを配置するのが適切です。ドローン フレームはプラスチックを使用してモデル化されました。モーターはスチールと銅でできています。

図 7.ドローンのアンテナ

図 8.電界アニメーション (5.8 GHz)

図 9.リターン ロス

図 10.結合係数

図 11. 3D 放射パターン

Fig. 12. 2D 放射パターン ( ?=0° )

アンテナは地面に向かって最大ゲインを持っています。基板材料とプラスチックの誘電率の差が小さいため、放射に小さな歪みがあることがわかります。金属製のモーターは、4 つのアンテナから離れているため、影響は小さくなります。結合係数は、5.8 GHz で -30 dB 未満です。これは、アンテナが十分に分離されており、互いの放射に影響を与えないことを意味します。ドローンの各アームにアンテナを取り付けると、システムに空間ダイバーシティが追加されます。

結論

FPV アンテナは、送信されるビデオ信号の品質において重要な役割を果たします。ドローンミッションの運用を成功させるには、薄型のコンフォーマルアンテナが不可欠です。ドローンにアンテナを配置することは、考慮すべき多くのパラメーターがあるため、アンテナ エンジニアにとって非常に困難です。ドローンのフレームにプラスチック素材を使用すると、送信信号の歪みが少なくなります。翼の中央にアンテナを取り付けることで、信頼性の高いビデオ信号を提供しながら、ドローンの回路との干渉を減らすことができます。 HFWorks は、アンテナの課題に対処し、ドローンの性能を向上させるのに役立ちました。

参考文献

[1]- L.L. Balderas1, A. Reyna, M.A. Panduro, C. del Rio, and A.R. Gutierrez, 2019, “Low-Profile Conformal UWB Antenna for UAV Applications”