בשנים האחרונות צצות כמו פטריות לאחר הגשם חברות שמפתחות רחפנים לצרכים שונים. מהשקיה של שדות חקלאיים דרך משלוחי חבילות ועד רחפנים לשימוש צבאי ליירוט איומים ואף ללוחמה בשטחים בנויים. בארצנו ישנם לא מעט מטיסים ובוני רחפנים מקצועיים שהתחילו את הקריירה המקצועית שלהם כתחביב של בנייה והטסת רחפני מרוץ או FreeStyle שבניגוד לאחיהם רחפני הצילום שנמכרים בחנויות, דורשים מהמטיס יכולת ומיומנות גבוהה ואינסטינקטים של טייס קרב כמעט. הייחודיות של הרחפנים האלו היא טכנולוגיית ה FPV (First Person View). אז מה זה רחפן FPV בעצם?
רחפן FPV הוא מל”ט עם מצלמה המעבירה שידור וידאו מסביבת הרחפן באופן אלחוטי למשקפיים ייחודיות שאותם מרכיב המטיס. רחפני ה FPV עשויים להיות נשלטים מרחוק או שניתן לתכנתם לטוס באופן אוטונומי באמצעות תוכניות טיסה מבוקרות על ידי תוכנה לגישה לנתונים מחיישנים משולבים ו- GPS.
מנקודת מבטו של המשתמש, רחפן FPV הוא כמו רובוט טלפרנסנס מעופף, מה שמאפשר נוכחות וירטואלית בכל מקום בו הרחפן יכול לטוס, לעיתים קרובות בסביבה לא נגישה לאדם.
בניגוד לבני אדם , מל”טים אישיים יכולים לגשת למרחבים קטנים יותר ולשרוד בתנאי סביבה קשים ביותר.
יכולתם של רחפני FPV להיכנס לאזורים שאינם בטוחים לבני אדם הופכת אותם ליעילים למשימות חיפוש והצלה. ניתן לאתר בעזרתם מרחוק אנשים במצבים מסוכנים, תוך הימנעות מהצורך בנוכחות פיזית. באופן דומה ניתן להשתמש בהם לבדיקת תשתיות פיזיות שקשה הגישה אליהן, כמו גשרים ומבנים גבוהים.
בתחום האגר-טק (טכנולוגיה חקלאית), רחפן FPV מאפשר לחקלאי לסרוק ולסקור יבולים ובעלי חיים במהירות גבוהה בהרבה ממה שניתן לבדוק על הקרקע והרבה יותר מקרוב ממה שאפשר ממטוס. רחפן גם יכול להיות מצויד בחיישנים ללכידת נתונים סביבתיים לניתוח מתוחכם יותר.
בדיקת יבולים ע”י רחפן יכולה להקל על חקלאות מדויקת, ביישום טכנולוגיות מידע על מנת להבטיח כי היבולים והאדמה יקבלו בדיוק את מה שהם צריכים לבריאות ולפרודוקטיביות מיטביים, תוך אופטימיזציה של השימוש היעיל במשאבים.
בעבודה זאת נציג ניתוח של ביצועי אנטנה המותקנת על רחפן לצורכי תקשורת וידיאו. אנטנה זו בעלת קיטוב מעגלי ימני עם עקום כלל כיווני במישור אזימוט (צידוד) באופק, כאשר התדר המרכזי שלה הינו
5.8 GHz. האנטנה מוזנת באמצעות כבל קואקסיאלי עם אימפדנס אופייני של Ω 50 המחובר למקמ”ש. האנטנה מורכבת מ – 4 זרועות מכופפות כאשר קצה אחד בכל זרוע מחובר למינוס (המוליך החיצוני של הכבל) והקצה הנגדי מחובר לפלוס (המוליך הפנימי של הכבל).
עקב ריבוי האופציות להתקנת האנטנה על גבי רחפן אנו נבחן שתי אופציות להתקנה ונחליט על המנח הנכון לצורכי שידור וקליטה יעילים. בחינה זו תתבצע בחלל חופשי ולאחר בחירת המנח הנכון נבדוק כיצד מתנהגת האנטנה על גבי הרחפן. ניתוח האנטנה נעשה ע”י שימוש בתוכנת סימולציה אלקטרומגנטית ANSYS HFSS במישור התדר, בשיטת חישוב FEM (Finite Element Method).
בשלב הראשון אנטנה נמצאת בחלל חופשי כאשר הכבל הקואקסיאלי מקביל לציר z (בניצב למישור האזימוט). באיור 1 ניתן לראות את המבנה הגיאומטרי של האנטנה.
איור 1 – המבנה הגיאומטרי של האנטנה בחלל חופשי
(a) – מבט 3D (b) – מבט מלמעלה
הממדים של האנטנה: גובה הכבל 46mm וקוטר הזרועות 29mm. האנטנה מתואמת לתדר מרכזי 5.8 GHz. מאיור 2 ניתן לראות את המקדם ההחזרה ב – dB (Return Loss).
איור 2 – מקדם ההחזרה ב –dB עבור אנטנה בחלל חופשי
רוחב הסרט של האנטנה ברמה של -10 dB הינו 5.5 GHz – 6 GHz. באיור 3 מוצגים גרפים תלת ממדיים של שבח האנטנה בתדר המרכזי (5.8 GHz) עבור קיטוב מעגלי שמאלי וימני.
איור 3 – עקומי קרינה 3D עבור שבח האנטנה בתדר המרכזי כאשר הכבל מקביל לציר z
(a) – שבח עבור קיטוב מעגלי ימני (b) – שבח עבור קיטוב מעגלי שמאלי
כפי שניתן לראות הקיטוב הדומיננטי הינו מעגלי ימני עם שבח מקסימאלי 1.6 dBi. איור 4 מציג את שבחי האנטנה במישור האזימוט הראשי בתדר המרכזי. בהנחה שמדובר על רחפן שנמצא רחוק, לכן זווית ההגבהה תהיה קרובה לאופק.
איור 4 – עקומי קרינה עבור שבח האנטנה במישור האזימוט הראשי בתדר המרכזי כאשר הכבל מקביל לציר z
העקום הדומיננטי הינו כלל כיווני כאשר שבח של הקיטוב הצולב מתחת ל – -12 dBi . באיור 5 רואים את הגרף של Axial Ratio (AR) במישור האזימוט הראשי שמתאר את טיב הקיטוב המעגלי.
איור 5 – Axial Ratio עבור האנטנה בתדרים שונים במישור האזימוט הראשי כאשר הכבל מקביל לציר z
במצב האידיאלי המדד של AR הינו 0 dB. במקרה שלנו AR < 1.1 dB בכל התדרים ברוחב הסרט של האנטנה כאשר תוצאה זאת נחשבת לטובה.
כעת נבדוק את ביצועי האנטנה כאשר היא מוטת בזווית 45 מעלות, כפי שניתן לראות באיור 6.
איור 6 – המבנה הגיאומטרי של האנטנה בחלל חופשי כאשר היא מוטת בזווית 45 מעלות
באיור 7 מוצגים גרפים תלת ממדיים של שבח האנטנה בתדר המרכזי עבור קיטוב מעגלי שמאלי וימני.
איור 7 – עקומי קרינה 3D עבור שבח האנטנה בתדר המרכזי כאשר האנטנה מוטת בזווית 45 מעלות
(a) – שבח עבור קיטוב מעגלי ימני (b) – שבח עבור קיטוב מעגלי שמאלי
במקרה הזה ניתן לראות כי עקומי הקרינה משתנים בגלל הטיית האנטנה. בקיטוב הדומיננטי החור בעקום הקרינה מופיע ב 45 מעלות מציר z בניגוד למצב הקודם שם החור היה בכיוון ציר z. גם בקיטוב הצולב במישור האזימוט הראשי ישנה עלייה משמעותית ברמת השבח. דבר זה גורם לעליית ה – ARכפי שמופיע באיור 8
איור 8 – Axial Ratio עבור האנטנה בתדרים שונים כאשר האנטנה מוטת בזווית 45 מעלות
כבר בשלב זה ניתן להסיק כי צורת התקנה זו תיפגע משמעותית ב AR ואיננה מומלצת. לכן נבדוק התקנה של אנטנה על רחפן במרחקים שונים מהרחפן כאשר הכבל מותקן במקביל לציר z. באיור 9 ניתן לראות את התקנת האנטנה על גבי הרחפן. החלקים הכחולים הינם מוליכים והחלקים הכתומים עשויים פלסטיק.
איור 9 – אנטנה על גבי רחפן בגובה ייחוס 0mm כאשר הכבל מקביל לציר z
איור 10 מציג את שבחי האנטנה במישור האזימוט הראשי בתדר המרכזי בגבהים שונים. המרחקים שנציג הינם 0mm,20mm,40mm ממישור ייחוס כפי שמופיע באיור 9 (a).
איור 10 – עקומי קרינה עבור שבח האנטנה במישור האזימוט הראשי בתדר המרכזי כאשר האנטנה מותקנת על הרחפן
מאיור 10 ניתן לראות כי נוצרת גליות בעקום הקרינה כתוצאה מהחזרות מהרחפן, דבר זה גורם לעליית השבח בצולב ולכן ה- AR עולה כפי שניתן לראות באיור 11.
איור 11 – Axial Ratio במישור האזימוט הראשי בתדר המרכזי כאשר האנטנה מותקנת על הרחפן
על מנת לשפר את ביצועי האנטנה במובן של AR ניתן לשקול מיקום התקנה אחר על גבי הרחפן. על ידי שימוש בכלי סימולציה ניתן לבחון מיקומי התקנה שונים ולהציע מקום התקנה אופטימלי עבור ביצועי האנטנה.
הכתבה באדיבות Electromagnetics Infinity. לפרטים נוספים ניתן לפנות למשרדי החברה.
על המחברים:
ולדימיר וולפין
ולדימיר וולפין בעל תואר שני בהנדסת חשמל עם התמחות באלקטרומגנטיות מאוניברסיטת בן גוריון. בעל ניסיון מעל 13 שנים בפיתוח בתחום אנטנות, רכיבי מיקרוגל פאסיביים, אלקטרומגנטיות הביו-רפואית וסימולציות אלקטרומגנטיות.
רועי היינריך
רועי מתכנן ומפתח מכאני בתחום ה Micro Mechanics – בחברת AES. בונה ומטיס רחפני FPV כתחביב.
