تصميم أجهزة تحويل متطورة لأجهزة قياسية مُعدة للقطعة القطبية الشمالية مع حياة البطارية الطويلة

التعريف بتصميم أجهزة تحويل الترددات المفلورة

إن تصميم أجهزة إرسال مفاتيح الترددات ذات الترددات العالية للأجهزة القابلة للارتداء بالأشعة فوق البنفسجية يمثل تقاطعا فريدا من القيود والفرص، ويجب أن توفر هذه النظم اتصالات سلكية موثوقة مع العمل في حدود الحجم الصارم وميزانيات الطاقة، ويكلف المهندسون بتعظيم كل مرحلة من مراحل سلسلة النقل - من المشعل والموصل إلى نهج التعبئة والتصميم الحسنة للبطارية، وذلك لتحقيق هدفين هما الحد الأدنى من المقاييس.

Constraints Fundamental in Ultra-Compact Wearable Design

وتنظم تصميم أجهزة إرسال ذات قدرة على الترددات الفوقية للأجهزة القابلة للارتداء ثلاث قيود رئيسية هي: الحجم المادي، واستهلاك الطاقة، وموثوقية الاتصالات، وكل من هذه العوامل يؤثر على كل قرار تصميمي، من اختيار عملية شبه موصلة إلى تصميم اللوحة المطبوعة.

اعتبارات التصميم الأساسي لمترجمي الحسابات المالية

استراتيجيات خفض الحجم

ويستلزم التقليل إلى أدنى حد من البصمة المادية لمرسل FSK اهتماماً دقيقاً لتكامل العناصر ووضع اللوحات، كما أن نماذج النظام الداخلي التي تجمع بين الواجهة الأمامية لمحطة الترددات الأمامية، وتجهيز النطاقات الأساسية، وإدارة الطاقة في مجموعة واحدة يمكن أن تقلل بشكل كبير من حجمها، وبالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام تكنولوجيا الترميز السطحي مع 001 أو حتى 01005 عناصر سلبية تتيح وضع نماذج لحجم الكثدرات.

متطلبات الكفاءة في استخدام الطاقة

ويسود استهلاك الطاقة في جهاز إرسال FSK بواسطة جهاز كمبلد الطاقة والمنشف، وبالنسبة للأجهزة القابلة للارتداء، كثيرا ما تقتصر ميزانية الطاقة الإجمالية للمرسل على 1 إلى 10 ملليوات أثناء النقل الفعلي، ويتطلب تحقيق ذلك اختيارا دقيقا لتواتر التشغيل، ومؤشر الحدة، ومستوى القدرة على الإنتاج.

الموثوقية في الاتصالات بين الجسم والسنتي

ويجب أن تتواصل الأجهزة القابلة للزراعة على نحو موثوق به بالقرب من الجسم البشري، الذي يشكل بيئة صعبة للنشر، وتستوعب الهيئة الطاقة القائمة على الترددات المتوسطة وتظهرها، مما يؤدي إلى تلف وتظل، مما يمكن أن يقلل هامش الربط بين 10 و 20 ميغابايت.() ويمكن أن يزيد المصممون من قدرة موصلات النقل، التي تؤثر مباشرة على حياة البطاريات، ويتمثل نهج أكثر كفاءة في استخدام استقبال التنوع في جهاز الاستقبال أو تنفيذ قنوات التقلب التي تكيف

معايير الاختيار

Oscillator Choices: Crystal vs. MEMS

ويُعدّ المُنظّم قلب أي جهاز إرسال من طراز FSK، يحدد كلاً من استقرار ترددات الناقل وجزء كبير من استهلاك الطاقة، ويوفّر المُنظّمات الكريستالية استقراراً ممتازاً في الترددات، مع معامل درجات الحرارة، على نحو يتراوح بين 1 و5 ملليغرام في كل درجة مئوية، ولكنّها تحتاج إلى تصميم دقيق للتقليل من وقت بدء التشغيل واستهلاك الطاقة.

وحدة متكاملة لشبكة المعلومات المالية

وتدمج مراكز تبادل المعلومات في نموذج الترددات المتحركة في جهاز الموجات الترددية، وتبسيط تصميم وتقليص عدد المكونات، وتستخدم هذه الأجهزة حلقات غير مجهزة على مراحل لتوليد الناقل المزود بالأجهزة المحمولة مباشرة، وتلغي الحاجة إلى أجهزة الفرز التي تسيطر عليها الفولط الخارجي، ومكونات الرش، والمواصفات الرئيسية للنظر في معدل التواتر الذي يشمل معدل البيانات المتحركة، ونطاق الانحرافات 100

Power Amplifier Selection

أما مضخم الطاقة فهو أكثر عنصر تخلف الطاقة في سلسلة أجهزة الإرسال، وبالنسبة للقابلات التي ترتدى فوق الشركة، فإن قدرة الإنتاج تقتصر عادة على صفر إلى 10 ديم بوم، مما يوفر مجالا كافيا لتطبيقات شبكة المناطق الجسدية مع التقليل إلى أدنى حد من مصارف البطاريات، إذ أن أجهزة الإرسال ذات الكفاءة العالية في الرتبة دال كثيرا ما توفر أعلى كفاءة بين أعلى مستويات التكوين في شكل صمامات، حيث تزيد الكفاءة عن 80 في المائة.

اعتبارات الهوائيات

إن الهوائي هو أحد أكثر العناصر تحدياً للتقليل إلى أدنى حد دون المساس بالأداء، وبالنسبة للترددات في نطاق الإدارة المتكاملة للثديين 433 ميغاهيرتز، فإن جهاز احتكار الموجة الواحدة يبلغ طوله نحو 17 سنتيمتراً، وهو ما يبدو كبيراً جداً بالنسبة لجهاز قابل للارتداء، كما أن المسببات المهددة للتحولات غير المتعمدة والهوائيات الشريحة هي بدائل شائعة يمكن أن تحقق كفاءة الإشعاع الكافية في شريحة أصغر حجماً.

تقنيات التفريغ الأمثل

Modes and Duty Cycling منخفضي الوطأة

إن أكثر الأساليب فعالية في تمديد فترة البطاريات في أجهزة الإرسال ذات البساطات القابلة للزراعة هو دقتها، إذ أن إبقاء جهاز الإرسال في حالة نوم عميقة لأغلبية الوقت، واستيقظه لفترة وجيزة فقط لنقل البيانات، فإن متوسط استهلاك الطاقة يمكن أن يخفض بأوامر من الحجم، وعادة ما تتراوح دورات العمل العادية للتطبيقات القابلة للزراعة بين 0.1 و 1 في المائة، مما يعني أن جهاز الإرسال يعمل لمدة تتراوح بين 1 و 10 ملي ثانية لا تحتاج إلى إجراء لا داعية من كل ثانية.

مراقبة السلطة التكيفية

وتضبط الرقابة التصحيحية على الطاقة الكهربائية في الوقت الحقيقي على أساس قوة الإشارة المتلقاة في جهاز الاستقبال، ويمكن لهذه التقنية أن تقلل من متوسط استهلاك الطاقة بنسبة تتراوح بين 30 و 50 في المائة مقارنة بتصميم القوى الثابتة مع الحفاظ على نفس موثوقية الربط، وتستخدم الخوارزمية عادة نهجا مغلقا حيث يتلقى المتلقي من جديد مؤشرات قوة الإشارة، ويكيف جهاز الإرسال حسب ذلك معدل إنتاجه البالغ 100 ميل.

تصميم شبكة المطابقة للكفاءة

وشبكة مطابقة الإملاء بين مضخم الطاقة والحيوانات لها تأثير كبير على كفاءة النقل عموما، ويمكن أن تؤدي شبكة مطابقة مصممة تصميما جيدا إلى تحسين نقل الطاقة من 1 إلى 3 دي بي مقارنة بتصميم غير مطابق، يترجم مباشرة إلى استهلاك منخفض للطاقة أو إلى نطاق متزايد، أما بالنسبة للأصناف التي ترتدى فوق القطع، فيجب أن تتحقق شبكة المطابقة باستخدام أصغر مكونات الحجم الممكنة(أ)

هيكل إدارة الطاقة

تنظيم التبريد وتجميع الطاقة

(ج) إن تنظيم التطوير الكفء ضروري للحفاظ على التشغيل المستقر لمرسل FSK مع الاستخدام الأقصى للبطارية، ويتيح أجهزة التحكم ذات القدرة المنخفضة على التحلل والتي تقل عن 1 ميكرومير إمكانية الحصول على خدمات نقل متعددة، ويصلحان بشكل جيد للتطبيقات القابلة للارتداء، ويتيحان أجهزة التحويل ذات النمط العالي الكفاءة على نطاق أوسع من نطاق التحميل، ولكنهما يضيفان الضوضاء التي يمكن أن تقترن بممر الترددات.

Energy Harvesting Integration

ويمكن أن يمتد جمع الطاقة إلى الحياة البطارية أو حتى يزيل الحاجة إلى استبدال البطاريات في الأجهزة القابلة للارتداء، ويمكن للمولدات الكهربائية الحرارية التي تحول حرارة الجسم إلى طاقة كهربائية أن توفر ما بين 10 و 100 من المايكرويتات في منطقة الاتصال بالجلد، ويمكن أن توفر الخلايا الفولطية المدمجة في عرض الأجهزة مستويات مماثلة من تصميم الطاقة في ظروف الإضاءة الداخلية.

اختيار البطاريات وإدارتها

إن اختيار تكنولوجيا البطاريات له تأثير مباشر على حجم وبطارية الجهاز القابل للارتداء، إذ أن البطاريات التي تحمل بضائع الليثيوم أو بضائع البوليمير توفر أعلى كثافة للطاقة بين الكيمياء القابلة للشحن، وعادة ما تتراوح بين 200 و 250 ساعة لكل لتر، ويمكن أن تكون البطاريات ذات الكثافة العالية في الدول منخفضة السعة بمقدار 0.1 ميليميتر، مما يجعلها مثالية بالنسبة لأجهزة الأشعة فوق الكثافة.

الإدارة الحرارية في أجهزة نقل صغيرة

إن تفكك الحرارة يعتبر أمراً بالغ الأهمية ولكنه كثيراً ما يغفل النظر في الأجهزة القابلة للارتداء فوق الكبريت، كما أن مضخم الطاقة هو المصدر الرئيسي للحرارة في جهاز الإرسال، ويمكن أن يتجاوز تدفق الحرارة 10 واط في المائة من المتر المربع أثناء انتقاله في جهاز مقياس حراري صغير يتراوح بين 1 و2 في المائة من الطاقة، وبدون إدارة حرارية كافية، يمكن أن يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى تدهور الأداء، ويخفض معدل نمو البطارية، ويتسبب في تعطل الموصل المستخدم

استراتيجيات تصميم لحياة البطاريات الموسعة

الاستخدام الأمثل لقوة نقل الانبعاثات ودورها

أما البارامترات الوحيدة الأكثر تأثيراً في حياة البطاريات فهي ناتج عن قوة النقل ودورة العمل، أما بالنسبة لجهاز رصد صحي قابل للارتداء الذي يحيل مجموعة بيانات من 20 إلى 20 دقيقة، فيمكن أن يخفض قدرة النقل من 10 جرام إلى صفر من الديموغرافيا أن يمدد فترة البطارية بمعامل 10، على أن يكون نفس دورة الواجب، ولكن يجب تحليل ميزانية الربط بعناية لضمان أن يظل انخفاض الطاقة يوفر هامشاً كافياً للحجم المتوقع ولكية.

إجهاد البيانات وكفاءة البروتوكول

ويمكن أن يؤدي تخفيض كمية البيانات التي يتعين نقلها إلى توسيع نطاق الحياة البطارية إلى حد كبير، إذ يمكن أن تؤدي تقنيات الضغط البسيطة، مثل التزيين في الدلتا لبيانات الاستشعار، إلى خفض حجم الحزمة بنسبة تتراوح بين 30 و 50 في المائة دون أن تتطلب قدرا كبيرا من القدرة على التجهيز، وينبغي أيضا التقليل إلى أدنى حد ممكن من النفقات العامة للبروتوكول: فاستعمال تسلسلات قصيرة من الديباجة ومعالجة فعالة يمكن أن يقلل من الوقت المناسب لكل عبوة، وبعض النماذج الحديثة للكشف المتزامنة.

Intelligent sleep Mode Management

ولا توجد جميع أنماط النوم على قدم المساواة، إذ يمكن أن تحقق أساليب النوم العميقة التي تطفو من جهاز تنظيم الفولطام والمنظف أدنى استهلاك حالي، حيث يتراوح عادة بين 10 و 100 ناينومبر، ولكن تتطلب فترات أطول من الاستيقاظ، وقد تؤدي أساليب النوم الخفيفة التي تبقي المشعل يعمل في منخفض الطاقة إلى تخفيف سرعة الانتظام على حساب الترددات العالية للخامات، التي تتراوح بين 1 و 10 ميكرومترات.

اختبار وتقييم أجهزة تحويل مصفحة ذات قدرة مائية معتدلة

عامل استهلاك الطاقة

ومن الضروري قياس استهلاك الطاقة بدقة في ظروف التشغيل الواقعية للتحقق من تقدير حياة البطاريات، وهذا يتطلب إجراء اختبارات يمكن أن تلتقط موجات الموجات الحالية مع حلول دقيقة، وتراوحت دينامية بين الميكرومترات والمطاحن، كما أن مقاوم الشلنات الذي له مضخم متمايز مرتبط بنظام أو نظام لاقتناء البيانات يوفر حلا كافيا، وينبغي أن يتضمن الاختبار دورات متكررة من سلسلة النقل الكاملة:

الصلة بين التحقق من الميزانية

ويجب التحقق من ميزانية الوصلة في سيناريو واقعي يركز على الجسم، ويشمل ذلك قياس قوة الإشارة المتلقاة على مختلف المسافات ومواقع الجسم، مع ارتداء الجهاز دونه، وتشمل مراكز الاختبار القياسية المعصم اليسرى، والرسغ الأيمن، والصدر، والكاحل، وينبغي تكرار القياسات بمواضيع اختبار متعددة لتعكس التباينات في تكوين الجسم وحجمه، وينبغي تحديد الحد الأدنى المطلوب للإشارة إلى الاتصالات الموثوقة استنادا إلى الضوضاء المتوقع.

الامتثال البيئي والتنظيمي

ويجب أن تمتثل أجهزة الإرسال ذات الصلة بالأجهزة اللاسلكية في الأسواق المستهدفة، وفي الولايات المتحدة، ينظم الجزء 15 من قواعد الجماعة أجهزة الإرسال غير المرخص بها في إطارات الإدارة المتكاملة، وفي أوروبا، تبلغ المعايير ذات الصلة 220 نانوغراماً نانوسياً للأجهزة القصيرة المدى، وتحدد هذه المعايير الحدود القصوى للطاقة المنقولة والانبعاثات الخافضة والتسامح إزاء الترددات، وينبغي إجراء اختبارات قبل التصديق على أي مسائل محتملة قبل مرحلة التصميم.

مستقبل التوجهات في تصميم متحولات طراز Ultra-Compact FSK

ويواصل الاتجاه نحو الأجهزة الأصغر حجماً والأقوى قدرة على الارتداء الحفز على الابتكار في تصميم أجهزة إرسال الترددات FSK، ويمكن لعمليات الشبه الموصل المتقدمة، مثل 28 متراً من طراز CMOS، أن تؤدي إلى زيادة مستويات التكامل مع انخفاض استهلاك الطاقة، كما أن تقنيات تصميم الأشعة الرقمية، بما في ذلك التحلل الرقمي والتحكم في التحيز التكييفي، يمكن أن تؤدي إلى زيادة كفاءة توليد الطاقة الكهربائية في واجهة،

خاتمة

ويقتضي تصميم أجهزة إرسال فعالة من طراز FSK للأجهزة القابلة للارتداء فوق المركبة اتباع نهج منهجي يوازن بين الحجم والكفاءة في استخدام الطاقة وموثوقية الاتصالات، ويكمن مفتاح النجاح في اختيار العناصر المتأنية - بما في ذلك المراوح ذات القوى المنخفضة، والمصممين المتكاملين، ومزودي أجهزة تحويل الطاقة بكفاءة عالية - إلى جانب تقنيات التفوق في مجال الارتداد مثل الارتداء الواجب، ومراقبة القدرة التكييفية، واختيار في تصميم الشبكات.