Table of Contents

The Imperative of Energy-Efficient Transmitters for Small Aircraft and Drones

ومن ثم فإن انتشار المركبات الجوية الصغيرة غير المأهولة والطائرات بدون طيار عبر قطاعات تجارية وعلمية ودفائية قد وضعا مطالب غير مسبوقة على نظم الاتصالات على متن السفن، مما يؤدي إلى زيادة عدد المزودين بالأجهزة المحمولة ذاتيا في مجال الطاقة، إلى نقل الطائرات ذات الأجنحة الثابتة التي تقوم بعمليات الرصد البيئي، مما يؤدي إلى زيادة القدرة على نقل البيانات عن بعد، وتيار الفيديو، وضبط أجهزة التحكم.

إن النهج التقليدية للتصميم الإذاعي، التي تقترض من نظم الطائرات البرية أو المأهولة، كثيرا ما تثبت عدم وجود طاقة عالية بالنسبة للطائرات الصغيرة ذات المدار الثابت، وتدوم الرحلة التجارية العادية للطائرات بدون طيار ٢٠-٣٠ دقيقة؛ ويمكن للجهاز الإرسالي الذي يصل إلى ٥ و ٥ و ٥ و ٥ و ٥ في المائة أن يستهلك الطاقة المنخفضة السرعة على مدار تلك الفترة، وعلى النقيض من ذلك، يمكن أن تؤدي التصميمات ذات الكفاءة في تصميم الطاقة ذات الأغراض إلى خفض استهلاك الطاقة الكهربائية بنسبة ٥٠-٨٠ في المائة مع الحفاظ على جودة الطيران.

Why Energy Efficiency Matters for UAV Communications

الأثر المباشر على وقت الطيران والحمولة

أما الفائدة الأكثر إلحاحا من جهاز إرسال فعال للطاقة فهي أطول مدة طيران، ففي طائرة عادية، يستهلك نظام الدفع أغلبية الطاقة (70-80 في المائة)، ولكن المركبات الجوية والمجسات والاتصالات للباقي، ويمكن للمرسل الذي يخفض من سعة قوته من 3 دبليو إلى 1 دبليو أن يضيف عدة دقائق إلى رحلة جوية مدتها 25 دقيقة، مما يكتسي أهمية بالغة بالنسبة لتطبيقات مثل أجهزة تصميم أجهزة الدفع بالبطارية أو أجهزة المسح الجوي.

الإدارة الحرارية والاعتماد

ويولد تفكك الطاقة العالية في أجهزة الإرسال حرارة يجب إدارتها في الأماكن المحصورة التي كثيرا ما تكون غير مخترعة في إطار جوي بدون طيار، ويمكن أن يؤدي التسخين المفرط إلى تدهور عمر المكونات، أو إلى حدوث انجراف في التردد، أو إلى إحداث إغلاق حراري خلال العمليات الحرجة.

الامتثال للخصوم التنظيمية والحدود التنظيمية

كما أن كفاءة الطاقة ترتبط بالنقاءية الطيفية والامتثال التنظيمي، إذ أن المضخمات الفعالة تنتج انبعاثات أقل خارج النطاق وتخفض الحاجة إلى التصفيف الثقيل، وتبسط التصديق على الاستخدام في نطاقات الإدارة المتكاملة للمواد الكيميائية (2.4 غيغاهيرتز، 5.8 غيغاهيرتز) أو الطيف المرخص له، وعلاوة على ذلك، فإن قدرة النقل المنخفضة يمكن أن تساعد على استيفاء الحدود التنظيمية بشأن الطاقة المبردة ذات الصلة بالإنبعاثات المكافئة.

مبادئ التصميم الأساسية للمتحولين من الطاقة والكفاءة

المضخم العالي الكفاءة

أما مضخم الطاقة فهو أكثر مراحل تخلف الطاقة في أي جهاز إرسال، وكثيرا ما يستهلك 50-80 في المائة من مجموع قوة البلدان النامية، وتعطي مبيدات الآفات ذات الطراز التقليدي (الصفوف ألف، وألف باء) درجة من التواؤم، ولكنها تعاني من ضعف الكفاءة (20-40 في المائة) أما بالنسبة للتطبيقات التي تستخدمها الطائرات المتحركة فتؤدي إلى زيادة التداخل بين أنواع الحمولة مثل Clas D, Class harm

وقد زادت أوجه التقدم الأخيرة في مجال نيتريد الغاليوم (GaN) وزرنيد الغاليوم (GaAs) من زيادة كفاءة السلطة الفلسطينية في ترددات الموجات الدقيقة، حيث توفر أجهزة التحلل الحراري العالي كثافة الطاقة، مما يتيح أجهزة تكييف عالية الكفاءة يمكن أن تعمل على أخطاء واسعة النطاق في الترددات، ويجب على المصممين أن يوازنوا بدقة بين الكفاءة ودرجة الارتقاء بمستوى 64

خطط تعديل وترميز القوى المنخفضة

ويؤثر اختيار التعديل تأثيرا مباشرا على كل من استهلاك الطاقة وميزانية الربط، أما التعديلات العالية (مثلا، 256-QAM) فتنقل أكثر من اللازم للرمز الواحد، ولكنها تتطلب ارتفاع نسبة الإشارة إلى الأرقام، كما أن هناك مضخات كهربائية أكثر خطية يمكن أن تقلل من الكفاءة، أما بالنسبة للوصلات التي كثيرا ما تكون فيها معدلات الموثوقية والتجاوزات في ذروتها من خلال الناتج، [FLT:PS]robust]

(أ) استخدام متعدد أجهزة التكرار والتليف بالترددات الصوتية على نطاق واسع في وصلات الطائرات بدون طيار التي تستخدم في شبكة وي-في وشبكة LTE نظراً لمرونتها في تزوير التعددية، غير أن إشارات التفريغ المباشر للأجهزة الموجودة في إطار إدارة العمليات تنطوي على نسبة عالية من الطاقة إلى المتوسط، مما يحفز على العمل بتردد كبير، مما يقلل من الكفاءة.

وتضيف الترميزات القناة إلى تصحيح الأخطاء، وتقليص المدونات الحديثة المطلوبة من SNR. مثل رموز ] المنخفضة الكثافة للتكافؤ في التكافؤ ]، كما أن الرموز القطبية (المستخدمة في 5G NR) تتيح أداءً قريباً من شانون - محدود، مما يتيح قدرة نقل أقل.

تجهيز النطاق الرقمي ذي القوى المنخفضة

The digital baseband — including modulation/demodulation, coding, filtering, and control logical-can consume significant power if not optimized. Energy-efficient transmitter designs leverage dedicated equipment accelerators, low-power FGAs, or custom ASICs that operate at lower clock frequencies and voltages. Techniques such as

وتوفر برامج الإذاعة المحددة البرامج التي تستخدم البرمجيات مرونة ولكنها غالبا ما تكون مفرطة في تخلف الطاقة من أجل الاستخدام المستمر للطائرات بدون طيار، وتحقق البنى الهجينة التي تجمع بين قاعدة منخفضة القوى الثابتة للأدوات القياسية مع متسارع قابل لإعادة التشكيل للمعالم المتقدمة توازنا بين الكفاءة والمرونة.

تصميم الهوائيات وربطها

الهوائي الذي يطابق بشكل سيء قدرة نفايات جهاز الإرسال كما تعكس الطاقة و كفاءة التحلل، بالنسبة للطائرات الصغيرة بدون طيار، يجب أن يكون وزناً خفيفاً، أو مُصاّقاً، وغالباً ما يكون متوافقاً مع الإطار الجوي. Patch antennas، وDir-F، وDpoles مُتَعَمُزَجَعَة.

ويمكن أن تؤدي نظم الإدارة المتعددة المدخلات المتعددة النواتج إلى تحسين الكفاءة في استخدام الطيف، ولكن زيادة عدد أجهزة الإرسال، بيد أنه مع توخي الحذر في إدارة الطاقة، يمكن أن تخفض البعثة قدرة النقل لكل شخص مع الحفاظ على الناتج الكلي، مما قد يقلل من الاستهلاك العام للطاقة، وتركز التأليف (صفائف متحركة) على الطاقة المشعّة نحو جهاز الاستقبال، مما يقلل من القدرة المطلوبة على نقل الطاقة من ميزانية وصلة معينة.

التكنولوجيات المبتكرة التي تتيح كفاءة الطاقة

مواد موصلات خام متقدمة

While silicon CMOS remains dominant for digital sections, the RF front-end increasingly relies on compound semiconductors. Gallium nitride (GaN) on silicon carbide (SiC) offers high electron mobility and breakdown voltage, enabling PAs to achieve ⁇ 70% efficiency at frequezncies up 6.

كما أن مواد غرافين وغيرها من المواد ذات الـ 2 دال تعد بزيادة تنقل الناقلين وتشتت الحرارة، ففي حين لا تزال في مرحلة البحث، أظهر المترجمون التحريريون القائمون على الرسوم البيانية ترددات قياسية وإمكانات أجهزة إرسال مرنة خفيفة الوزن، وبالمثل، فإن الإلكترونيات المرنة في المحطات الفرعية المتعددة البوليمرات تتيح له الهوائيات وشبكات المطابقة التي يمكن أن تدمج في أجنحة بدون طيار أو في أجنحة التبريد، وتوفر الفضاء والوزن.

تسخير الطاقة وإدارة الطاقة

ويمكن لأجهزة التفجير الآلية ذات الطاقة المموَّلة بالبطارية وحدها تحمل تكاليف محدودة، ويتيح دمج عمليات جمع الطاقة للمرسل استعادة الطاقة من البيئة. الخلايا الفوتوغرافية في أسطح الطائرات العلوية يمكن أن تمتد بطاريات الشحن أثناء الرحلة، بينما محصولات أجهزة القياس الآلية [()

وتدمج إدارة الطاقة الدوائر التي تستخدم السكك الحديدية المتعددة فولتاجات، ومحولات الطين/المناورات، وتتبع نقاط القوة القصوى للمدخلات الشمسية، ضمان تخزين الطاقة المحصولة واستخدامها بكفاءة، ويتيح التزود بالطاقة الذكية للمرسل أن يستيقظ عند الطلب مثلاً، عندما تلوث المحطة الأرضية الطائرة الآلية والنوم بين عمليات النقل المقررة.

مراقبة السلطة التكيفية والربط الأمثل

واحد من أكثر الطرق فعالية لإنقاذ الطاقة هو نقل الطاقة فقط بقدر ما تحتاجه حالة الرابط الحالية. Adaptive power control (APC) ] خوارزميات تعديل قدرة ناتج السلطة الفلسطينية استناداً إلى ترددات مؤشر القوة الخفية من جهاز استقبال الطائرة بدون طيار، عندما تكون الطائرة الآلية قريبة من المحطة الأرضية،

ويتزايد استخدام التعلم في مجال المعلومات الآلات والآلات للتنبؤ بنوعية الربط من مسارات الطيران، والطقس، وأنماط التدخل، ويمكن للشبكة العصبية الموجودة على متن الطائرة أن تعدل معايير النقل قبل حدوث زوبعة، وتتجنب إعادة النقل وتحافظ على القدرة المنخفضة، ويمكن للعوامل التعليمية المعززة أن تستكشف المفاضلات بين القوة، ومعدل البيانات، والتساهل في بعثات العالم الحقيقي.

التحديات في تصميم أجهزة تحويل الطاقة - الكفاءة للمواقع البحرية

تحقيق التوازن في الكفاءة مع التسلسل والضمادات

فصول المضخة العالية الكفاءة (E, F) هي في جوهرها غير خطي وضيق النطاق، وبالنسبة للوصلات التي يجب أن تدعم النطاق الترددي الواسع (مثل 20 ميغاهرتز للفيديو HD) والمسح الخطي، يجب على المصممين استخدام تقنيات التسلسل التي تزيد من التعقيد وبعض الرؤوس فوق الطاقة، ويمكن لتتبع المظاريف وهيكل دوهيرتي أن يحسنا الكفاءة فيما يتعلق بنطاق واسع ودينامي.

وبالنسبة لعملية النطاق الترددي فوق النطاق أو العمليات المتعددة النطاقات (مثلاً، 2.4 غيغاهيرتز و5.8 غيغاهيرتز في وقت واحد)، فإن تحقيق الكفاءة العالية في جميع القطاعات مع سلطة واحدة من السلطة الفلسطينية أمر صعب للغاية، وتضيف المصارف التابعة للسلطة الفلسطينية أو شبكات المطابقة غير القابلة للتعديل خسائر وتكاليف.

القيود الحرارية في مرفقات الاتفاق

وحتى مع ارتفاع الكفاءة، لا يزال جهاز إرسال 1W يفرّق إلى 300 ميغاواط كدفئة، وفي جسم مُغلق من الطائرات بدون طيار ذي تدفق جوي محدود، يجب أن تُجرى هذه الحرارة إلى الحاسوب الجوي أو تُفرّق عن طريق مصارف حرارة صغيرة، ويمكن أن يتسبب الإفراط في التسخين في قدرة السلطة الفلسطينية على إسقاط أو حتى تلف المكونات، والتحليل الحراري من البداية حرج، والمواد ذات القدرة العالية على التصرف الحراري (الكربون، والنحاس، وحزمة الألماسية).

التدخل والتعايش

وكثيراً ما تحمل الطائرات العمودية أجهزة إرسال متعددة (GPS، القياس عن بعد، الفيديو FPV، وW-Fi، وما إلى ذلك) تعمل في إطار النطاقات المتاخمة، حيث إن ضعف العزلة أو الانبعاثات الناقصة من جهاز كهرباء غير خطي يمكن أن يخفف من درجة حساسية أجهزة الاستقبال أو يسبب تدخلاً في نظم أخرى على متن السفن، ومن المطلوب وضع تصفية دقيقة وتخطيط للتواتر، مما يضيف خسائر في التكاليف والإدخال تقابل بعض المكاسب الناتجة عن زيادة الكفاءة.

التكلفة والصناعات التحويلية

أما المواد المتقدمة مثل أجهزة قياس الجودة والعتاد الآلي فهي تزيد تكاليف الوحدات، أما بالنسبة للطائرات التي لا تُستخدم في الطائرات المسيّرة، فإن ضغوط التكاليف يمكن أن تدفع المصممين نحو حلول أقل كفاءة قائمة على السيليكون، غير أنه نظراً لأن غانيون سي أصبحت أكثر تعميماً وزيادة مستويات التكامل، فإن الفجوة في التكاليف آخذة في التقلص، وبالنسبة للطائرات الصناعية والعسكرية بدون طيار، فإن فوائد الأداء تبرر ارتفاع أسعار المكونات.

الاتجاهات المستقبلية واتجاهات البحوث

نقل الطاقة اللاسلكية غير المحظورة بالكامل

Full-duplex communication allows a transmitter and receiver to operate simultaneously on the same frequency, theoretically doubling spectral efficiency. Combined with self-interference cancellation, this could reduce required transmit power for high-throughput links. In the longer term, simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) could allow the ground station to wirelessly charge the drone's battery while maintaining a data link, significantly extending mission duration.

مجمّع موزّع وميش

وبدلا من جهاز إرسال واحد ذي قوة عالية، يمكن أن تستخدم حزام الطائرات بدون طيار التعاونيات - كل طائرة بدون طيار تنقلها على مستوى منخفض، ولكنها تجمع بصورة متسقة في جهاز الاستقبال لتحقيق قدرة عالية على الانتقال، وهذا المفهوم الموزع على البعثة يخفض الطاقة القائمة على كل نقطة ويحسن من الموثوقية من خلال التنوع المكاني، ويتطلب الاستخدام الأمثل للطاقة في هذه الشبكات مقاييس تنسيق تقلل من الطاقة الكلية إلى أدنى حد في الوقت الذي تحقق فيه أهداف التساهل والنوات.

تجهيزات الأشعة الليبريّة والناظرية للربط

وتوفر أجهزة معالجة الظواهر أو الأعصاب، التي تستمد من النظم العصبية البيولوجية، كفاءة عالية في استخدام الطاقة لأغراض التعرف على النمط ومهام التحكم التكييفية، وفي أجهزة الإرسال في المستقبل، يمكن لهذه المجهزات أن تعالج أسلوب التكيف، ومراقبة الطاقة، وتصحيح الأخطاء باستخدام الطاقة الكهربائية على مستوى النانووات، وخفض طاقة النطاق الرقمي حسب أوامر الحجم مقارنة بالنظم الاستراتيجية.

خاتمة

ولا تشكل أجهزة إرسال الاتصالات الفعالة من حيث الطاقة عنصراً أساسياً لتحقيق أقصى قدر من فائدة الطائرات الصغيرة والطائرات بدون طيار، ومن خلال تطبيق أفضليات السلطة الفلسطينية المتقدمة، والتجهيز الرقمي المنخفض الطاقة، والمقاييس التكييفية، والمواد الجديدة، يمكن للمصممين أن يحققوا تخفيضات كبيرة في استهلاك الطاقة، مع الحفاظ على صلات موثوقة عالية الجودة، وتعالج تحديات التسلسل، وإدارة الحرارة، والكلفة معالجة مطّردّة من خلال الابتكار في مجال تكنولوجيا المعلومات الأساسية.

وفي المستقبل، سيدفع تقارب التكييف بين الشبكات التي تقودها منظمة العفو الدولية، وجمع الطاقة، والاتصالات التعاونية في مجال الحزام إلى حد ما يمكن أن تحققه الطائرات الصغيرة بدون طيار، وبالنسبة للمهندسين الذين يصممون الجيل القادم من النظم الجوية المستقلة، فإن الاستثمار في كفاءة استخدام الطاقة في أجهزة الإرسال هو استثمار في المستقبل ذاته لتحمل الرحلات الجوية والوصول التشغيلي.

المراجع الخارجية: ]