הדחף של אנרגיה-אנרגיה טרנסמיטים עבור מטוסים קטנים ודנוונס

ההתפשטות של כלי רכב אוויריים קטנים (UAVs) ורחפנים על פני מגזרים מסחריים, מדעיים והגנתיים הציבה דרישות חסרות תקדים במערכות תקשורת לוחיות.פלטפורמות אלה - החל מ quadcopters המשמשים במשלוח חבילה לרחפנים קבועים המבצעים ניטור סביבתי - ולכן נדרשו קישורים נתונים חזקים יותר עבור טלמטרי, הזרמת וידאו, ובקרת פיקוד.

גישות עיצוב רדיו מסורתיות, שנלקחו ממערכות מטוסים מאוישות או מאוישות, לעתים קרובות להוכיח מדי כוח-hungry עבור מל"טים קטנים.טיסת מל"טים מסחרית טיפוסית נמשכת 20-30 דקות; ציור משדר אפילו 5W יכול לצרוך 10-15% של האנרגיה של הסוללה על פני תקופה זו.על ידי ניגוד, עיצובים מבוססי אנרגיה מבוססי תכלית יכול להפחית את צריכת החשמל על ידי 50–80% תוך שמירה על איכות, ביעילות להרחיב אתגרי סיבולת נמוכה או אתגרים עיצוב כוח המשיכה, או כוח המשיכה של אנרגיה, וחיפוש אחר, ופעולות הפעלה של אנרגיה נמוכה, ופעולות הפעלה של אנרגיה, ופעולות קבועות, ופעולות הפעלה של אנרגיה, ופעולות כוח המשיכה של מערכות מחשוב, ופעולות קבועות, ופעולות כוח המשיכה, ופעולות כוח המשיכה של אנרגיה, ופעולות קבועות, ופעולות כוח המשיכה של אנרגיה, ופעולות כוח המשיכה של אנרגיה, ופעולות כוח המשיכה של מערכות מחשוב, ופעולות כוח המשיכה של אנרגיה עבור מערכות מחשוב, ופעולות הפעלה של אנרגיה לטווח קצרות, ופעולות קבועות עבור מערכות מחשוב, עבור מערכות מחשוב, ופעולות קבועות, עבור מערכות מחשוב, ופעולות כוח המשיכה.

מדוע אנרגיה יעילה עבור תקשורת

השפעה ישירה על זמן הטיסה ו- Payload

היתרון המיידי ביותר של משדר אנרגיה-חסכוני הוא זמן טיסה ארוך יותר.במזל"ט טיפוסי, מערכת ההנעה צורכת את רוב הכוח (70–80%), אבל avionics, חיישנים, וחשבונות תקשורת עבור השאר. משדר שמצמצמצמצת את כוחו מ 3W ל-1W יכול להוסיף כמה דקות ל-25 דקות טיסה, שהוא קריטי עבור יישומים כמו חיפוש והצלה או סקר אווירי, מאפשר שימוש בסוללות קלות יותר, להורדת, ל-D.

ניהול וגמישות

פיזור כוח גבוה במדרים מייצר חום שיש לנהל בתוך החללים המוגבלים, לעתים קרובות בלתי מאוימים של מסגרת אוויר של מזל"ט. overheating יכול להפיג את חיי הרכיב המרכיבים, לגרום לסחף תדר, או לגרום לעיכובים תרמיים במהלך פעולות קריטיות. אנרגיה-יעילות המפחיתה את חום הפסולת לשפר את האמינות ומאפשרת השידור להיות קרוב יותר לאלקטרוניקה רגישה חום אחרת ללא פתרונות קירור מורכבים.

המונחים: Spectrum and Regulatory Limits

יעילות אנרגיה קשורה גם טוהר ספקטרלי וציות רגולטוריות.מגבר יעיל לייצר פחות פליטות מחוץ לפס ולהפחית את הצורך במסנן כבד, פשט הסמכה לשימוש בלהקות ISM (2.4 GHz, 5.8 GHz) או ספקטרום מורשה.יתר על כן, העברת כוח יכול לעזור לעמוד במגבלות רגולטוריות על כוח מבוזרת מקבילה היא עדיין השגת יעיל באמצעות רגישות גבוהה יותר או מקודמת.

עקרונות עיצוב הליבה של אנרגיה-Efficient Transmitters

אדריכלות: High-Efficiency Power Amplifier (PA)

המגבר הכוח הוא השלב החזק ביותר של כוח-ההונגריה בכל משדר, לעתים קרובות צריכת 50–80% מכלל הכוח של DC. הרש"פ הלינאריות המסורתיות (Class A, AB) מציעה לינאריות טובה אך סובל מיעילות נמוכה (20–40%) עבור יישומים של מזל"טים, החלפת עומסים או מדגימים של חומרים כגון FLT:0 Class D, E, Class, ו-FLT1:1 הם הרבה יותר מפחתת מתחים, עד 70 מעלות, ולכן הם בעלי יכולת גבוהה יותר.

ההתקדמות האחרונה בגליון ניטריד (GaN) ו-Geium arsenide (GaAs) תהליכים עוד יותר להגביר את יעילות הרש"פ בתדרי מיקרוגל. GaN HEMTs מציעים מתח התמוטטות גבוהה וצפיפות כוח, המאפשרים מגברי קומפקטיים, בעלי יעילות גבוהה יותר של פס רחב (GIF) יש לאזן בזהירות יעילות עם לינאריות, במיוחד עבור תוכניות מורכבות כגון 64Q של מומים דיגיטליים, כאשר מעקב (Dip) ועיוותים (אפקטים (DSTDST) כמו עיוותים דיגיטליים (אפקטים).

שינוי כוח נמוך וקידוד שיימס

בחירת המודולציה משפיעה ישירות הן על צריכת החשמל והן על תקציב הקישור.מודולציות סדר גבוה (למשל, 256-QAM) לשדר יותר ביטים לסמל אך דורש יחס גבוה יותר לסימון (SNR) ויותר כוח ליניארי מגבר, אשר יכול להפחית את היעילות.עבור קישורים של מזל"טים שבהם טווח ואמינות עולים לעתים קרובות על שיא באמצעות ספוט, FLT:0rotbusulations כגון BAM, עדיין, 16PSK).

Orthogonal תדירות-division מרובותxing (OFDM) משמש נרחב ב-Wi-Fi ו- LTE מבוססי קישורים לרחפנים מבוססי LTE בשל החוסן שלה לקידוד רב-אופטימי.עם זאת, לסימנים של DM יש יחס גבוה לעוצמה גבוהה לממוצע (PADS), אשר כוחות מגברים לפעול עם טווח גיבוי גדול, צמצום היעילות כמו LTF:0reative-Ferative Access (Ferdence) או מערכת הפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה נמוכה יותר (FDS) של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה של מערכת ההפעלה (FDS (PADS (FDS) (FDPS-FDS) (Fertexerdse-FDS) (Fertexit) (FDS) (Fertextextextexerdensated Access-Ferdensated Access-Ferdensance) (Ferdse) (Ferdensance) (Ferdse) אשר מאפשרת גם נמוכה יותר נמוכה יותר נמוכה יותר נמוכה יותר) (Ferdensance) (Ferdensance

קידוד ערוצים מוסיף פתיחות לתקן שגיאות, הפחתת הקודים המודרניים הנדרשים SNR. כמו FLT:0נמו-density parity-check (LDPC) קודים של LDPC 1 וקודים קוטביים (שמשתמשים ב 5G NR) מציעים ביצועים קרובים-Shannon-limit, המאפשרים העברת כוח נמוך יותר.

עיבוד בסיס נמוך ל-Power Digital Baseband

ה-SAP-band - כולל Modulation / Dimodulation, coding, סינון ולוגיקה שליטה - יכול לצרוך כוח משמעותי אם לא אופטימיזציה. Energy-efficients ממנף מאיצים חומרה ייעודיים, כוח נמוך FPGAs, או רחפנים מותאמים אישית שפועלים בתדרים בתדרים נמוכים יותר ושרירים.

פלטפורמות רדיו מוגדרות תוכנה (SDR) מציע גמישות אבל הם לעתים קרובות מדי כוח עבור שימוש בר מזל"טים מתמשך.אדריכלות היברידית המשלבת הליבה של תפקוד נמוך כוח קבוע עבור מצבי סטנדרטי עם מאיץ שניתן להגדיר מחדש עבור תכונות מתקדמות שביתה איזון בין יעילות וגמישות.

עיצוב אנטנה והתאמה

אנטנה שמתאים בצורה גרועה לתפוקה של המדר בזבזת כוח כפי שמשתקף אנרגיה ומדכאות יעילות. עבור רחפנים קטנים, אנאנטנות חייבות להיות קלות משקל, קומפקטיות, ולעתים קרובות תואמות למסגרת האוויר.FLT:0 patch אנאנטנות, ללא מנעו מאנטנות FFLT:1, ומדפסות מודפסות על ידי צינורות יעילות, באמצעות צינורות טונה או טמאים, או אנטנות, עלולות לגוון, או למזגים, או למזגים, או למזגים, כדי לשנות את האנטנות סביבתיות.

מערכות MIMO (multiple-input מרובות- ⁇ ) יכולות לשפר את היעילות ספקטרלית אבל להגדיל את מספר משדרים.עם זאת, עם ניהול כוח זהיר, MIMO יכול להפחית את כוח העברת per-path תוך שמירה על סך הכל באמצעות חישוב, פוטנציאל להפחית את צריכת האנרגיה הכוללת.Beamforming (מערךים מודגשים) מתמקד אנרגיה קורנת לכיוון המקלט, צמצום כוח נדרש עבור תקציב קישור.

טכנולוגיות חדשניות מעודדות אנרגיה

חומרים מתקדמים

בעוד CMOS נשאר דומיננטי עבור חלקים דיגיטליים, החזית RF מסתמכת יותר ויותר על מוליכים למחצה מורכבים. (FLT:0Gallium nitride (GaN) על סיליקון carbide (SiC)FLT:1 מציעה ניידות גבוהה ומתח התמוטטות, המאפשר הרש"פ להשיג "יעילות של עד 6GHz ומעבר לג'N פועל גם בטמפרטורות גבוהות יותר, התחממות לינארית"ל (Spc) תכונות ניהול מעולה (R)

Graphene וחומרים אחרים 2D מבטיחים אפילו ניידות גבוהה יותר של ספקים ופירוק חום. בעוד עדיין בשלב המחקר, טרנזיסטורים מבוססי גרפן הוכיחו תדרי חיתוך שיא ופוטנציאל עבור משדרים גמישים וקלים, אלקטרוניקה גמישה על תת-קרקעית פולימרים מאפשרת אנאנטנות והתאמות רשתות שניתן להטמיעו לתוך רחפנים או עורי מתפתל, לחסוך משקל ו.

אנרגיה וניהול כוח

טהור סוללות מופעלות יש סיבולת סופית. integrating אנרגיה קציר מאפשר המשדר לשחזר כוח מן הסביבה.FLT:0 photovoltaic תאים פוטו-וולטאיים 1 על פני השטח העליון של המל"ט יכול לזרז סוללות טעינה על פני השטח העליון של הכטב"מ, בעוד FLT:2piezoelectric HarvestersFLT 3 לוכד אנרגיה ממנועי אוויר ואוויר, אפילו מאפשר שידורים נמוכים של כוח אדם.

מעגלים משולבים של ניהול חשמל (PMICs) עם מספר רב של מסילות מתח, ממירים של buck /boost, ומעקב אחר נקודת כוח מקסימלית (MPPT) עבור קלטות סולאריות להבטיח כי אנרגיה מקצרת מאוחסן ביעילות בשימוש.

בקרת כוח הסתגלות ואופטימיזציה של קישורים

אחת הדרכים היעילות ביותר לחסוך אנרגיה היא להעביר רק כמה כוח נדרש עבור מצב הקישור הנוכחי.FLT:0) שליטה כוח יעיל (APC) אלגוריתמים 1 אלגוריתמים להתאים את כוח התפוקה של הרש"פ בהתבסס על מחוון כוח אותות (RSSI) משוב של המקלט המרוחק של המל"ט. כאשר הכטב"מ קרוב לתחנת הקרקע, משדרים להפחית את כוחו מ 20Bm ל- 0V) ל- 0.

AI ולמידה מכונה משמשים יותר ויותר כדי לחזות איכות קישור מטרקלין טיסה, מזג אוויר ודפוסי התערבות.רשת עצבית על הסיפון יכולה להתאים מראש את הפרמטרים שידור לפני מתרחשת, הימנעות משינויים ושמירה על כוח נמוך. סוכני למידה כוח יכול לחקור את החילופים בין כוח, שיעור נתונים, ושקיפות במשימות בעולם האמיתי.

אתגרים בעיצוב אנרגיה-Efficient Transmitters for UAVs

איזון עם יציבות ונדידה

שיעור מגבר גבוה (E, F) הם ללא לינארי ופס צר.עבור קישורים מזל"טים כי חייב לתמוך רוחב פס רחב (למשל, 20 MHz עבור וידאו HD) ומודולציה ליניארית, מעצבים חייבים להשתמש בטכניקות לינאריזציה כי להוסיף מורכבות וכוח כלשהו מעל פני השטח. Envelope מעקב (ET) ואדריכלות דורטי יכול לשפר את היעילות על טווח דינמי רחב אבל דורש שליטה מדויקת ורכיבים מאוד חיצוני.

עבור פס אולטרה-רחב (UWB) או פעולה מרובת פס (למשל, 2.4 GHz ו- 5.8 GHz בו זמנית), השגת יעילות גבוהה בכל הלהקות עם PA אחת קשה מאוד.Switched PA או רשתות התאמות טוטלי להוסיף הפסדים ועלויות.

קונסולות ה-Aclosures

גם עם יעילות גבוהה, משדר 1W עדיין לא מתפזר -300 mW כחום.בגוף רחפנים חתומה עם זרימת אוויר מוגבלת, חום זה חייב להתבצע על מסגרת האוויר או מתפזר באמצעות כיור חום קטן. overheating יכול לגרום יעילות הרש"פ לרדת או אפילו נזק רכיבים.ניתוח הקרמומי מן ההתחלה הוא קריטי, וחומרים עם מוליכות תרמית גבוהה (copper, אלומיניום, nit-Ride) הם יותר ויותר עיצובים פחמן.

השוואות וקיום

ד"רונים לעתים קרובות נושאים משדרים מרובים (GPS, טלמטי, וידאו FPV, Wi-Fi וכו ') הפועלים בלהקות סמוכים. בידוד גרוע או פליטות מעוררות של כוח-יעילות אבל לא לינארי הרש"פ יכולה להפליג מקלטים או לגרום להפרעות במערכות אחרות על הסיפון.Strict סינון ותכנון תדר זהיר נדרשים, תוספת והפסדים כי לא ניתן להגדיל כמה יעילות.

עלויות ומורכבות הייצור

חומרים מתקדמים כמו GaN ו- ASICs להעלות את עלויות יחידת הרחפנים לצרכן, לחץ עלות יכול לדחוף מעצבים לעבר פתרונות יעילים פחות מבוססי סיליקון.עם זאת, כמו GaN-on-Si הופך יותר לזרם המרכזי ורמות האינטגרציה, פער העלות הוא צר. עבור מזל"טים תעשייתיים וצבאיים, היתרונות של הביצועים להצדיק מחירים גבוהים יותר.

מגמות מחקר ודרכים לעתיד

מלא דופלקס ו-In-Band Wireless Power Transfer

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.

אדריכלות: Mesh Transmitter Architectures

במקום משדר כוח עליון אחד, חתומים של מזל"טים יכולים להשתמש שידור שיתופי - כל מזל"טים משדרים בעוצמה נמוכה, אבל שילוב של קוהרנטי ב המקלט כדי להשיג גבוה SNR. הרעיון המופץ הזה מקטין את הכוח ללא תבוסה ומשפר את האמינות המקשר באמצעות מגוון מרחבי. אופטימיזציה אנרגיה ברשתות כאלה דורש אלגוריתמים הדורשים אלגוריתמים של כוח תוך עמידה בעקביות ובקוד באמצעות מטרות.

Neuromorphic ו Analog עיבוד עבור Baseband

מעבדים מבוססי אירועים או נוירומורפיים, בהשראת מערכות עצביות ביולוגיות, מציעים יעילות אנרגיה קיצונית עבור זיהוי דפוס ומשימות בקרה הסתגלותיות.ב משדרים עתידיים, מעבדים כאלה יכולים להתמודד עם מודולציה הסתגלות, בקרת חשמל ותיקון שגיאות עם כוח ברמה של ננואט, צמצום אנרגיית בסיס דיגיטלית על ידי פקודות של גודל בהשוואה לDSPs קונבנציונליים.

מסקנה

משדרי תקשורת יעילים באנרגיה אינם גישה אלא מרכיב מרכזי למקסימום את התועלת של מטוסים קטנים ורחפנים.על ידי יישום הרש"פ מתקדמת להתנצלות, עיבוד דיגיטלי בעוצמה נמוכה, אלגוריתמים הסתגלות, וחומרים חדשים, מעצבים יכולים להשיג פחתות דרמטיות בצריכת חשמל תוך שמירה על קישורים אמינים ואיכותיים.האתגרים של לינאריות, ניהול תרמי, ועלות מטופלים בהתמדה באמצעות חדשנות בטכנולוגיה סמיבית, עיצוב, אופטימיזציה ברמת רמתית.

במבט קדימה, ההתכנסות של הסתגלות קישורים המונעת על ידי AI, קצירת אנרגיה ותקשורת משותפת של חוטי נשק יניחו את הגבולות של אילו מזל"טים קטנים יכולים להשיג.עבור מהנדסים מעצבים את הדור הבא של מערכות אוויריות אוטונומיות, השקעה ביעילות העברת אנרגיה היא השקעה בעתיד של סיבולת טיסה והגעה תפעולית.

(ב) ◄ .

  • עבור סקירה טכנית של עיצוב GaN PA עבור רחפנים, ראה את העולם:0 (OLT:0) Electronics: GaN HEMT עבור UAV CommunicationsearFLT:1.
  • טיפול אקדמי של שליטה בכח הסתגלות בקישורי מל"טים:0IEEE: אנרגיה-Efficient UAV תקשורת עם בקרת חשמל הסתגלות
  • מחקר על קצירת אנרגיה עבור מל"טים קטנים:0 טבע: השמש ההיברידית ואנרגיה של אנרגיה מתחדשת עבור DronesscioFLT:1.
  • נייר לבן על תכונת כוח נמוכה עבור AV טלגרף:0 (Digi-Key: Low-Power Modulation for UAV קישוריםIRFLT:1).
  • הוראות עתידיות ב SWIPT עבור מל"טים:0arXiv: העברת מידע אלחוטי ואספקת חשמל עבור AV תקשורת 10.