Küçük Uçak ve Drones için Enerji verimli iletişim birimleri tasarımı

Küçük Uçak ve Drones için Enerji-Efficient'lerin Imperative of Energy-Efficient

Küçük insansız hava araçlarının (UAVs) ve ticari, bilimsel ve savunma sektörleri arasındaki droneların çoğalması, batarya iletişim sistemlerindeki olası bütçelerin belirlenmesi, radyo verici tarafından tüketilen her miliwattın doğrudan mevcut uçuş zaman veya ücret kapasitesinin azaltılması anlamına gelir.

Geleneksel radyo tasarımı yaklaşımları, karasal veya mand edilen uçak sistemlerinden ödünç alınan, genellikle küçük UAVs için çok fazla güç tasarrufu kanıtlamaktadır. Tipik bir ticari drone uçuşu 20-30 dakika sürer; bir verici çizim bile 5W, bataryanın enerjisini o dönemden 10–15 oranında tüketebilir ve düşük güç verici tasarımları küçük uçaklar için iletim gücünü azaltabilir.

Neden Enerji Verimliliği UAV İletişimi İçin Önemli

Uçuş Zamanı Üzerine Doğrudan Etkisi ve Payload

Enerjiye etkili bir vericinin en acil yararı daha uzun uçuş süresidir. Tipik bir droneda, tahrik sistemi, güç çoğunluğu (70-80%), ancak aviyonikler, sensörler ve iletişim hesabı, geri kalan 3W'den 1W'ye kadar uzanan bir verici, arama-ve-rescue veya hava araştırması gibi uygulamalar için kritik olan bir uçuş kapasitesine eklenebilir.

Termal Yönetim ve Güvenilirlik

Gürültülerdeki yüksek güç dağılımı, sınırlı olarak yönetilmelidir, genellikle karmaşık soğutma çözümleri olmadan verimsiz elektroniklere daha yakın olmasına izin verir veya termal kapatmalara neden olur.

Spectrum ve Düzenleme Sınırları ile Uyum

Enerji verimliliği aynı zamanda saflık ve düzenleyici uyum ile bağlantılıdır. Verimli yükselteçler daha az dış bant emisyonlarını üretir ve ISM gruplarında kullanım için gerekli olan koşulları basitleştirir (2.4 GHz, 5.8 GHz) veya lisanslı spektrumda daha düşük aktarma gücü, eşdeğerli güçle karşılaştırılabilir güçle karşılaştırılabilir derecede yüksek alıcı hassasiyet veya gelişmiş kodlama yoluyla güvenilir bağlantılara ulaşırken, daha yüksek oranda güvenilir bağlantılara yardımcı olabilir.

Enerji-Efficient için temel tasarım ilkeleri

Yüksek performanslı Güç Amplifier (PA) Architectures

Güç yükselteçleri herhangi bir vericide en güç-hungry aşamasıdır, genellikle toplam DC gücünün% 50-80'ini tüketiyor. Geleneksel lineer PAs (Class A, AB) iyi lineerlik sunar, ancak düşük verimlilikten (20-40%) acı çeker. Örneğin, bir ayarlı ağ geçidi, D. Sınıf E. ve Sınıf F) böylece işlemsel olarak daha uygun hale gelir, 70-% 90'ın üzerindeki efficiliğe ulaşır.

Son zamanlarda galium nitride (GaN) ve galium arsenide (GaAs) süreçleri, 64-QAM OFDM gibi karmaşık modülasyon programları için daha fazla artış gösterdi. GaN HEMTs yüksek hata gerilimi ve güç yoğunluğu sunuyor, dijital predistorasyon (DPD) ve yüksek hacimli bant genişliği gibi yüksek verimsiz yükseltilebilir.

Low-Power Modulation and Coding Schemes

modulation'ın seçimi hem güç tüketimi hem de bağlantı bütçesine doğrudan etkiler. Yüksek sipariş modulations (e.g., 256-QAM) sembolünü işaretletir, ancak yüksek sinyal-to-noise oranı (SNR) ve daha lineer güç yükselteçleri gerekir, bu da verimliliği azaltabilir.

Orthogonal frekansı-division multiplexing (OFDM) geniş bir şekilde Wi-Fi ve LTE tabanlı drone bağlantılarında çok fazla sempatiye karşı dayanıklılık nedeniyle yüksek bir üst düzeye sahip (SC-DMAF)[FLT) veya şekillendirmek, yüksek çözünürlükte genişleyen yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte yayılmak için yükselteçli yöntemlere yol açabilir.

Kanal kodlaması, gerekli SNR. Modern kodları doğru hataları azaltmak için kırmızıdan fazlalık ekliyor:0)düşük-density parity-check (LDPC) kodları) ve kutup kodları ( 5G NR'de kullanılır) yakın-Shannon-limit performansına sahiptir, daha düşük aktarma gücü sağlar.

Low-Power Digital Baseband Processing

Dijital temel bant - modülasyon / kesinti, kodlama, filtreleme ve kontrol mantığı dahil - optimize edilmemiş önemli güç kullanın. Enerji verimli verici verici verici tasarımlar bağlantı daha az aktif olduğunda dinamik güçten yararlanır.For357y drone trafiği (e.g., periodic telemetri), temel bantlar arasındaki derin uyku modlarını alabilir.[DVFS)[DVFST:1 ve saat gating dynamic power when the link is less active. For bursty drone traffic (e.g., periodic telemetry), temel bantlar, bir enerji misyonunu güçlendirebilir.

Yazılım tanımlı radyo (SDR) platformları esneklik sunar ancak genellikle sürekli drone kullanımı için çok fazla güç sağlar. Düşük güç sabitli standart modları için düşük güç sabitlenebilir bir hızlandırıcı ile birleştiren standart modları bir araya getiren Hybrid architectures, verimlilik ve esneklik arasında bir dengeyi grev eder.

Anten Tasarımı ve Impedance Matching

Gürültünün çıktısını kötü bir şekilde eşleştiren bir anten, enerji ve degrads verimliliğine yansıdığı için, antenler hafif, kompakt ve sık sık sık havada sığabilir.UVT:0)Patch antenleri, ters-F antenleri ve baskılı dipoller için) yaygındır. Aktif uygun eşleşen ağlar için, tonable kapasitörler veya PIN diyotları kullanarak, antenler, drone vücut veya çevresel koşullara yakın olarak değişebilir.

MIMO (multiple-input multiple- ⁇ ) sistemleri, ⁇ verimliliğini artırabilir, ancak dikkatli bir güç yönetimi ile MIMO, toplam bağlantıyı korumak için per-path ile enerji iletmeyi azaltabilir, potansiyel olarak genel enerji tüketimi azaltır. BeamInfo (fazlı diziler) alıcıya doğru yayılır, belirli bir bağlantı bütçesi için gerekli gücü azaltır.

Yenilikçi teknolojiler Enerji Verimliliği

Gelişmiş yarı iletken malzemeler

Silikon CMOS dijital bölümler için baskın kalırken, RF cephesi giderek daha fazla bileşik yarı iletkenlere dayanıyor.ETHFLT:0)Gallium nitride (GaN) likülcelal (SiC)) yüksek elektron hareketliliği ve arıza sağlar; PA'lar% 6 GHz'ye kadar verimlilik sağlar ve ötesindeki frekanslar da yüksek modda çalışır.

Grafik ve diğer 2D materyaller daha yüksek taşıyıcı hareketliliği ve ısı dağılımı vaat ediyor. Araştırma aşamasında hala grafik tabanlı transistörler, esnek, hafif vericiler için rekor kesme frekansları ve potansiyel göstermiştir. Benzer şekilde, polimer substratlar üzerindeki esnek elektronikler antenler ve eşleme ağları sağlar, vücutları veya fuselajlar, tasarruf alanı ve ağırlık.

Enerji ve Enerji Yönetimi

Saf olarak batarya destekli uçaklar son derece dayanıklılıka sahiptir. Tüm enerji hasat, motorlardan ve hava çerçeve resonlarından vibrasyon enerjilerini yakalamak için vericiye izin verir.In vericis, hatta hasat edilen güçteki miliwattlar uçuş sırasında hızlanabilir veya düşük güç için kullanılabilir.

Power management, birden fazla gerilim raylı sistemlerle, buck/boost dönüştürücüler ve en yüksek güç noktası takip (MPPT) güneş girişleri için bu hasat edilen enerjinin verimli bir şekilde depolanıp kullanılmasını sağlar. Akıllı güç gating, örneğin, zemin istasyondaki kirleticilerin azaltılmasına izin verir - ve planlanan iletiler arasında uyumak.

Adaptif Güç Kontrolü ve Link Optimizasyon

Enerjiyi kurtarmak için en etkili yollardan biri, mevcut bağlantı koşulu için gerekli olan kadar güçletir.ETHFLT:0) Adaptif güç kontrolü (APC)) algoritmaları, PA çıktı gücünü alınan sinyal gücü ile birleştirir (RSSI) bağlantının farklı mesafelere yakın olduğunda, bağlantının gücünü 20 dBm'den 0 dBm'e azaltır.

AI ve makine öğrenimi, uçuş yörüngesinden bağlantı kalitesini tahmin etmek için giderek daha fazla kullanılır ve müdahale modelleri. Bir üst düzey bir diskte bir diskin oluşmasından önce, geri yükleme parametrelerini önleyebildirebilir ve düşük güç korumayı sağlar.Firma öğrenme ajanları, veri oranı ve gerçek dünya görevlerinde gecikmeleri keşfedebilir.

UAVs için Enerji-Efficient 3.

Linearity ve Band genişleyen Verimlilik

Yüksek verimli yükselteç sınıfları (E, F) doğal olarak doğrusal olmayan ve dar bant.Mantıklı ağ geçidini desteklemeli, ancak HD video için 20 MHz) ve lineer modulation, tasarımcılar karmaşıklık ve bazı güç ekleri eklemek için lineer olmayan teknikler kullanmalıdır.In Developmente follow (ET) ve Doherty architectures, geniş dinamik bir dizi üzerinde hassas bir verimlilik gerektirir.

ultra geniş bant (UWB) veya çok bantlı operasyon (örneğin, 2.4 GHz ve 5.8 GHz) için, tek bir PA ile tüm gruplar arasında yüksek verimlilik elde etmek çok zor. Anahtarlanan PA bankaları veya tunable eşleştirme ağları zararlar ve maliyet ekleyin.

Kompakt Enkürelerdeki Termal Düzenlemeler

Yüksek verimlilikle bile, 1W verici hala ısıyı bozmak için -300 mW ısıyı kapatmış bir drone gövdesinde, bu ısı, küçük ısı parçalarıyla havalandırılmalıdır. Aşırı ısıtma sistemi, ısının düşmesine veya hasar bileşenlerine neden olabilir.

Interference ve Coexistence

Drones genellikle birden fazla verici taşır (GPS, telemetri, FPV video, Wi-Fi, vs.) bir yanardağ bandında çalışır. Kötü izolasyon veya güçten gelen emisyonlar, ancak nonlinear PA alıcıları veya diğer üst düzey sistemlere müdahale etmeye yardımcı olabilir. Strict filtreleme ve dikkatli frekans planlama gereklidir, bazı verimlilik kazançlarını dengelemek için maliyet ve ekleme kaybı ekleyin.

Maliyet ve İmalat Kompleksi

GaN ve özel ASICs gibi gelişmiş malzemeler birim maliyetleri artırıyor. Tüketici droneları için maliyet basıncı tasarımcıları daha az verimli silikon tabanlı çözümlere doğru itebilir. Ancak, GaN-on-Si daha ana ve entegrasyon seviyelerinin artmasıyla, maliyet boşlukları daha darlaştırır.

Future Yol ve Araştırma Trendleri

Full-Duplex ve In-Band Kablosuz Güç 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.

Dağıtılmış ve Meşrubatlar

Tek yüksek güç vericisi yerine, havalimanları kooperatif iletimini kullanabilir - düşük güçte iletişim kurma konusunda her drone'u kullanarak, alıcıya yüksek SNR'ye ulaşmak için uygun şekilde bir araya getirir. Bu dağıtılmış MIMO konsepti, uzaysal çeşitlilik üzerinden bağlantı güvenilirliğini azaltır ve bu tür ağlarda koordinasyon algoritmaları gerektirir.

Baseband için Nöromorfik ve Analog İşleme

Olay tabanlı veya sinirsel sistemlerden ilham alan, DSP'lere kıyasla aşırı enerji verimliliği sunabilir. Gelecekteki vericiler, bu tür işlemciler, nanowatt seviye güçle uyumsuz modülasyon, güç kontrolü ve hata düzeltmesi yapabilir, dijital bazband enerjilerini geleneksel DSP'lere kıyasla büyüklük siparişleri ile azaltır.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Enerji verimli iletişim vericileri bir aksesuar değildir, ancak yüksek kaliteli bağlantılar devam ederken, küçük uçak ve droneların faydalarını maksimize etmek için temel bir bileşendir. Gelişmiş PA topolojileri, düşük güç dijital işleme, adaptif algoritmaları ve yeni malzemeler, tasarımcılar güvenilir, yüksek kaliteli bağlantılar devam ederken enerji tüketiminde dramatik azalmalar elde edebilir.

Önümüzdeki sefere, AI odaklı bağlantı adaptasyonunun yakınlığı, enerji hasat ve kooperatif bataklığı iletişim, küçük droneların başarabileceği sınırlarını zorlayacaktır.Bir sonraki nesile otonom hava sistemlerinin tasarlanması için, verici enerji verimliliğine yatırım yapmak, uçuş dayanıklılık ve operasyonel erişimin geleceğine yatırımdır.

[FONT=0)Dönemli Referanslar: [Dönemli: [Dönemli: 1)