軍用無人機解決SWaP驅動設計下的性能問題

美國國防部 （DoD） 正在尋找高性能無人機 （UAV），旨在滿足嚴格的尺寸、重量和功率 （SWaP） 限制。一種解決方案是用組件包裝車輛。問題出在哪里？SWaP 越低，無人機越小，性能受到的影響就越大。

無人機 （UAV） 設計正在增加機載 RF ［射頻］ 和微波組件的數(shù)量，以解決性能問題并應對從反無人機技術到功耗等技術挑戰(zhàn)。為了應對這些挑戰(zhàn)，無人機開發(fā)人員正在集成不同的技術，以在受尺寸、重量和功率 （SWaP） 問題約束的設計中提供高性能無人機。

特別是無人機“極具挑戰(zhàn)性，因為雷達橫截面相當?shù)汀Ｋ麄兾ㄒ徽嬲从车氖寝D子上的小發(fā)動機，“MACOM（馬薩諸塞州洛厄爾）射頻和微波業(yè)務部高級副總裁兼總經理Doug Carlson說?！霸谶h處有效檢測無人機，以便讓用戶有時間做出反應，這正在成為雷達和射頻領域的一個非常熱門的話題?！?/p>

無人機和反無人機技術的興起正在推動無人機開發(fā)人員提出一些急需的問題，卡爾森說：“這個反無人機問題有多少射頻和多少傳感？無人機現(xiàn)在是一種武器系統(tǒng)，無論是在國防和民用領空還是民用領域，因此我們必須提出具有成本效益且非?？煽康慕鉀Q方案來應對惡意攻擊。我們突然看到了另一面——我們在制造無人機方面做得很好，現(xiàn)在無人機是一個問題。

除了反無人機問題之外，無人系統(tǒng)開發(fā)人員仍然需要解決相當多的技術挑戰(zhàn)。首先，“無人系統(tǒng)變得越來越自主，”卡爾森補充道?！半S著它們變得越來越自主，這意味著傳感器的能力將不得不提高。傳感器功能必須能夠在所有環(huán)境條件下工作。這往往適用于RF解決方案。我想你會看到更多的射頻最終出現(xiàn)在無人駕駛車輛上。

隨著無人系統(tǒng)變得越來越自主，射頻組件越來越多，同時無人機的整體尺寸縮小，用戶“希望以更少的SWaP獲得更高的性能（靈敏度、動態(tài)范圍、帶寬、通道數(shù)、處理能力）。無論當前最先進的技術水平如何，都永遠不足以滿足，“Cobham Advanced Electronic Solutions（弗吉尼亞州水晶城）業(yè)務發(fā)展，戰(zhàn)略和技術高級副總裁Jeff Hassannia說?！斑@是一個非常大的挑戰(zhàn)，特別是因為預計任務會變得更大，需要更多的性能和新功能，如抗干擾性、輻射干擾器、使用單個有效載荷執(zhí)行多個任務的能力等等。

在SWaP的保護傘下設計無人機是設計工程師面臨的一個重大挑戰(zhàn)，如果不是最大的挑戰(zhàn)，以確保該系統(tǒng)足夠穩(wěn)定和強大以完成任務?！拔覀兛吹娇蛻粢呀浽趪L試解決的最大技術挑戰(zhàn)之一是，隨著您變得越來越小，您將獲得如此多的收益;真正的挑戰(zhàn)是保持整個架構的穩(wěn)定，“恩智浦半導體（亞利桑那州鳳凰城）產品營銷經理Gavin Smith說。

此外，無人機有各種尺寸。史密斯說，對于“更大的無人機，挑戰(zhàn)不是是否有足夠的可用功率，而是散熱?！坝袝r他們想為一個完整的模塊制作一個非常小的封裝。效率越高，散發(fā)的熱量越少，產品越小。正如您可能理解的那樣，尺寸非常重要，因為包括通信組件在內的非常小的車輛中塞滿了多少尺寸，在某些情況下還有數(shù)據記錄、視頻組件和無人機控制。所有這些都需要更高的效率。

追求更高的效率并不新鮮，但它是向最終用戶提供完整解決方案的關鍵因素。史密斯補充說：“我們還考慮電池消耗。一些較小的無人機，幾乎是手持無人機，使用電池運行，因此效率以及重量都非常非常重要。

除了提供高效的系統(tǒng)外，從中獲取一些可操作的情報也是一個挑戰(zhàn)，因為“高清視頻正變得越來越突出，”史密斯解釋說?！斑@意味著更高的數(shù)據帶寬，這需要更多的信號帶寬，這也使我們［構建］更具挑戰(zhàn)性。

“總的來說，在整個領域，我們也看到了數(shù)字化程度更高的趨勢，”Carlson補充道。“我這是什么意思？用戶從空中平臺獲得的信息，我們不會接收或廣播它，但我很快就會將機上信號數(shù)字化，并將信號從原始數(shù)據轉換為信息。這樣，我就可以將信息廣播回指揮中心，而不僅僅是原始數(shù)據。該設計是由這樣一個事實驅動的，即有如此多的數(shù)據流入這些車輛，因此我們能夠將其壓縮并利用帶寬管道。

公司正在定位自己以應對當前和未來的技術挑戰(zhàn)。例如，Cobham的“波導仍將是未來RF通信和ISR（情報，監(jiān)視和偵察）應用的重要組成部分，因為波導效率仍然使其成為許多應用的最佳選擇。在未來的無人機系統(tǒng)中，減小系統(tǒng)尺寸和重量將至關重要，“哈桑尼亞說。

他繼續(xù)說道，傳統(tǒng)的制造技術限制了濾波器、雙工器、雙工器和天線的波導組件的設計，導致許多波導元件的擴展組件。“Cobham正在研究增材制造技術，該技術將成為復雜波導架構封裝的游戲規(guī)則改變者。通過消除制造限制并允許創(chuàng)建‘自行折疊’的復雜架構，可以減少系統(tǒng)體積，并且波導組件更容易根據主機進行定制。

整合技術以達到最大效果。

集成不同類型的技術以提供高性能系統(tǒng)將是作戰(zhàn)人員的關鍵。當然，這并不能否定這樣一個事實，即隨著無人系統(tǒng)與所有其他RF組件的集成度越來越高，以滿足高數(shù)據需求，國防部的SWaP指令仍然存在。

毫無疑問，無人機設計趨向于集成，哈桑尼亞說?！霸浭且粋€盒子的東西現(xiàn)在是一塊板子，總有一天它會變成一個芯片。當今高度集成的解決方案是通過基于片上系統(tǒng)FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）的高性能直接數(shù)字后端解決方案實現(xiàn)的。

“例如，對于尺寸，如果我們進入集成階段，它將是使用IC（集成電路）而不是多芯片模塊，”史密斯說?！捌骷某叽缫约?a href="http://ttokpm.com/v/tag/82/" target="_blank">PCB上匹配網絡的大小，所需的印刷電路板，如果我們在IC中進行大量內部匹配，那么在外部完成的工作就很少了，這使我們的客戶能夠縮小他們所容納的封裝的整體尺寸。

遺憾的是，遵守 SWaP 要求會損害系統(tǒng)性能。為了在SWaP限制下實現(xiàn)峰值性能，MACOM專注于更高水平的集成，Carlson說?！拔覀儍A向于關注異構形式的集成，換句話說，將多種技術結合在一起，形成一個功能強大、引人注目的解決方案。通常，如果我集成到硅平臺或類似的東西中，我會損害某些RF功能。當然，我得到了集成，但我降低了性能。我們正在解決的大多數(shù)問題，性能與重量和成本一樣重要。

“SWaP優(yōu)化絕對是這個領域的主要設計挑戰(zhàn)，”Mercury Systems RF & Microwave Group（馬薩諸塞州安多弗）高級總監(jiān)兼總經理Deepak Alagh斷言?！半S著我們將高頻電路縮小到非常小的空間，準確的建模變得非常關鍵和困難。除了對交叉耦合進行建模和考慮外，模型還需要捕獲非線性效應以及器件中產生的熱量。

“最近，我們看到對高功率密度和高集成密度的需求有所增加，”Alagh補充道。用戶正在利用基于氮化鎵的放大器來最大化RF輸出功率，同時最小化模塊尺寸。此外，我們的客戶要求我們將多種功能集成到一個緊湊的外殼中，而不是開發(fā)多個單獨的模塊。

例如，Mercury Systems的Mercury的“SpectrumSeries平臺將RF，數(shù)字和定制SiP結合在一個很小的大綱中，”Alagh說。

值得慶幸的是，“半導體性能和芯片級集成的進步對系統(tǒng)的接收側產生了非常巨大的影響，導致尺寸和功耗可能降低了10：1，”Hassannia說?！鞍l(fā)射端的改進不那么顯著，導致尺寸和功耗降低了2：1。

“在等式的LDMOS（橫向擴散金屬氧化物半導體）方面，我們的設備正在朝著更高的集成度發(fā)展，”史密斯說?！癛FIC提供幾級增益和附加功能，如功率檢測、溫度補償;它采用小型塑料封裝，重量更輕，法蘭具有更高的導電性，有助于提高熱阻，并且比傳統(tǒng)陶瓷封裝便宜。

恩智浦在這個市場的進入者，航空電子設備AFIC10275，“是一種硅LDMOS產品：它是一個兩級RFIC，專為工作頻率為978至1090 MHz的轉發(fā)器應用而設計。

對于無人機開發(fā)人員來說，“SWaP-C ［SWaP plus cost］ 仍然是主要的引導系統(tǒng)，”Carlson 說?！袄?，通信系統(tǒng)不能是平臺成本的10倍。顯然，無論我安裝什么通信系統(tǒng)或傳感器系統(tǒng)，我都必須非常注重成本。［高效的發(fā)射器設計至關重要］，因為你不想丟棄任何發(fā)射的射頻功率，這是浪費的熱量，“Carlson說。

射頻和微波有利于通信、雷達、電子戰(zhàn)

無人機中射頻和微波組件的增加對向作戰(zhàn)人員提供成功任務所需的系統(tǒng)產生了積極影響。

“這很有趣，因為從某種意義上說，我認為［組件］都有點相互依賴，因為無人機有一套很棒的傳感器，但沒有能力傳達這些信息，”卡爾森說，并指出如果系統(tǒng)無法向指揮中心提供關鍵任務信息，系統(tǒng)就會變得毫無用處。

“通信鏈路顯然需要射頻，”卡爾森補充道?！耙话銇碚f，這些鏈路的頻率越來越高，帶寬越來越高，所以你可以從無人機推送越來越多的數(shù)據。換句話說，有很多實時傳感器數(shù)據不僅僅是設備的命令和控制類型，而是從無人機實際獲取可操作的信息。

“我們認為雷達傳感器是無人機以及通信鏈路中非常重要的一部分，”他繼續(xù)說道。精度要求推動了雷達應用對越來越高頻率的需求，“因為當我使用更高的頻率時，我可以獲得更精確的地理位置。顯然，一旦我開始檢測所有這些東西，現(xiàn)在我就處于循環(huán)爭論中。我必須回廣播，以便有人可以真正做某事并采取行動。

例如，MACOM“有一個單芯片KU波段T/R模塊，用于無人機的通信相控陣，為軍事應用創(chuàng)建實時視頻鏈路，提供超視距視頻鏈路，”Carlson解釋說。

審核編輯：郭婷