推动射频和微波设计的UAS SWaP约束

无人驾驶飞机系统（UAS）上的电子足迹继续缩小。这些减小的尺寸、重量和功耗 （SWaP） 要求促使射频 （RF） 和微波设计人员提出创新方法来提供更低的 SWaP，同时提高性能并增强平台的功能。

军用无人机系统（UAS）已成为处理情报、监视和侦察（ISR）、电子战和信号情报等任务的多任务平台。将所有这些功能打包到每个UAS有效载荷中会给RF和微波设计人员带来压力，他们必须努力应对降低的SWaP要求，而SWaP要求总是伴随着对更多功能的需求。

“今天的无人系统范围从小型无人机到大型系统 - 例如全球鹰 - 并带来了一系列巨大的挑战，”MACOM（马萨诸塞州洛厄尔）战略副总裁Doug Carlson说。

一个主要障碍：“下一代传感器正在收集更多的数据，这些数据需要数据链路子系统来支持更高的数据速率和传输范围，”Mercury Systems（马萨诸塞州安多弗）射频和微波解决方案集团副总裁兼总经理Kevin Beals解释说。

RF和微波设计人员在处理已经受到SWaP约束的系统时会考虑这一整体平台设计。“从更广泛的角度来看，无人系统正变得越来越普遍，并将更多的功能打包到不断缩小的外形中，”Beals说。

另一个复杂的因素是，用户“现在正在寻求将曾经为大型平台保留的技术，如飞机的电子战（EW）用于无人系统，”比尔斯补充道。

有趣的是，“过去十年来，设计趋势保持相对不变 - 尺寸，重量，功率和成本（SWaP-C）是每个军事客户和设计的重点领域，”MACOM的Carlson指出。“多年前，MACOM的首批MMIC（单片微波集成电路）解决方案之一是用于小型无人机数据链路的Ku波段器件，目标是使其小巧轻便。

然而，在比较当时和现在的国防部要求时，“今天的要求大致相同，但放大了——射频组件必须比以前更小、集成度更高、更轻，”Carlson 解释道。“一方面，无人机的小平台造成了巨大的空间和功率限制，如果没有高效、集成、紧凑和轻便的组件，它就无法执行任务。

Cobham Advanced Electronic Solutions（宾夕法尼亚州兰斯代尔）先进技术技术总监David Markman表示，除了空间限制外，“今天，大多数射频和微波信号都是以数字方式生成和检测的。这允许客户实时重新配置系统。这种趋势与商业无线、卫星通信和军事系统类似。

“射频和微波设计的趋势不能完全脱离数字领域，”Beals说。“对于无人驾驶车辆等空间受限的应用，我们也看到了射频和数字技术的融合。

Beals说，Mercury Systems围绕模块化开放系统架构构建了“预集成的RF和数字解决方案，包括OpenVPX和OpenRFM”。

功率也是无人系统设计中的一个大问题。“另一方面，更大平台上的有效载荷更大，但在功率方面仍然受到相当大的挑战，”卡尔森指出。“无人机任务通常包括某种类型的传感，可能是雷达或红外传感器的形式，以及将信息实时发送到目的地或决策者的通信链路。

最终，这些挑战“对射频和微波社区产生了影响——SWaP-C要求比以往任何时候都更加极端。我们的军事客户正在寻找第一、更高的性能和效率;第二，外形更小;第三，通过规模经济节省成本，“比尔斯说。

成本始终是设计这些系统的主要决定因素，因为“在无人机上添加传感系统应该具有经济意义，而不是平台成本的10倍，”Carlson指出。因此，高效、集成、成本敏感和紧凑的射频组件仍然是无人系统的基本要素。

SWaP 环境带来定制解决方案

如果不考虑针对SWaP受限环境进行设计，无人系统设计是不可能的。Carlson 说：“优化系统性能以满足当今 SWaP 要求的需求正在推动像 MACOM 这样的公司利用多种技术的异构集成进行创新，以在所需的占地面积内实现最佳集成水平和理想的效率水平。“这可能包括，例如，将二极管开关、砷化镓LNA（砷化镓低噪声放大器）、硅基氮化镓PA（硅上氮化镓功率放大器）甚至基于SOI（绝缘体上硅）的控制组件等技术组合合并到一个封装解决方案中。

针对 SWaP 环境进行设计的现实意味着定制解决方案。Carlson补充道，“通常在军事领域，射频组件解决方案倾向于针对特定的终端系统应用进行高度定制，而不是走商用现货（COTS）路线。

定制解决方案意味着用户的任务目标决定了设计。“SWaP 和成本是当今大多数设计的主要考虑因素。在许多情况下，这些参数是固定的，导致客户问，‘鉴于这些SWaP和成本限制，我们能实现什么性能？马克曼说。

不幸的是，这个问题意味着成本实际上确实受到了打击，并成为设计挑战。Beals表示，需要这种定制解决方案的UAS“不仅影响我们的设计策略，还影响我们的制造流程”。“对于后者，我们的设计师正在与我们的制造团队更紧密地合作，以确保无缝、经济高效的过渡，以加速最初的概念到批量生产。

事实上，“无人系统的设计限制推动了射频社区创新的界限，”Beals解释说。“无人系统正在推动我们的设计工程师将技术、先进的非线性建模和可制造性融合在一起，以提供我们多年前认为不可能实现的目标。例如，我们开发了一种GaN固态功率放大器，它毫不妥协地实现了三个看似相互竞争的优先事项：高效率、高可靠性和扩展范围。

“随着时间的推移，我们已经为这些SWaP限制极强的应用开发并完善了一套独特的技术构建模块，”Beals补充说，参考了RF BGA器件。这将节省成本：“例如，我们将一种先进的封装技术商业化，使用多层电路板和球栅阵列技术来实现令人难以置信的小尺寸和高封装密度。这是最初为面临SWaP限制的更大平台开发的创新示例，但基本构建模块也为无人系统设计人员提供了巨大的SWaP优势。

随着特派团需求随着时间的推移而变化，这一挑战将继续存在。Beals说：“根据任务要求，我们优化了创新的射频和数字构建模块的集成，以同时解决性能和SWaP限制。“我们在设计和制造之间的紧密联系确保了SWaP-C中的’C‘在整个项目生命周期中针对规模进行了优化。

ISR，电子战也在董事会上

UAS有效载荷正在推动射频和微波组件在某些应用中的使用。“有人可能会争辩说，与无人机通信相比，ISR（情报、监视和侦察）有效载荷通常包含最高的射频含量，”卡尔森说。“ISR 系统通常以阵列的形式实施 - 驱动内容。无人机通信本质上是一种具有单个射频信道的无线电。

雷达和电子战系统也越来越多地将射频和微波整合到无人系统中，以实现更快、多方面的任务。“两个应用立即浮现在脑海中——雷达和电子战。无人驾驶车辆需要在任何类型的天气条件下穿越拥挤的环境，“比尔斯说。

Markman指出，“大量生产的通信终端也会驱动射频含量”，并补充说，“大型有源相控阵具有大量的元件含量，这与元件数量成正比。

“这些环境包括静止物体和潜在的其他运动无人系统，”比尔斯补充道。“无人驾驶车辆之间的防撞和通信现在是一项要求。对于无人机，还有提高着陆进近精度的额外考虑。将毫米波技术嵌入无人系统，在具有挑战性的环境条件和/或拥挤的环境中，任务的成功与失败是决定性的。

“虽然我们通常不会将电子战功能与无人驾驶车辆联系起来，但它是未来的游戏规则改变者，特别是当被保护的资产具有很高的货币或战略价值时，”比尔斯说。“仅举一个例子，小型化数字射频存储模块形式的自我保护功能提高了面对电子攻击时任务成功的几率。更大平台上存在的任何电子战功能都代表了将该技术的小型化版本移植到无人系统的机会。这是引入平台的全新射频内容。

审核编辑：郭婷