军用无人机解决SWaP驱动设计下的性能问题

美国国防部 （DoD） 正在寻找高性能无人机 （UAV），旨在满足严格的尺寸、重量和功率 （SWaP） 限制。一种解决方案是用组件包装车辆。问题出在哪里？SWaP 越低，无人机越小，性能受到的影响就越大。

无人机 （UAV） 设计正在增加机载 RF ［射频］ 和微波组件的数量，以解决性能问题并应对从反无人机技术到功耗等技术挑战。为了应对这些挑战，无人机开发人员正在集成不同的技术，以在受尺寸、重量和功率 （SWaP） 问题约束的设计中提供高性能无人机。

特别是无人机“极具挑战性，因为雷达横截面相当低。他们唯一真正反映的是转子上的小发动机，“MACOM（马萨诸塞州洛厄尔）射频和微波业务部高级副总裁兼总经理Doug Carlson说。“在远处有效检测无人机，以便让用户有时间做出反应，这正在成为雷达和射频领域的一个非常热门的话题。”

无人机和反无人机技术的兴起正在推动无人机开发人员提出一些急需的问题，卡尔森说：“这个反无人机问题有多少射频和多少传感？无人机现在是一种武器系统，无论是在国防和民用领空还是民用领域，因此我们必须提出具有成本效益且非常可靠的解决方案来应对恶意攻击。我们突然看到了另一面——我们在制造无人机方面做得很好，现在无人机是一个问题。

除了反无人机问题之外，无人系统开发人员仍然需要解决相当多的技术挑战。首先，“无人系统变得越来越自主，”卡尔森补充道。“随着它们变得越来越自主，这意味着传感器的能力将不得不提高。传感器功能必须能够在所有环境条件下工作。这往往适用于RF解决方案。我想你会看到更多的射频最终出现在无人驾驶车辆上。

随着无人系统变得越来越自主，射频组件越来越多，同时无人机的整体尺寸缩小，用户“希望以更少的SWaP获得更高的性能（灵敏度、动态范围、带宽、通道数、处理能力）。无论当前最先进的技术水平如何，都永远不足以满足，“Cobham Advanced Electronic Solutions（弗吉尼亚州水晶城）业务发展，战略和技术高级副总裁Jeff Hassannia说。“这是一个非常大的挑战，特别是因为预计任务会变得更大，需要更多的性能和新功能，如抗干扰性、辐射干扰器、使用单个有效载荷执行多个任务的能力等等。

在SWaP的保护伞下设计无人机是设计工程师面临的一个重大挑战，如果不是最大的挑战，以确保该系统足够稳定和强大以完成任务。“我们看到客户已经在尝试解决的最大技术挑战之一是，随着您变得越来越小，您将获得如此多的收益;真正的挑战是保持整个架构的稳定，“恩智浦半导体（亚利桑那州凤凰城）产品营销经理Gavin Smith说。

此外，无人机有各种尺寸。史密斯说，对于“更大的无人机，挑战不是是否有足够的可用功率，而是散热。“有时他们想为一个完整的模块制作一个非常小的封装。效率越高，散发的热量越少，产品越小。正如您可能理解的那样，尺寸非常重要，因为包括通信组件在内的非常小的车辆中塞满了多少尺寸，在某些情况下还有数据记录、视频组件和无人机控制。所有这些都需要更高的效率。

追求更高的效率并不新鲜，但它是向最终用户提供完整解决方案的关键因素。史密斯补充说：“我们还考虑电池消耗。一些较小的无人机，几乎是手持无人机，使用电池运行，因此效率以及重量都非常非常重要。

除了提供高效的系统外，从中获取一些可操作的情报也是一个挑战，因为“高清视频正变得越来越突出，”史密斯解释说。“这意味着更高的数据带宽，这需要更多的信号带宽，这也使我们［构建］更具挑战性。

“总的来说，在整个领域，我们也看到了数字化程度更高的趋势，”Carlson补充道。“我这是什么意思？用户从空中平台获得的信息，我们不会接收或广播它，但我很快就会将机上信号数字化，并将信号从原始数据转换为信息。这样，我就可以将信息广播回指挥中心，而不仅仅是原始数据。该设计是由这样一个事实驱动的，即有如此多的数据流入这些车辆，因此我们能够将其压缩并利用带宽管道。

公司正在定位自己以应对当前和未来的技术挑战。例如，Cobham的“波导仍将是未来RF通信和ISR（情报，监视和侦察）应用的重要组成部分，因为波导效率仍然使其成为许多应用的最佳选择。在未来的无人机系统中，减小系统尺寸和重量将至关重要，“哈桑尼亚说。

他继续说道，传统的制造技术限制了滤波器、双工器、双工器和天线的波导组件的设计，导致许多波导元件的扩展组件。“Cobham正在研究增材制造技术，该技术将成为复杂波导架构封装的游戏规则改变者。通过消除制造限制并允许创建‘自行折叠’的复杂架构，可以减少系统体积，并且波导组件更容易根据主机进行定制。

整合技术以达到最大效果。

集成不同类型的技术以提供高性能系统将是作战人员的关键。当然，这并不能否定这样一个事实，即随着无人系统与所有其他RF组件的集成度越来越高，以满足高数据需求，国防部的SWaP指令仍然存在。

毫无疑问，无人机设计趋向于集成，哈桑尼亚说。“曾经是一个盒子的东西现在是一块板子，总有一天它会变成一个芯片。当今高度集成的解决方案是通过基于片上系统FPGA（现场可编程门阵列）的高性能直接数字后端解决方案实现的。

“例如，对于尺寸，如果我们进入集成阶段，它将是使用IC（集成电路）而不是多芯片模块，”史密斯说。“器件的尺寸以及PCB上匹配网络的大小，所需的印刷电路板，如果我们在IC中进行大量内部匹配，那么在外部完成的工作就很少了，这使我们的客户能够缩小他们所容纳的封装的整体尺寸。

遗憾的是，遵守 SWaP 要求会损害系统性能。为了在SWaP限制下实现峰值性能，MACOM专注于更高水平的集成，Carlson说。“我们倾向于关注异构形式的集成，换句话说，将多种技术结合在一起，形成一个功能强大、引人注目的解决方案。通常，如果我集成到硅平台或类似的东西中，我会损害某些RF功能。当然，我得到了集成，但我降低了性能。我们正在解决的大多数问题，性能与重量和成本一样重要。

“SWaP优化绝对是这个领域的主要设计挑战，”Mercury Systems RF & Microwave Group（马萨诸塞州安多弗）高级总监兼总经理Deepak Alagh断言。“随着我们将高频电路缩小到非常小的空间，准确的建模变得非常关键和困难。除了对交叉耦合进行建模和考虑外，模型还需要捕获非线性效应以及器件中产生的热量。

“最近，我们看到对高功率密度和高集成密度的需求有所增加，”Alagh补充道。用户正在利用基于氮化镓的放大器来最大化RF输出功率，同时最小化模块尺寸。此外，我们的客户要求我们将多种功能集成到一个紧凑的外壳中，而不是开发多个单独的模块。

例如，Mercury Systems的Mercury的“SpectrumSeries平台将RF，数字和定制SiP结合在一个很小的大纲中，”Alagh说。

值得庆幸的是，“半导体性能和芯片级集成的进步对系统的接收侧产生了非常巨大的影响，导致尺寸和功耗可能降低了10：1，”Hassannia说。“发射端的改进不那么显着，导致尺寸和功耗降低了2：1。

“在等式的LDMOS（横向扩散金属氧化物半导体）方面，我们的设备正在朝着更高的集成度发展，”史密斯说。“RFIC提供几级增益和附加功能，如功率检测、温度补偿;它采用小型塑料封装，重量更轻，法兰具有更高的导电性，有助于提高热阻，并且比传统陶瓷封装便宜。

恩智浦在这个市场的进入者，航空电子设备AFIC10275，“是一种硅LDMOS产品：它是一个两级RFIC，专为工作频率为978至1090 MHz的转发器应用而设计。

对于无人机开发人员来说，“SWaP-C ［SWaP plus cost］ 仍然是主要的引导系统，”Carlson 说。“例如，通信系统不能是平台成本的10倍。显然，无论我安装什么通信系统或传感器系统，我都必须非常注重成本。［高效的发射器设计至关重要］，因为你不想丢弃任何发射的射频功率，这是浪费的热量，“Carlson说。

射频和微波有利于通信、雷达、电子战

无人机中射频和微波组件的增加对向作战人员提供成功任务所需的系统产生了积极影响。

“这很有趣，因为从某种意义上说，我认为［组件］都有点相互依赖，因为无人机有一套很棒的传感器，但没有能力传达这些信息，”卡尔森说，并指出如果系统无法向指挥中心提供关键任务信息，系统就会变得毫无用处。

“通信链路显然需要射频，”卡尔森补充道。“一般来说，这些链路的频率越来越高，带宽越来越高，所以你可以从无人机推送越来越多的数据。换句话说，有很多实时传感器数据不仅仅是设备的命令和控制类型，而是从无人机实际获取可操作的信息。

“我们认为雷达传感器是无人机以及通信链路中非常重要的一部分，”他继续说道。精度要求推动了雷达应用对越来越高频率的需求，“因为当我使用更高的频率时，我可以获得更精确的地理位置。显然，一旦我开始检测所有这些东西，现在我就处于循环争论中。我必须回广播，以便有人可以真正做某事并采取行动。

例如，MACOM“有一个单芯片KU波段T/R模块，用于无人机的通信相控阵，为军事应用创建实时视频链路，提供超视距视频链路，”Carlson解释说。

审核编辑：郭婷