推動射頻和微波設(shè)計的UAS SWaP約束

無人駕駛飛機系統(tǒng)（UAS）上的電子足跡繼續(xù)縮小。這些減小的尺寸、重量和功耗 （SWaP） 要求促使射頻 （RF） 和微波設(shè)計人員提出創(chuàng)新方法來提供更低的 SWaP，同時提高性能并增強平臺的功能。

軍用無人機系統(tǒng)（UAS）已成為處理情報、監(jiān)視和偵察（ISR）、電子戰(zhàn)和信號情報等任務(wù)的多任務(wù)平臺。將所有這些功能打包到每個UAS有效載荷中會給RF和微波設(shè)計人員帶來壓力，他們必須努力應(yīng)對降低的SWaP要求，而SWaP要求總是伴隨著對更多功能的需求。

“今天的無人系統(tǒng)范圍從小型無人機到大型系統(tǒng) - 例如全球鷹 - 并帶來了一系列巨大的挑戰(zhàn)，”MACOM（馬薩諸塞州洛厄爾）戰(zhàn)略副總裁Doug Carlson說。

一個主要障礙：“下一代傳感器正在收集更多的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要數(shù)據(jù)鏈路子系統(tǒng)來支持更高的數(shù)據(jù)速率和傳輸范圍，”Mercury Systems（馬薩諸塞州安多弗）射頻和微波解決方案集團副總裁兼總經(jīng)理Kevin Beals解釋說。

RF和微波設(shè)計人員在處理已經(jīng)受到SWaP約束的系統(tǒng)時會考慮這一整體平臺設(shè)計?！皬母鼜V泛的角度來看，無人系統(tǒng)正變得越來越普遍，并將更多的功能打包到不斷縮小的外形中，”Beals說。

另一個復雜的因素是，用戶“現(xiàn)在正在尋求將曾經(jīng)為大型平臺保留的技術(shù)，如飛機的電子戰(zhàn)（EW）用于無人系統(tǒng)，”比爾斯補充道。

有趣的是，“過去十年來，設(shè)計趨勢保持相對不變 - 尺寸，重量，功率和成本（SWaP-C）是每個軍事客戶和設(shè)計的重點領(lǐng)域，”MACOM的Carlson指出?！岸嗄昵?，MACOM的首批MMIC（單片微波集成電路）解決方案之一是用于小型無人機數(shù)據(jù)鏈路的Ku波段器件，目標是使其小巧輕便。

然而，在比較當時和現(xiàn)在的國防部要求時，“今天的要求大致相同，但放大了——射頻組件必須比以前更小、集成度更高、更輕，”Carlson 解釋道?！耙环矫?，無人機的小平臺造成了巨大的空間和功率限制，如果沒有高效、集成、緊湊和輕便的組件，它就無法執(zhí)行任務(wù)。

Cobham Advanced Electronic Solutions（賓夕法尼亞州蘭斯代爾）先進技術(shù)技術(shù)總監(jiān)David Markman表示，除了空間限制外，“今天，大多數(shù)射頻和微波信號都是以數(shù)字方式生成和檢測的。這允許客戶實時重新配置系統(tǒng)。這種趨勢與商業(yè)無線、衛(wèi)星通信和軍事系統(tǒng)類似。

“射頻和微波設(shè)計的趨勢不能完全脫離數(shù)字領(lǐng)域，”Beals說。“對于無人駕駛車輛等空間受限的應(yīng)用，我們也看到了射頻和數(shù)字技術(shù)的融合。

Beals說，Mercury Systems圍繞模塊化開放系統(tǒng)架構(gòu)構(gòu)建了“預集成的RF和數(shù)字解決方案，包括OpenVPX和OpenRFM”。

功率也是無人系統(tǒng)設(shè)計中的一個大問題。“另一方面，更大平臺上的有效載荷更大，但在功率方面仍然受到相當大的挑戰(zhàn)，”卡爾森指出。“無人機任務(wù)通常包括某種類型的傳感，可能是雷達或紅外傳感器的形式，以及將信息實時發(fā)送到目的地或決策者的通信鏈路。

最終，這些挑戰(zhàn)“對射頻和微波社區(qū)產(chǎn)生了影響——SWaP-C要求比以往任何時候都更加極端。我們的軍事客戶正在尋找第一、更高的性能和效率;第二，外形更小;第三，通過規(guī)模經(jīng)濟節(jié)省成本，“比爾斯說。

成本始終是設(shè)計這些系統(tǒng)的主要決定因素，因為“在無人機上添加傳感系統(tǒng)應(yīng)該具有經(jīng)濟意義，而不是平臺成本的10倍，”Carlson指出。因此，高效、集成、成本敏感和緊湊的射頻組件仍然是無人系統(tǒng)的基本要素。

SWaP 環(huán)境帶來定制解決方案

如果不考慮針對SWaP受限環(huán)境進行設(shè)計，無人系統(tǒng)設(shè)計是不可能的。Carlson 說：“優(yōu)化系統(tǒng)性能以滿足當今 SWaP 要求的需求正在推動像 MACOM 這樣的公司利用多種技術(shù)的異構(gòu)集成進行創(chuàng)新，以在所需的占地面積內(nèi)實現(xiàn)最佳集成水平和理想的效率水平?！斑@可能包括，例如，將二極管開關(guān)、砷化鎵LNA（砷化鎵低噪聲放大器）、硅基氮化鎵PA（硅上氮化鎵功率放大器）甚至基于SOI（絕緣體上硅）的控制組件等技術(shù)組合合并到一個封裝解決方案中。

針對 SWaP 環(huán)境進行設(shè)計的現(xiàn)實意味著定制解決方案。Carlson補充道，“通常在軍事領(lǐng)域，射頻組件解決方案傾向于針對特定的終端系統(tǒng)應(yīng)用進行高度定制，而不是走商用現(xiàn)貨（COTS）路線。

定制解決方案意味著用戶的任務(wù)目標決定了設(shè)計?！癝WaP 和成本是當今大多數(shù)設(shè)計的主要考慮因素。在許多情況下，這些參數(shù)是固定的，導致客戶問，‘鑒于這些SWaP和成本限制，我們能實現(xiàn)什么性能？馬克曼說。

不幸的是，這個問題意味著成本實際上確實受到了打擊，并成為設(shè)計挑戰(zhàn)。Beals表示，需要這種定制解決方案的UAS“不僅影響我們的設(shè)計策略，還影響我們的制造流程”?！皩τ诤笳?，我們的設(shè)計師正在與我們的制造團隊更緊密地合作，以確保無縫、經(jīng)濟高效的過渡，以加速最初的概念到批量生產(chǎn)。

事實上，“無人系統(tǒng)的設(shè)計限制推動了射頻社區(qū)創(chuàng)新的界限，”Beals解釋說。“無人系統(tǒng)正在推動我們的設(shè)計工程師將技術(shù)、先進的非線性建模和可制造性融合在一起，以提供我們多年前認為不可能實現(xiàn)的目標。例如，我們開發(fā)了一種GaN固態(tài)功率放大器，它毫不妥協(xié)地實現(xiàn)了三個看似相互競爭的優(yōu)先事項：高效率、高可靠性和擴展范圍。

“隨著時間的推移，我們已經(jīng)為這些SWaP限制極強的應(yīng)用開發(fā)并完善了一套獨特的技術(shù)構(gòu)建模塊，”Beals補充說，參考了RF BGA器件。這將節(jié)省成本：“例如，我們將一種先進的封裝技術(shù)商業(yè)化，使用多層電路板和球柵陣列技術(shù)來實現(xiàn)令人難以置信的小尺寸和高封裝密度。這是最初為面臨SWaP限制的更大平臺開發(fā)的創(chuàng)新示例，但基本構(gòu)建模塊也為無人系統(tǒng)設(shè)計人員提供了巨大的SWaP優(yōu)勢。

隨著特派團需求隨著時間的推移而變化，這一挑戰(zhàn)將繼續(xù)存在。Beals說：“根據(jù)任務(wù)要求，我們優(yōu)化了創(chuàng)新的射頻和數(shù)字構(gòu)建模塊的集成，以同時解決性能和SWaP限制。“我們在設(shè)計和制造之間的緊密聯(lián)系確保了SWaP-C中的’C‘在整個項目生命周期中針對規(guī)模進行了優(yōu)化。

ISR，電子戰(zhàn)也在董事會上

UAS有效載荷正在推動射頻和微波組件在某些應(yīng)用中的使用?！坝腥丝赡軙庌q說，與無人機通信相比，ISR（情報、監(jiān)視和偵察）有效載荷通常包含最高的射頻含量，”卡爾森說?！癐SR 系統(tǒng)通常以陣列的形式實施 - 驅(qū)動內(nèi)容。無人機通信本質(zhì)上是一種具有單個射頻信道的無線電。

雷達和電子戰(zhàn)系統(tǒng)也越來越多地將射頻和微波整合到無人系統(tǒng)中，以實現(xiàn)更快、多方面的任務(wù)。“兩個應(yīng)用立即浮現(xiàn)在腦海中——雷達和電子戰(zhàn)。無人駕駛車輛需要在任何類型的天氣條件下穿越擁擠的環(huán)境，“比爾斯說。

Markman指出，“大量生產(chǎn)的通信終端也會驅(qū)動射頻含量”，并補充說，“大型有源相控陣具有大量的元件含量，這與元件數(shù)量成正比。

“這些環(huán)境包括靜止物體和潛在的其他運動無人系統(tǒng)，”比爾斯補充道?！盁o人駕駛車輛之間的防撞和通信現(xiàn)在是一項要求。對于無人機，還有提高著陸進近精度的額外考慮。將毫米波技術(shù)嵌入無人系統(tǒng)，在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境條件和/或擁擠的環(huán)境中，任務(wù)的成功與失敗是決定性的。

“雖然我們通常不會將電子戰(zhàn)功能與無人駕駛車輛聯(lián)系起來，但它是未來的游戲規(guī)則改變者，特別是當被保護的資產(chǎn)具有很高的貨幣或戰(zhàn)略價值時，”比爾斯說?！皟H舉一個例子，小型化數(shù)字射頻存儲模塊形式的自我保護功能提高了面對電子攻擊時任務(wù)成功的幾率。更大平臺上存在的任何電子戰(zhàn)功能都代表了將該技術(shù)的小型化版本移植到無人系統(tǒng)的機會。這是引入平臺的全新射頻內(nèi)容。

審核編輯：郭婷