軍用無(wú)人機(jī)解決SWaP驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)下的性能問題

美國(guó)國(guó)防部 （DoD） 正在尋找高性能無(wú)人機(jī) （UAV），旨在滿足嚴(yán)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(wú)人機(jī)越小，性能受到的影響就越大。

無(wú)人機(jī) （UAV） 設(shè)計(jì)正在增加機(jī)載 RF ［射頻］ 和微波組件的數(shù)量，以解決性能問題并應(yīng)對(duì)從反無(wú)人機(jī)技術(shù)到功耗等技術(shù)挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，無(wú)人機(jī)開發(fā)人員正在集成不同的技術(shù)，以在受尺寸、重量和功率 （SWaP） 問題約束的設(shè)計(jì)中提供高性能無(wú)人機(jī)。

特別是無(wú)人機(jī)“極具挑戰(zhàn)性，因?yàn)槔走_(dá)橫截面相當(dāng)?shù)?。他們唯一真正反映的是轉(zhuǎn)子上的小發(fā)動(dòng)機(jī)，“MACOM（馬薩諸塞州洛厄爾）射頻和微波業(yè)務(wù)部高級(jí)副總裁兼總經(jīng)理Doug Carlson說。“在遠(yuǎn)處有效檢測(cè)無(wú)人機(jī)，以便讓用戶有時(shí)間做出反應(yīng)，這正在成為雷達(dá)和射頻領(lǐng)域的一個(gè)非常熱門的話題?！?/p>

無(wú)人機(jī)和反無(wú)人機(jī)技術(shù)的興起正在推動(dòng)無(wú)人機(jī)開發(fā)人員提出一些急需的問題，卡爾森說：“這個(gè)反無(wú)人機(jī)問題有多少射頻和多少傳感？無(wú)人機(jī)現(xiàn)在是一種武器系統(tǒng)，無(wú)論是在國(guó)防和民用領(lǐng)空還是民用領(lǐng)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(yīng)對(duì)惡意攻擊。我們突然看到了另一面——我們?cè)谥圃鞜o(wú)人機(jī)方面做得很好，現(xiàn)在無(wú)人機(jī)是一個(gè)問題。

除了反無(wú)人機(jī)問題之外，無(wú)人系統(tǒng)開發(fā)人員仍然需要解決相當(dāng)多的技術(shù)挑戰(zhàn)。首先，“無(wú)人系統(tǒng)變得越來越自主，”卡爾森補(bǔ)充道。“隨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(huì)看到更多的射頻最終出現(xiàn)在無(wú)人駕駛車輛上。

隨著無(wú)人系統(tǒng)變得越來越自主，射頻組件越來越多，同時(shí)無(wú)人機(jī)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(dòng)態(tài)范圍、帶寬、通道數(shù)、處理能力）。無(wú)論當(dāng)前最先進(jìn)的技術(shù)水平如何，都永遠(yuǎn)不足以滿足，“Cobham Advanced Electronic Solutions（弗吉尼亞州水晶城）業(yè)務(wù)發(fā)展，戰(zhàn)略和技術(shù)高級(jí)副總裁Jeff Hassannia說。“這是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)，特別是因?yàn)轭A(yù)計(jì)任務(wù)會(huì)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(gè)有效載荷執(zhí)行多個(gè)任務(wù)的能力等等。

在SWaP的保護(hù)傘下設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)是設(shè)計(jì)工程師面臨的一個(gè)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(qiáng)大以完成任務(wù)。“我們看到客戶已經(jīng)在嘗試解決的最大技術(shù)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(gè)架構(gòu)的穩(wěn)定，“恩智浦半導(dǎo)體（亞利桑那州鳳凰城）產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Gavin Smith說。

此外，無(wú)人機(jī)有各種尺寸。史密斯說，對(duì)于“更大的無(wú)人機(jī)，挑戰(zhàn)不是是否有足夠的可用功率，而是散熱?！坝袝r(shí)他們想為一個(gè)完整的模塊制作一個(gè)非常小的封裝。效率越高，散發(fā)的熱量越少，產(chǎn)品越小。正如您可能理解的那樣，尺寸非常重要，因?yàn)榘?a target="_blank">通信組件在內(nèi)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(jù)記錄、視頻組件和無(wú)人機(jī)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(guān)鍵因素。史密斯補(bǔ)充說：“我們還考慮電池消耗。一些較小的無(wú)人機(jī)，幾乎是手持無(wú)人機(jī)，使用電池運(yùn)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(bào)也是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)椤案咔逡曨l正變得越來越突出，”史密斯解釋說。“這意味著更高的數(shù)據(jù)帶寬，這需要更多的信號(hào)帶寬，這也使我們［構(gòu)建］更具挑戰(zhàn)性。

“總的來說，在整個(gè)領(lǐng)域，我們也看到了數(shù)字化程度更高的趨勢(shì)，”Carlson補(bǔ)充道。“我這是什么意思？用戶從空中平臺(tái)獲得的信息，我們不會(huì)接收或廣播它，但我很快就會(huì)將機(jī)上信號(hào)數(shù)字化，并將信號(hào)從原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(jù)。該設(shè)計(jì)是由這樣一個(gè)事實(shí)驅(qū)動(dòng)的，即有如此多的數(shù)據(jù)流入這些車輛，因此我們能夠?qū)⑵鋲嚎s并利用帶寬管道。

公司正在定位自己以應(yīng)對(duì)當(dāng)前和未來的技術(shù)挑戰(zhàn)。例如，Cobham的“波導(dǎo)仍將是未來RF通信和ISR（情報(bào)，監(jiān)視和偵察）應(yīng)用的重要組成部分，因?yàn)椴▽?dǎo)效率仍然使其成為許多應(yīng)用的最佳選擇。在未來的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中，減小系統(tǒng)尺寸和重量將至關(guān)重要，“哈桑尼亞說。

他繼續(xù)說道，傳統(tǒng)的制造技術(shù)限制了濾波器、雙工器、雙工器和天線的波導(dǎo)組件的設(shè)計(jì)，導(dǎo)致許多波導(dǎo)元件的擴(kuò)展組件?！癈obham正在研究增材制造技術(shù)，該技術(shù)將成為復(fù)雜波導(dǎo)架構(gòu)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(fù)雜架構(gòu)，可以減少系統(tǒng)體積，并且波導(dǎo)組件更容易根據(jù)主機(jī)進(jìn)行定制。

整合技術(shù)以達(dá)到最大效果。

集成不同類型的技術(shù)以提供高性能系統(tǒng)將是作戰(zhàn)人員的關(guān)鍵。當(dāng)然，這并不能否定這樣一個(gè)事實(shí)，即隨著無(wú)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(jù)需求，國(guó)防部的SWaP指令仍然存在。

毫無(wú)疑問，無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)趨向于集成，哈桑尼亞說?！霸?jīng)是一個(gè)盒子的東西現(xiàn)在是一塊板子，總有一天它會(huì)變成一個(gè)芯片。當(dāng)今高度集成的解決方案是通過基于片上系統(tǒng)FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）的高性能直接數(shù)字后端解決方案實(shí)現(xiàn)的。

“例如，對(duì)于尺寸，如果我們進(jìn)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。“器件的尺寸以及PCB上匹配網(wǎng)絡(luò)的大小，所需的印刷電路板，如果我們?cè)贗C中進(jìn)行大量?jī)?nèi)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(huì)損害系統(tǒng)性能。為了在SWaP限制下實(shí)現(xiàn)峰值性能，MACOM專注于更高水平的集成，Carlson說。“我們傾向于關(guān)注異構(gòu)形式的集成，換句話說，將多種技術(shù)結(jié)合在一起，形成一個(gè)功能強(qiáng)大、引人注目的解決方案。通常，如果我集成到硅平臺(tái)或類似的東西中，我會(huì)損害某些RF功能。當(dāng)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(duì)是這個(gè)領(lǐng)域的主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，”Mercury Systems RF & Microwave Group（馬薩諸塞州安多弗）高級(jí)總監(jiān)兼總經(jīng)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(zhǔn)確的建模變得非常關(guān)鍵和困難。除了對(duì)交叉耦合進(jìn)行建模和考慮外，模型還需要捕獲非線性效應(yīng)以及器件中產(chǎn)生的熱量。

“最近，我們看到對(duì)高功率密度和高集成密度的需求有所增加，”Alagh補(bǔ)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(shí)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(gè)緊湊的外殼中，而不是開發(fā)多個(gè)單獨(dú)的模塊。

例如，Mercury Systems的Mercury的“SpectrumSeries平臺(tái)將RF，數(shù)字和定制SiP結(jié)合在一個(gè)很小的大綱中，”Alagh說。

值得慶幸的是，“半導(dǎo)體性能和芯片級(jí)集成的進(jìn)步對(duì)系統(tǒng)的接收側(cè)產(chǎn)生了非常巨大的影響，導(dǎo)致尺寸和功耗可能降低了10：1，”Hassannia說。“發(fā)射端的改進(jìn)不那么顯著，導(dǎo)致尺寸和功耗降低了2：1。

“在等式的LDMOS（橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體）方面，我們的設(shè)備正在朝著更高的集成度發(fā)展，”史密斯說?！癛FIC提供幾級(jí)增益和附加功能，如功率檢測(cè)、溫度補(bǔ)償;它采用小型塑料封裝，重量更輕，法蘭具有更高的導(dǎo)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(gè)市場(chǎng)的進(jìn)入者，航空電子設(shè)備AFIC10275，“是一種硅LDMOS產(chǎn)品：它是一個(gè)兩級(jí)RFIC，專為工作頻率為978至1090 MHz的轉(zhuǎn)發(fā)器應(yīng)用而設(shè)計(jì)。

對(duì)于無(wú)人機(jī)開發(fā)人員來說，“SWaP-C ［SWaP plus cost］ 仍然是主要的引導(dǎo)系統(tǒng)，”Carlson 說?！袄?，通信系統(tǒng)不能是平臺(tái)成本的10倍。顯然，無(wú)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(shè)計(jì)至關(guān)重要］，因?yàn)槟悴幌雭G棄任何發(fā)射的射頻功率，這是浪費(fèi)的熱量，“Carlson說。

射頻和微波有利于通信、雷達(dá)、電子戰(zhàn)

無(wú)人機(jī)中射頻和微波組件的增加對(duì)向作戰(zhàn)人員提供成功任務(wù)所需的系統(tǒng)產(chǎn)生了積極影響。

“這很有趣，因?yàn)閺哪撤N意義上說，我認(rèn)為［組件］都有點(diǎn)相互依賴，因?yàn)闊o(wú)人機(jī)有一套很棒的傳感器，但沒有能力傳達(dá)這些信息，”卡爾森說，并指出如果系統(tǒng)無(wú)法向指揮中心提供關(guān)鍵任務(wù)信息，系統(tǒng)就會(huì)變得毫無(wú)用處。

“通信鏈路顯然需要射頻，”卡爾森補(bǔ)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(wú)人機(jī)推送越來越多的數(shù)據(jù)。換句話說，有很多實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)不僅僅是設(shè)備的命令和控制類型，而是從無(wú)人機(jī)實(shí)際獲取可操作的信息。

“我們認(rèn)為雷達(dá)傳感器是無(wú)人機(jī)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(dòng)了雷達(dá)應(yīng)用對(duì)越來越高頻率的需求，“因?yàn)楫?dāng)我使用更高的頻率時(shí)，我可以獲得更精確的地理位置。顯然，一旦我開始檢測(cè)所有這些東西，現(xiàn)在我就處于循環(huán)爭(zhēng)論中。我必須回廣播，以便有人可以真正做某事并采取行動(dòng)。

例如，MACOM“有一個(gè)單芯片KU波段T/R模塊，用于無(wú)人機(jī)的通信相控陣，為軍事應(yīng)用創(chuàng)建實(shí)時(shí)視頻鏈路，提供超視距視頻鏈路，”Carlson解釋說。

審核編輯：郭婷