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。為了應對這些挑戰，無人機開發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“極具挑戰性，因為雷達橫截面相當低。他們唯一真正反映的是轉子上的小發動機，“MACOM（馬薩諸塞州洛厄爾）射頻和微波業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？無人機現在是一種武器系統，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，現在無人機是一個問題。

除了反無人機問題之外，無人系統開發人員仍然需要解決相當多的技術挑戰。首先，“無人系統變得越來越自主，”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在無人駕駛車輛上。

隨著無人系統變得越來越自主，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、動態范圍、帶寬、通道數、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）業務發展，戰略和技術高級副總裁Jeff Hassannia說?！斑@是一個非常大的挑戰，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，如果不是最大的挑戰，以確保該系統足夠穩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;真正的挑戰是保持整個架構的穩定，“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外，從中獲取一些可操作的情報也是一個挑戰，因為“高清視頻正變得越來越突出，”史密斯解釋說?！斑@意味著更高的數據帶寬，這需要更多的信號帶寬，這也使我們［構建］更具挑戰性。

“總的來說，在整個領域，我們也看到了數字化程度更高的趨勢，”Carlson補充道?！拔疫@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字化，并將信號從原始數據轉換為信息。這樣，我就可以將信息廣播回指揮中心，而不僅僅是原始數據。該設計是由這樣一個事實驅動的，即有如此多的數據流入這些車輛，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。例如，Cobham的“波導仍將是未來RF通信和ISR（情報，監視和偵察）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中，減小系統尺寸和重量將至關重要，“哈桑尼亞說。

他繼續說道，傳統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?！癈obham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則改變者。通過消除制造限制并允許創建‘自行折疊’的復雜架構，可以減少系統體積，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將是作戰人員的關鍵。當然，這并不能否定這樣一個事實，即隨著無人系統與所有其他RF組件的集成度越來越高，以滿足高數據需求，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FPGA（現場可編程門陣列）的高性能直接數字后端解決方案實現的。

“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://www.qd573.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 要求會損害系統性能。為了在SWaP限制下實現峰值性能，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問題，性能與重量和成本一樣重要。

“SWaP優化絕對是這個領域的主要設計挑戰，”Mercury Systems RF & Microwave Group（馬薩諸塞州安多弗）高級總監兼總經理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，而不是開發多個單獨的模塊。

例如，Mercury Systems的Mercury的“SpectrumSeries平臺將RF，數字和定制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的轉發器應用而設計。

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

射頻和微波有利于通信、雷達、電子戰

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

“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，并指出如果系統無法向指揮中心提供關鍵任務信息，系統就會變得毫無用處。

“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據。換句話說，有很多實時傳感器數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，現在我就處于循環爭論中。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