尺寸、重量和功率(SWaP)限制条件下的无人机系统 RF和微波设计

尺寸、重量和功率(SWaP)限制条件下的无人机系统 RF和微波设计

无人机系统(UAS)的电子设备体积继续缩小。尺寸、重量和功率(SWaP)减少需求正在推动射频(RF)和微波设计人员提出创新方法来提供降低的SWaP,同时提高性能并增强平台的性能。

军用无人机系统(UAS)已经成为多任务平台,执行诸如情报、监视和侦察(ISR)、电子战和信号情报等任务。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,他们必须应对降低的SWaP要求,这些要求始终伴随着更多功能的需求。

“今天的无人系统从小型无人机到大型系统 – 如全球鹰 – 并带来了巨大的挑战,”MACOM战略副总裁道格卡尔森(马萨诸塞州洛厄尔)表示。

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

RF和微波设计人员在处理已经受SWaP约束的系统时会考虑这种整体平台设计。“从更广泛的角度来看,无人系统越来越普遍,并将更多的能力包含在不断缩小的外形中,”比尔斯表示。

另一个复杂因素是,用户“现在正在寻求适应曾经用于大型平台的技术,如用于飞机的电子战(EW),用于无人系统,”Beals补充道。

有趣的是,“设计趋势在过去十年中保持相对不变 – 尺寸、重量、功率和成本(SWaP-C)是每个军事客户和设计的关键考虑,”MACOM的卡尔森指出。“多年前,MACOM首款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波段设备,其目标是使其小巧轻便。”

然而,在比较当时和现在的DoD要求时,“今天的要求是 – 射频元件必须更小,集成度更高,并且比以前更轻,”Carlson解释道。“在频谱的一端,无人机的小平台受到主要的空间和功率限制,没有高效集成、紧凑和轻量级的组件,它无法履行其使命。”

Cobham先进电子解决方案(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。这种趋势与商用无线、SATCOM [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与数字领域分离,”比尔斯表示。“对于像无人驾驶车辆这样的空间受限的应用,我们也看到了射频和数字技术的融合。”

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

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,但在功率方面仍然存在相当大的挑战,”卡尔森指出。“无人机任务通常包括某种类型的传感,可能采用雷达或红外传感器的形式,以及通过虚拟实时向目的地或决策者发送信息的通信链路。”

最终,这些挑战对RF和微波界产生了影响 – 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求更高的性能和效率、较小的外形;、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一个主要决定因素,因为“向无人机添加传感系统应该具有经济意义,而不是平台成本的10倍,”卡尔森指出。“因此,高效、集成、成本敏感、紧凑的射频组件仍然是无人系统的基本要素。”

SWaP环境可带来定制解决方案

如果不考虑设计SWaP约束环境,就无法进行无人系统设计。“需要优化系统性能以实现当今的SWaP要求,这促使像MACOM这样的公司利用多种技术的异构集成进行创新,以实现最佳的集成水平,在所需的空间内实现理想的效率水平,”Carlson说。“这可能包括,例如,合并二极管开关,GaAs LNA [砷化镓低噪声放大器],GaN-on-Si PAs [氮化镓硅功率放大器],甚至SOI等技术的组合。基于绝缘体的硅基控制元件,所有这些都在一个封装解决方案中。“

SWaP环境的设计现实意味着定制解决方案。Carlson补充道,“通常在军事领域,射频元件解决方案往往针对特定的终端系统应用进行高度定制,而不是采用商业现货(COTS)方式”。(图1。)

图1:减小尺寸,重量,功耗和成本的设计现实:定制的RF元件

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,“考虑到这些SWaP和成本限制,我们可以达到什么样的性能?”Markman说。

不幸的是,这个问题意味着成本实际上确实受到了冲击并成为设计挑战。需要这种定制解决方案的UAS不仅会影响我们的设计策略,还会影响我们的制造流程,“Beals表示。“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,从而将初始概念加速到批量生产。”

事实上,“无人系统的设计限制推动了RF界的创新,”Beals解释道。“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,以实现我们多年前认为不可能实现的目标。作为一个例子,我们开发了一种GaN固态功率放大器,可以毫不妥协地实现三个看似相互竞争的优先级:高效率,高可靠性和扩展范围。

“随着时间的推移,我们为这些极受SWaP约束的应用开发并改进了一套独特的技术构建模块,”Beals补充说参考RF BGA器件(图2)。这将节省成本:“作为一个例子,我们采用先进的封装技术将多层电路板与球栅阵列技术商业化,以实现极小的外形尺寸和高封装密度。这是最初为面向SWaP约束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的设计者提供了巨大的SWaP优势。

随着任务要求的不断发展,挑战将继续存在; “基于任务要求,我们优化了我们创新的RF和数字构建模块的集成,以同时解决性能和SWaP约束,”Beals说。“我们在设计和制造之间的紧密联系确保了SWaP-C中的C在整个程序生命周期中针对规模进行了优化。”

ISR及EW的考虑

UAS有效载荷正在推动在某些应用中使用RF和微波元件。“有人可能会说,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RF内容,”卡尔森说。“ISR系统通常以阵列的形式实现 – 驱动内容。无人机通信本质上是一个带有单个射频频道的无线电。“

雷达和电子战系统也越来越多地将射频和微波融入无人系统,以实现更快、更多样化的任务。“立即想到两个应用 – 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复杂的环境,“比尔斯说。

Markman指出,“大批量生产的通信终端也会驱动RF内容”,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。”

“这些环境既包括静止物体,也包括其他潜在的无人驾驶系统,”Beals补充道。“现在需要避免无人驾驶车辆之间的碰撞和通信。对于无人驾驶飞行器,还有另外考虑提高着陆方法的精度。将毫米波技术嵌入无人系统,可以在充满挑战的环境条件和/或拥挤的环境中成功完成任务。

“虽然我们通常不会将EW功能与无人驾驶车辆联系起来,但它对未来来说是一个改变游戏规则的行动,特别是当被保护的资产具有高价值或战略价值时,”Beals说。“仅作为一个例子,小型数字RF存储器模块形式的自我保护能力提高了面对电子攻击时任务成功的几率。大型平台上的任何EW功能都代表了将小型化技术移植到无人系统的机会。这是引入平台的全新RF内容。“

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