無人機系統(tǒng)對SWaP的嚴格要求為設(shè)計人員帶來巨大挑戰(zhàn)

隨著無人機系統(tǒng)電子器件占地面積持續(xù)縮小，對尺寸、重量和功率（SWaP）持續(xù)減小的要求使射頻和微波設(shè)計人員尋求創(chuàng)新方法來解決這些問題，同時提高電子器件性能并增強無人機平臺功能。MACOM公司、水星系統(tǒng)公司和科巴姆公司相關(guān)負責(zé)人員就射頻和微波設(shè)計領(lǐng)域創(chuàng)新和應(yīng)用等方面發(fā)表自己觀點，具體如下。

隨著軍事無人機系統(tǒng)日益成為情報、監(jiān)視和偵察、電子戰(zhàn)和信號情報等多任務(wù)處理平臺，如何將上述這些能力在無人機系統(tǒng)中進行封裝，且電子元器件的占地面積要小，為射頻和微波設(shè)計人員帶來不小壓力。

無人機系統(tǒng)對SWaP的嚴格要求為設(shè)計人員帶來巨大挑戰(zhàn)

MACOM公司負責(zé)戰(zhàn)略的副總裁Doug Carlson表示，目前，無人新系統(tǒng)從小型無人機到大型無人機系統(tǒng)都為設(shè)計人員帶來了巨大挑戰(zhàn)。過去10年間，尺寸、重量、功率和成本（SWaP-C）始終是軍事用戶設(shè)計的關(guān)鍵重點。多年前，MACOM公司的首個單芯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，其目標是使無人機小巧輕便。與過去相比，目前的射頻組件必須比以前更小、更高集成度和更輕，為無人機小型平臺履行更多使命提供條件。同時，功率也是無人系統(tǒng)設(shè)計中的一個大問題。在成本方面，Carlson認為，成本始終是設(shè)計這些系統(tǒng)的主要決定因素，從而高效、集成化、成本敏感型和緊湊的射頻組件成為無人系統(tǒng)的基本選擇。

科巴姆先進電子解決方案公司先進技術(shù)部技術(shù)總監(jiān)David Markman表示，除了空間限制外，目前大多數(shù)射頻和微波信號都是數(shù)字化生成和檢測的，這使用戶能夠?qū)崟r重新配置系統(tǒng)。

水星系統(tǒng)公司射頻和微波解決方案事業(yè)部副總裁兼總經(jīng)理Kevin Beals表示，當前無人系統(tǒng)設(shè)計面臨的一個主要障礙是：無人機系統(tǒng)日益普及，擁有更多功能的無人系統(tǒng)需要更多新一代傳感器實現(xiàn)這些功能，從而支持更高的數(shù)據(jù)速率和傳輸距離。在處理SWaP受限系統(tǒng)時，射頻和微波設(shè)計人員將這種整體平臺設(shè)計考慮在內(nèi)。另一個復(fù)雜考慮因素是用戶正在尋求更多適用于大型無人平臺的技術(shù)，例如將電子戰(zhàn)技術(shù)用于無人系統(tǒng)。

Beals指出，“射頻和微波設(shè)計的趨勢不能完全與數(shù)字領(lǐng)域分離。對于像無人駕駛車輛這樣的空間受限應(yīng)用，我們也看到了射頻和數(shù)字技術(shù)的融合。水星系統(tǒng)公司構(gòu)建‘圍繞模塊化開放系統(tǒng)架構(gòu)（OpenVPX和OpenRFM）預(yù)先集成的射頻和數(shù)字化解決方案’”，如圖1。在成本方面，Beals認為，這些設(shè)計方面的挑戰(zhàn)“對射頻和微波行業(yè)意味著SWaP-C的要求比以往任何時候都更加極端。首先，軍事用戶正在尋求更高的性能和效率；其次，更小的外形尺寸；第三，通過規(guī)模經(jīng)濟節(jié)省成本。

圖1 水星系統(tǒng)公司小型化堅固型射頻多芯片模塊

SWaP環(huán)境衍生出定制化解決方案

如果沒有考慮設(shè)計SWaP受限的環(huán)境，無人系統(tǒng)設(shè)計就不可能實現(xiàn)。MACOM公司負責(zé)戰(zhàn)略的副總裁Doug Carlson表示，實現(xiàn)當前SWaP要求的系統(tǒng)性能優(yōu)化正在推動像MACOM這樣的公司利用多種技術(shù)的異構(gòu)集成進行創(chuàng)新，以達到最佳集成水平，并且在所需的占地面積內(nèi)具有理想的效率水平。這可能包括，例如合并諸如二極管開關(guān)、砷化鎵低噪放大器、砷化鎵襯底上氮化鎵功率放大器等GaAs LNA或絕緣體上硅基控制組件，全部采用單一封裝解決方案。為SWaP環(huán)境設(shè)計意味著定制解決方案。通常在軍事領(lǐng)域，射頻組件解決方案往往會針對特定的終端系統(tǒng)應(yīng)用進行高度定制，而不是采用商用現(xiàn)成（COTS）的方式，如圖2。

圖2減小的尺寸、重量、功率和成本的設(shè)計現(xiàn)狀：定制射頻元件

定制解決方案意味著用戶的使命目標決定了設(shè)計?？瓢湍废冗M電子解決方案公司先進技術(shù)部技術(shù)總監(jiān)David Markman表示，SWaP和成本是當今大多數(shù)設(shè)計的主要考慮因素。在很多情況下，這些設(shè)計參數(shù)是固定的，這通常會導(dǎo)致客戶產(chǎn)生在SWaP和成本限制下能實現(xiàn)何種性能的疑問。

水星系統(tǒng)公司射頻和微波解決方案事業(yè)部副總裁兼總經(jīng)理Kevin Beals認為，需要這種定制解決方案的無人機系統(tǒng)影響是水星系統(tǒng)公司的設(shè)計戰(zhàn)略和制造流程。對于后者，該公司設(shè)計團隊與制造團隊緊密合作，以確保實現(xiàn)無縫、經(jīng)濟高效的過渡，從而將初始概念加速到批量生產(chǎn)。無人系統(tǒng)的設(shè)計限制推動了射頻領(lǐng)域的創(chuàng)新，無人系統(tǒng)正在推動設(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，以實現(xiàn)之前不可能實現(xiàn)的目標。例如，水星系統(tǒng)公司開發(fā)了一款GaN固態(tài)功率放大器，可以在不妥協(xié)的情況下實現(xiàn)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。

另外，該公司已經(jīng)開發(fā)和完善了一套獨特的技術(shù)構(gòu)建模塊，用于這些SWaP限制的應(yīng)用程序，這將節(jié)省成本。例如，該公司通過采用球柵陣列技術(shù)的多層電路板實現(xiàn)了先進的封裝技術(shù)，實現(xiàn)了令人難以置信的小尺寸和高封裝密度。同時，該公司優(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受限。

未來電路板中也將集成情報、監(jiān)視和偵察、電子戰(zhàn)等功能

無人機系統(tǒng)有效載荷在某些應(yīng)用中推動使用射頻和微波組件。雷達和電子戰(zhàn)系統(tǒng)也越來越多地將射頻和微波集成至無人系統(tǒng)中，以實現(xiàn)更快速、多方面的任務(wù)。

MACOM公司負責(zé)戰(zhàn)略的副總裁Doug Carlson表示，有些人認為，與無人機通信相比，情報、監(jiān)視和偵察系統(tǒng)有效載荷通常囊括最高的射頻內(nèi)容。ISR系統(tǒng)通常以陣列形式實現(xiàn)。實質(zhì)上，無人機通信是帶有單個射頻信道的無線電。

科巴姆先進電子解決方案公司先進技術(shù)部技術(shù)總監(jiān)David Markman指出，大批量生產(chǎn)的通信終端也能驅(qū)動射頻內(nèi)容，大型有源相控陣具有大量組件數(shù)量，這與元件數(shù)量成正比。

水星系統(tǒng)公司射頻和微波解決方案事業(yè)部副總裁兼總經(jīng)理Kevin Beals認為，雷達和電子戰(zhàn)系統(tǒng)是兩個射頻領(lǐng)域應(yīng)用的例子，無人駕駛車輛需要在任意天氣條件下?lián)頂D的環(huán)境進行導(dǎo)航。這些環(huán)境包括靜止目標和潛在的其他無人運動系統(tǒng)。無人駕駛車輛之間的避碰和通信現(xiàn)在是一項要求。對于無人機來說，還需要考慮提高著陸方法的精確度。在無人系統(tǒng)中嵌入毫米波技術(shù)使得在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境條件和/或擁擠的環(huán)境中成功和失敗的任務(wù)有所不同。通常情況下，雖然我們不會將電子戰(zhàn)功能與無人駕駛車輛聯(lián)系起來，但這對未來而言是一種改變游戲規(guī)則的技術(shù)，尤其是當受保護的資產(chǎn)具有較高的貨幣或戰(zhàn)略價值時。僅舉一個例子，小型化數(shù)字射頻存儲器模塊形式的自我保護能力提高了面對電子攻擊時任務(wù)成功的幾率。在更大的平臺上提供的任何電子戰(zhàn)功能意味著將該技術(shù)的小型化版本移植到無人系統(tǒng)的機會。這是引入該平臺的全新射頻內(nèi)容。”