無人駕駛飛機系統（UAS）上的電子足跡繼續縮小。這些減小的尺寸、重量和功耗 （SWaP） 要求促使射頻 （RF） 和微波設計人員提出創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（UAS）已成為處理情報、監視和偵察（ISR）、電子戰和信號情報等任務的多任務平臺。將所有這些功能打包到每個UAS有效載荷中會給RF和微波設計人員帶來壓力，他們必須努力應對降低的SWaP要求，而SWaP要求總是伴隨著對更多功能的需求。

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

一個主要障礙：“下一代傳感器正在收集更多的數據，這些數據需要數據鏈路子系統來支持更高的數據速率和傳輸范圍，”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理Kevin Beals解釋說。

RF和微波設計人員在處理已經受到SWaP約束的系統時會考慮這一整體平臺設計。“從更廣泛的角度來看，無人系統正變得越來越普遍，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“現在正在尋求將曾經為大型平臺保留的技術，如飛機的電子戰（EW）用于無人系統，”比爾斯補充道。

有趣的是，“過去十年來，設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計的重點領域，”MACOM的Carlson指出。“多年前，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據鏈路的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。“一方面，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，它就無法執行任務。

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

“射頻和微波設計的趨勢不能完全脫離數字領域，”Beals說。“對于無人駕駛車輛等空間受限的應用，我們也看到了射頻和數字技術的融合。

Beals說，Mercury Systems圍繞模塊化開放系統架構構建了“預集成的RF和數字解決方案，包括OpenVPX和OpenRFM”。

功率也是無人系統設計中的一個大問題。“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，”卡爾森指出。“無人機任務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，以及將信息實時發送到目的地或決策者的通信鏈路。

最終，這些挑戰“對射頻和微波社區產生了影響——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，通過規模經濟節省成本，“比爾斯說。

成本始終是設計這些系統的主要決定因素，因為“在無人機上添加傳感系統應該具有經濟意義，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的基本要素。

SWaP 環境帶來定制解決方案

如果不考慮針對SWaP受限環境進行設計，無人系統設計是不可能的。Carlson 說：“優化系統性能以滿足當今 SWaP 要求的需求正在推動像 MACOM 這樣的公司利用多種技術的異構集成進行創新，以在所需的占地面積內實現最佳集成水平和理想的效率水平。“這可能包括，例如，將二極管開關、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）的控制組件等技術組合合并到一個封裝解決方案中。

針對 SWaP 環境進行設計的現實意味著定制解決方案。Carlson補充道，“通常在軍事領域，射頻組件解決方案傾向于針對特定的終端系統應用進行高度定制，而不是走商用現貨（COTS）路線。

定制解決方案意味著用戶的任務目標決定了設計。“SWaP 和成本是當今大多數設計的主要考慮因素。在許多情況下，這些參數是固定的，導致客戶問，‘鑒于這些SWaP和成本限制，我們能實現什么性能？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，并成為設計挑戰。Beals表示，需要這種定制解決方案的UAS“不僅影響我們的設計策略，還影響我們的制造流程”。“對于后者，我們的設計師正在與我們的制造團隊更緊密地合作，以確保無縫、經濟高效的過渡，以加速最初的概念到批量生產。

事實上，“無人系統的設計限制推動了射頻社區創新的界限，”Beals解釋說。“無人系統正在推動我們的設計工程師將技術、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的目標。例如，我們開發了一種GaN固態功率放大器，它毫不妥協地實現了三個看似相互競爭的優先事項：高效率、高可靠性和擴展范圍。

“隨著時間的推移，我們已經為這些SWaP限制極強的應用開發并完善了一套獨特的技術構建模塊，”Beals補充說，參考了RF BGA器件。這將節省成本：“例如，我們將一種先進的封裝技術商業化，使用多層電路板和球柵陣列技術來實現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的創新示例，但基本構建模塊也為無人系統設計人員提供了巨大的SWaP優勢。

隨著特派團需求隨著時間的推移而變化，這一挑戰將繼續存在。Beals說：“根據任務要求，我們優化了創新的射頻和數字構建模塊的集成，以同時解決性能和SWaP限制。“我們在設計和制造之間的緊密聯系確保了SWaP-C中的’C‘在整個項目生命周期中針對規模進行了優化。

ISR，電子戰也在董事會上

UAS有效載荷正在推動射頻和微波組件在某些應用中的使用。“有人可能會爭辯說，與無人機通信相比，ISR（情報、監視和偵察）有效載荷通常包含最高的射頻含量，”卡爾森說。“ISR 系統通常以陣列的形式實施 - 驅動內容。無人機通信本質上是一種具有單個射頻信道的無線電。

雷達和電子戰系統也越來越多地將射頻和微波整合到無人系統中，以實現更快、多方面的任務。“兩個應用立即浮現在腦海中——雷達和電子戰。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境，“比爾斯說。

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

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

“雖然我們通常不會將電子戰功能與無人駕駛車輛聯系起來，但它是未來的游戲規則改變者，特別是當被保護的資產具有很高的貨幣或戰略價值時，”比爾斯說。“僅舉一個例子，小型化數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成功的幾率。更大平臺上存在的任何電子戰功能都代表了將該技術的小型化版本移植到無人系統的機會。這是引入平臺的全新射頻內容。

審核編輯：郭婷