無(wú)人駕駛飛機(jī)系統(tǒng)（UAS）上的電子足跡繼續(xù)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(shè)計(jì)人員提出創(chuàng)新方法來(lái)提供更低的 SWaP，同時(shí)提高性能并增強(qiáng)平臺(tái)的功能。

軍用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)（UAS）已成為處理情報(bào)、監(jiān)視和偵察（ISR）、電子戰(zhàn)和信號(hào)情報(bào)等任務(wù)的多任務(wù)平臺(tái)。將所有這些功能打包到每個(gè)UAS有效載荷中會(huì)給RF和微波設(shè)計(jì)人員帶來(lái)壓力，他們必須努力應(yīng)對(duì)降低的SWaP要求，而SWaP要求總是伴隨著對(duì)更多功能的需求。

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

一個(gè)主要障礙：“下一代傳感器正在收集更多的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)需要數(shù)據(jù)鏈路子系統(tǒng)來(lái)支持更高的數(shù)據(jù)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(tuán)副總裁兼總經(jīng)理Kevin Beals解釋說(shuō)。

RF和微波設(shè)計(jì)人員在處理已經(jīng)受到SWaP約束的系統(tǒng)時(shí)會(huì)考慮這一整體平臺(tái)設(shè)計(jì)。“從更廣泛的角度來(lái)看，無(wú)人系統(tǒng)正變得越來(lái)越普遍，并將更多的功能打包到不斷縮小的外形中，”Beals說(shuō)。

另一個(gè)復(fù)雜的因素是，用戶“現(xiàn)在正在尋求將曾經(jīng)為大型平臺(tái)保留的技術(shù)，如飛機(jī)的電子戰(zhàn)（EW）用于無(wú)人系統(tǒng)，”比爾斯補(bǔ)充道。

有趣的是，“過(guò)去十年來(lái)，設(shè)計(jì)趨勢(shì)保持相對(duì)不變 - 尺寸，重量，功率和成本（SWaP-C）是每個(gè)軍事客戶和設(shè)計(jì)的重點(diǎn)領(lǐng)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(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路的Ku波段器件，目標(biāo)是使其小巧輕便。

然而，在比較當(dāng)時(shí)和現(xiàn)在的國(guó)防部要求時(shí)，“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(wú)人機(jī)的小平臺(tái)造成了巨大的空間和功率限制，如果沒(méi)有高效、集成、緊湊和輕便的組件，它就無(wú)法執(zhí)行任務(wù)。

Cobham Advanced Electronic Solutions（賓夕法尼亞州蘭斯代爾）先進(jìn)技術(shù)技術(shù)總監(jiān)David Markman表示，除了空間限制外，“今天，大多數(shù)射頻和微波信號(hào)都是以數(shù)字方式生成和檢測(cè)的。這允許客戶實(shí)時(shí)重新配置系統(tǒng)。這種趨勢(shì)與商業(yè)無(wú)線、衛(wèi)星通信和軍事系統(tǒng)類似。

“射頻和微波設(shè)計(jì)的趨勢(shì)不能完全脫離數(shù)字領(lǐng)域，”Beals說(shuō)。“對(duì)于無(wú)人駕駛車輛等空間受限的應(yīng)用，我們也看到了射頻和數(shù)字技術(shù)的融合。

Beals說(shuō)，Mercury Systems圍繞模塊化開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)構(gòu)建了“預(yù)集成的RF和數(shù)字解決方案，包括OpenVPX和OpenRFM”。

功率也是無(wú)人系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)大問(wèn)題。“另一方面，更大平臺(tái)上的有效載荷更大，但在功率方面仍然受到相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，”卡爾森指出。“無(wú)人機(jī)任務(wù)通常包括某種類型的傳感，可能是雷達(dá)或紅外傳感器的形式，以及將信息實(shí)時(shí)發(fā)送到目的地或決策者的通信鏈路。

最終，這些挑戰(zhàn)“對(duì)射頻和微波社區(qū)產(chǎn)生了影響——SWaP-C要求比以往任何時(shí)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(guò)規(guī)模經(jīng)濟(jì)節(jié)省成本，“比爾斯說(shuō)。

成本始終是設(shè)計(jì)這些系統(tǒng)的主要決定因素，因?yàn)椤霸跓o(wú)人機(jī)上添加傳感系統(tǒng)應(yīng)該具有經(jīng)濟(jì)意義，而不是平臺(tái)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(wú)人系統(tǒng)的基本要素。

SWaP 環(huán)境帶來(lái)定制解決方案

如果不考慮針對(duì)SWaP受限環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，無(wú)人系統(tǒng)設(shè)計(jì)是不可能的。Carlson 說(shuō)：“優(yōu)化系統(tǒng)性能以滿足當(dāng)今 SWaP 要求的需求正在推動(dòng)像 MACOM 這樣的公司利用多種技術(shù)的異構(gòu)集成進(jìn)行創(chuàng)新，以在所需的占地面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)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(kāi)關(guān)、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(shù)組合合并到一個(gè)封裝解決方案中。

針對(duì) SWaP 環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)意味著定制解決方案。Carlson補(bǔ)充道，“通常在軍事領(lǐng)域，射頻組件解決方案傾向于針對(duì)特定的終端系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行高度定制，而不是走商用現(xiàn)貨（COTS）路線。

定制解決方案意味著用戶的任務(wù)目標(biāo)決定了設(shè)計(jì)。“SWaP 和成本是當(dāng)今大多數(shù)設(shè)計(jì)的主要考慮因素。在許多情況下，這些參數(shù)是固定的，導(dǎo)致客戶問(wèn)，‘鑒于這些SWaP和成本限制，我們能實(shí)現(xiàn)什么性能？馬克曼說(shuō)。

不幸的是，這個(gè)問(wèn)題意味著成本實(shí)際上確實(shí)受到了打擊，并成為設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。Beals表示，需要這種定制解決方案的UAS“不僅影響我們的設(shè)計(jì)策略，還影響我們的制造流程”。“對(duì)于后者，我們的設(shè)計(jì)師正在與我們的制造團(tuán)隊(duì)更緊密地合作，以確保無(wú)縫、經(jīng)濟(jì)高效的過(guò)渡，以加速最初的概念到批量生產(chǎn)。

事實(shí)上，“無(wú)人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)限制推動(dòng)了射頻社區(qū)創(chuàng)新的界限，”Beals解釋說(shuō)。“無(wú)人系統(tǒng)正在推動(dòng)我們的設(shè)計(jì)工程師將技術(shù)、先進(jìn)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(rèn)為不可能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。例如，我們開(kāi)發(fā)了一種GaN固態(tài)功率放大器，它毫不妥協(xié)地實(shí)現(xiàn)了三個(gè)看似相互競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)先事項(xiàng)：高效率、高可靠性和擴(kuò)展范圍。

“隨著時(shí)間的推移，我們已經(jīng)為這些SWaP限制極強(qiáng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)并完善了一套獨(dú)特的技術(shù)構(gòu)建模塊，”Beals補(bǔ)充說(shuō)，參考了RF BGA器件。這將節(jié)省成本：“例如，我們將一種先進(jìn)的封裝技術(shù)商業(yè)化，使用多層電路板和球柵陣列技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)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(tái)開(kāi)發(fā)的創(chuàng)新示例，但基本構(gòu)建模塊也為無(wú)人系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了巨大的SWaP優(yōu)勢(shì)。

隨著特派團(tuán)需求隨著時(shí)間的推移而變化，這一挑戰(zhàn)將繼續(xù)存在。Beals說(shuō)：“根據(jù)任務(wù)要求，我們優(yōu)化了創(chuàng)新的射頻和數(shù)字構(gòu)建模塊的集成，以同時(shí)解決性能和SWaP限制。“我們?cè)谠O(shè)計(jì)和制造之間的緊密聯(lián)系確保了SWaP-C中的’C‘在整個(gè)項(xiàng)目生命周期中針對(duì)規(guī)模進(jìn)行了優(yōu)化。

ISR，電子戰(zhàn)也在董事會(huì)上

UAS有效載荷正在推動(dòng)射頻和微波組件在某些應(yīng)用中的使用。“有人可能會(huì)爭(zhēng)辯說(shuō)，與無(wú)人機(jī)通信相比，ISR（情報(bào)、監(jiān)視和偵察）有效載荷通常包含最高的射頻含量，”卡爾森說(shuō)。“ISR 系統(tǒng)通常以陣列的形式實(shí)施 - 驅(qū)動(dòng)內(nèi)容。無(wú)人機(jī)通信本質(zhì)上是一種具有單個(gè)射頻信道的無(wú)線電。

雷達(dá)和電子戰(zhàn)系統(tǒng)也越來(lái)越多地將射頻和微波整合到無(wú)人系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)更快、多方面的任務(wù)。“兩個(gè)應(yīng)用立即浮現(xiàn)在腦海中——雷達(dá)和電子戰(zhàn)。無(wú)人駕駛車輛需要在任何類型的天氣條件下穿越擁擠的環(huán)境，“比爾斯說(shuō)。

Markman指出，“大量生產(chǎn)的通信終端也會(huì)驅(qū)動(dòng)射頻含量”，并補(bǔ)充說(shuō)，“大型有源相控陣具有大量的元件含量，這與元件數(shù)量成正比。

“這些環(huán)境包括靜止物體和潛在的其他運(yùn)動(dòng)無(wú)人系統(tǒng)，”比爾斯補(bǔ)充道。“無(wú)人駕駛車輛之間的防撞和通信現(xiàn)在是一項(xiàng)要求。對(duì)于無(wú)人機(jī)，還有提高著陸進(jìn)近精度的額外考慮。將毫米波技術(shù)嵌入無(wú)人系統(tǒng)，在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境條件和/或擁擠的環(huán)境中，任務(wù)的成功與失敗是決定性的。

“雖然我們通常不會(huì)將電子戰(zhàn)功能與無(wú)人駕駛車輛聯(lián)系起來(lái)，但它是未來(lái)的游戲規(guī)則改變者，特別是當(dāng)被保護(hù)的資產(chǎn)具有很高的貨幣或戰(zhàn)略價(jià)值時(shí)，”比爾斯說(shuō)。“僅舉一個(gè)例子，小型化數(shù)字射頻存儲(chǔ)模塊形式的自我保護(hù)功能提高了面對(duì)電子攻擊時(shí)任務(wù)成功的幾率。更大平臺(tái)上存在的任何電子戰(zhàn)功能都代表了將該技術(shù)的小型化版本移植到無(wú)人系統(tǒng)的機(jī)會(huì)。這是引入平臺(tái)的全新射頻內(nèi)容。

審核編輯：郭婷