无人机系统对SWaP的严格要求为设计人员带来巨大挑战

宽禁带半导体技术创新联盟 发表于 2018-05-15 11:52:38 收藏 已收藏
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无人机系统对SWaP的严格要求为设计人员带来巨大挑战

宽禁带半导体技术创新联盟 发表于 2018-05-15 11:52:38

随着无人机系统电子器件占地面积持续缩小,对尺寸、重量和功率(SWaP)持续减小的要求使射频和微波设计人员寻求创新方法来解决这些问题,同时提高电子器件性能并增强无人机平台功能。MACOM公司、水星系统公司和科巴姆公司相关负责人员就射频和微波设计领域创新和应用等方面发表自己观点,具体如下。

随着军事无人机系统日益成为情报、监视和侦察、电子战和信号情报等多任务处理平台,如何将上述这些能力在无人机系统中进行封装,且电子元器件的占地面积要小,为射频和微波设计人员带来不小压力。

无人机系统对SWaP的严格要求为设计人员带来巨大挑战

MACOM公司负责战略的副总裁Doug Carlson表示,目前,无人新系统从小型无人机到大型无人机系统都为设计人员带来了巨大挑战。过去10年间,尺寸、重量、功率和成本(SWaP-C)始终是军事用户设计的关键重点。多年前,MACOM公司的首个单芯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波段器件,其目标是使无人机小巧轻便。与过去相比,目前的射频组件必须比以前更小、更高集成度和更轻,为无人机小型平台履行更多使命提供条件。同时,功率也是无人系统设计中的一个大问题。在成本方面,Carlson认为,成本始终是设计这些系统的主要决定因素,从而高效、集成化、成本敏感型和紧凑的射频组件成为无人系统的基本选择。

科巴姆先进电子解决方案公司先进技术部技术总监David Markman表示,除了空间限制外,目前大多数射频和微波信号都是数字化生成和检测的,这使用户能够实时重新配置系统。

水星系统公司射频和微波解决方案事业部副总裁兼总经理Kevin Beals表示,当前无人系统设计面临的一个主要障碍是:无人机系统日益普及,拥有更多功能的无人系统需要更多新一代传感器实现这些功能,从而支持更高的数据速率和传输距离。在处理SWaP受限系统时,射频和微波设计人员将这种整体平台设计考虑在内。另一个复杂考虑因素是用户正在寻求更多适用于大型无人平台的技术,例如将电子战技术用于无人系统。

Beals指出,“射频和微波设计的趋势不能完全与数字领域分离。对于像无人驾驶车辆这样的空间受限应用,我们也看到了射频和数字技术的融合。水星系统公司构建‘围绕模块化开放系统架构(OpenVPX和OpenRFM)预先集成的射频和数字化解决方案’”,如图1。在成本方面,Beals认为,这些设计方面的挑战“对射频和微波行业意味着SWaP-C的要求比以往任何时候都更加极端。首先,军事用户正在寻求更高的性能和效率;其次,更小的外形尺寸;第三,通过规模经济节省成本。

图1  水星系统公司小型化坚固型射频多芯片模块

SWaP环境衍生出定制化解决方案

如果没有考虑设计SWaP受限的环境,无人系统设计就不可能实现。MACOM公司负责战略的副总裁Doug Carlson表示,实现当前SWaP要求的系统性能优化正在推动像MACOM这样的公司利用多种技术的异构集成进行创新,以达到最佳集成水平,并且在所需的占地面积内具有理想的效率水平。这可能包括,例如合并诸如二极管开关、砷化镓低噪放大器、砷化镓衬底上氮化镓功率放大器等GaAs LNA或绝缘体上硅基控制组件,全部采用单一封装解决方案。为SWaP环境设计意味着定制解决方案。通常在军事领域,射频组件解决方案往往会针对特定的终端系统应用进行高度定制,而不是采用商用现成(COTS)的方式,如图2。

图2  减小的尺寸、重量、功率和成本的设计现状:定制射频元件

定制解决方案意味着用户的使命目标决定了设计。科巴姆先进电子解决方案公司先进技术部技术总监David Markman表示,SWaP和成本是当今大多数设计的主要考虑因素。在很多情况下,这些设计参数是固定的,这通常会导致客户产生在SWaP和成本限制下能实现何种性能的疑问。

水星系统公司射频和微波解决方案事业部副总裁兼总经理Kevin Beals认为,需要这种定制解决方案的无人机系统影响是水星系统公司的设计战略和制造流程。对于后者,该公司设计团队与制造团队紧密合作,以确保实现无缝、经济高效的过渡,从而将初始概念加速到批量生产。无人系统的设计限制推动了射频领域的创新,无人系统正在推动设计工程师将技术、先进的非线性建模和可制造性融合在一起,以实现之前不可能实现的目标。例如,水星系统公司开发了一款GaN固态功率放大器,可以在不妥协的情况下实现三个看似相互竞争的优先事项:高效率、高可靠性和扩展范围。

另外,该公司已经开发和完善了一套独特的技术构建模块,用于这些SWaP限制的应用程序,这将节省成本。例如,该公司通过采用球栅阵列技术的多层电路板实现了先进的封装技术,实现了令人难以置信的小尺寸和高封装密度。同时,该公司优化了创新的射频和数字构建模块的集成,以同时解决性能和SWaP受限。

未来电路板中也将集成情报、监视和侦察、电子战等功能

无人机系统有效载荷在某些应用中推动使用射频和微波组件。雷达和电子战系统也越来越多地将射频和微波集成至无人系统中,以实现更快速、多方面的任务。

MACOM公司负责战略的副总裁Doug Carlson表示,有些人认为,与无人机通信相比,情报、监视和侦察系统有效载荷通常囊括最高的射频内容。ISR系统通常以阵列形式实现。实质上,无人机通信是带有单个射频信道的无线电。

科巴姆先进电子解决方案公司先进技术部技术总监David Markman指出,大批量生产的通信终端也能驱动射频内容,大型有源相控阵具有大量组件数量,这与元件数量成正比。

水星系统公司射频和微波解决方案事业部副总裁兼总经理Kevin Beals认为,雷达和电子战系统是两个射频领域应用的例子,无人驾驶车辆需要在任意天气条件下拥挤的环境进行导航。这些环境包括静止目标和潜在的其他无人运动系统。无人驾驶车辆之间的避碰和通信现在是一项要求。对于无人机来说,还需要考虑提高着陆方法的精确度。在无人系统中嵌入毫米波技术使得在具有挑战性的环境条件和/或拥挤的环境中成功和失败的任务有所不同。通常情况下,虽然我们不会将电子战功能与无人驾驶车辆联系起来,但这对未来而言是一种改变游戏规则的技术,尤其是当受保护的资产具有较高的货币或战略价值时。仅举一个例子,小型化数字射频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。在更大的平台上提供的任何电子战功能意味着将该技术的小型化版本移植到无人系统的机会。这是引入该平台的全新射频内容。”

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