無人機(jī)機(jī)載測控設(shè)備的小型化設(shè)計

楊志成/中國人民解放軍92419部隊(duì)

針對無人機(jī)型號多樣和一站多機(jī)控制模式的實(shí)際情況，研制一型能滿足多型無人機(jī)測控使用需求的小型通用機(jī)載測控設(shè)備，以解決測控系統(tǒng)重復(fù)建設(shè)造成的資源浪費(fèi)。從提高集成化程度、縮小模塊體積以及降低結(jié)構(gòu)件重量展開設(shè)計，提出了實(shí)施方案，重點(diǎn)解決了小型化設(shè)計過程中的電磁兼容以及散熱問題。對設(shè)計完成的機(jī)載測控設(shè)備進(jìn)行了熱仿真試驗(yàn)，仿真結(jié)果表明散熱良好。實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)證明,該型機(jī)載測控設(shè)備經(jīng)過小型化設(shè)計以后，適裝于多型無人機(jī)，可完成一站多機(jī)的無人機(jī)飛行遙控遙測，節(jié)約了測控系統(tǒng)建設(shè)成本。

隨著無人機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，無人機(jī)發(fā)展呈現(xiàn)型號復(fù)雜化、尺寸小型化、應(yīng)用模式多樣化等趨勢，測控系統(tǒng)作為無人機(jī)的重要組成部分，為了滿足無人機(jī)型號多、裝載空間不統(tǒng)一、使用模式多樣等實(shí)際需要，其機(jī)載測控設(shè)備設(shè)計應(yīng)用必將向小型化、通用化方向發(fā)展。

目前，測控系統(tǒng)一站多機(jī)測控模式的通信體制分為空分多址體制、頻分多址體制、碼分多址體制以及時分多址體制等。存在的問題是：基于相控陣天線的空分多址體制設(shè)備建設(shè)成本高；基于數(shù)傳電臺的時分多址體制的信息傳輸實(shí)時性較低；而頻分+碼分的擴(kuò)頻測控體制雖然可靠性高，信息傳輸實(shí)時性強(qiáng)，成本較低，但一站多機(jī)控制模式造成機(jī)載終端復(fù)雜度高，體積重量大。因此，基于滿足多型號無人機(jī)的裝機(jī)要求以及一站多機(jī)的控制模式，避免重復(fù)建設(shè)測控設(shè)備而節(jié)約成本，研制一種能夠同時滿足多型號無人機(jī)編隊(duì)使用要求且小型化的通用機(jī)載測控設(shè)備是相當(dāng)必要的。

無人機(jī)機(jī)載測控設(shè)備小型化設(shè)計

無人機(jī)機(jī)載測控設(shè)備若要實(shí)現(xiàn)小型化，可以從以下三個方面進(jìn)行設(shè)計：一是提高系統(tǒng)集成化程度，提高系統(tǒng)模塊整合度，減少模塊間的物理接口；二是從縮小模塊體積考慮，簡化模塊功能，選用小尺寸微封裝元件進(jìn)行模塊設(shè)計；三是降低機(jī)載測控設(shè)備結(jié)構(gòu)件重量，使用緊湊化設(shè)計，選用輕質(zhì)材料。

無人機(jī)機(jī)載測控設(shè)備小型化實(shí)現(xiàn)

下面從提高機(jī)載測控模塊集成度、縮小機(jī)載測控模塊體積以及降低機(jī)載測控結(jié)構(gòu)件重量三方面，詳述實(shí)現(xiàn)無人機(jī)機(jī)載測控設(shè)備小型化的方法。

提高機(jī)載測控模塊集成度

機(jī)載測控模塊內(nèi)部包含多個功能模塊，物理上將其整合為信道模塊和信號處理模塊。整合后，信道模塊主要處理模擬信號，信號處理模塊主要處理數(shù)字信號。信道模塊將狀態(tài)和工作模式上報，由信號處理模塊統(tǒng)一管控。模塊間以微矩型低頻接插件和微型高頻接插件進(jìn)行信號交換。模塊集成設(shè)計見表1。

表1 機(jī)載測控設(shè)備模塊集成設(shè)計

縮小機(jī)載測控模塊體積

模塊內(nèi)盡量以印制線和芯片內(nèi)部存儲區(qū)作為數(shù)據(jù)交換通路；信道模塊內(nèi)部采用統(tǒng)一工作電壓減小電源尺寸；降低參考信號要求減小晶振尺寸；使用高效功放降低功放尺寸；采用一次變頻降低信道尺寸，同時減少本振數(shù)量。信號處理模塊內(nèi)部以FPGA、DSP為核心，輔以外圍，設(shè)計類CPU架構(gòu)的信息處理平臺，內(nèi)部劃分多個功能塊實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。硬件上采用高密度互連技術(shù)達(dá)到板級最小化，對于終端內(nèi)部占比重較大的雙工器、功放以及濾波器，特殊考慮如下。

（1）雙工器

影響雙工器重量的指標(biāo)主要有隔離度和插損。高隔離度主要用來抑制功放發(fā)射信號向接收端的輻射，避免接收端飽和或者損壞；低插損主要用來保證到達(dá)接收端的上行信號幅度，避免靈敏度不足。功放發(fā)射最大功率為5W，接收端通常使用預(yù)選器來抑制帶外雜散，由于收發(fā)頻率頻差較大，預(yù)選器抑制可以較容易做到50dB以上，而接收端場放飽和功率通常在0dBm左右，因此可以適當(dāng)降低雙工器隔離度的指標(biāo)。通過鏈路參數(shù)計算中可以看出，由于地面定向天線的高增益，使得上行鏈路裕量較大?？廴ユ溌吩Ａ浚瑢C(jī)載測控設(shè)備的靈敏度要求可以適當(dāng)降低，即雙工器插損可以適當(dāng)增加，以減小器件尺寸。

（2）功放

影響功放重量的指標(biāo)主要是輸出功率和效率。機(jī)載測控設(shè)備工作環(huán)境中無主動散熱措施，只能通過散熱面自然散熱，因此散熱面積必須保證。考慮到功放散熱面積需求，最有效的辦法是提高功放效率，從而降低熱耗。功放熱耗最大部位為末級放大管，常規(guī)末級放大管使用砷化鎵（GaAs）管，它的效率較低，一般在30%～40%。而選用GaN（氮化鎵）管，具有更強(qiáng)的耐高溫、耐輻射能力，在高效、高溫、小體積要求下具有更大的優(yōu)勢，效率可以達(dá)到60%以上，因而能夠大大降低熱耗，滿足散熱面積需求。

（3）濾波器

影響濾波器重量的指標(biāo)主要是工作頻段、插損和抑制度。中頻濾波器可以做得很小，射頻濾波器有腔體濾波器和介質(zhì)濾波器兩種，腔體濾波器插損小，抑制度很高但體積較大；而介質(zhì)濾波器體積小，在滿足電氣指標(biāo)要求的情況下，可以選用介質(zhì)濾波器。

表2 機(jī)載測控設(shè)備熱耗預(yù)計

圖1 熱仿真圖

降低機(jī)載測控結(jié)構(gòu)件重量

對信道模塊和信號處理模塊進(jìn)行一體化設(shè)計，減少蓋板和螺釘數(shù)量；對散熱齒齒形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，在相同散熱面積情況下，降低散熱齒部分結(jié)構(gòu)重量。

機(jī)載測控設(shè)備小型化問題解決

無人機(jī)機(jī)載測控設(shè)備小型化需要重點(diǎn)解決兩個問題，一是電磁兼容問題，二是散熱問題，下面針對此情況，分別詳述解決方法。

電磁兼容

機(jī)載測控設(shè)備的電磁兼容包括模塊間電磁兼容和模塊內(nèi)電磁兼容。

模塊間電磁兼容主要指信道模塊和信號處理模塊間的電磁兼容。整合后的信道模塊主要處理模擬信號，信號處理模塊主要處理數(shù)字信號，降低模數(shù)之間的串?dāng)_。而易形成干擾源的電源和晶振，遠(yuǎn)離低頻敏感的信號處理模塊，可提高數(shù)字信號處理工作穩(wěn)定性。此外，模塊間互連的低頻信號設(shè)計傳輸?shù)退贁?shù)據(jù)，敏感信號之間使用地線隔離；模塊間互連的高頻信號設(shè)計為低電平，物理上遠(yuǎn)離低頻信號。

模塊內(nèi)電磁兼容處理，一是將信道模塊中的電源和晶振采取屏蔽隔離，上下行信道通過仿真選擇合適的中頻，降低交調(diào)干擾；二是將信號處理模塊設(shè)計為一個獨(dú)立的印制板，避免高頻或大峰值信號。此外，經(jīng)合理進(jìn)行布局，將敏感部位和干擾部位遠(yuǎn)離放置，必要時采取屏蔽措施。

散熱處理

機(jī)載測控設(shè)備模塊內(nèi)部熱耗較大的部位有信道模塊的功放、電源和信號處理模塊的CPU（FPGA），因此需要采取必要的措施減小熱耗。一是如前所述采用高效功放技術(shù)，末級放大器效率可到達(dá)60%以上，比普通功放效率提高近一倍，從而降低功放的熱耗。二是降低DC-DC電源輸出路數(shù)，采用統(tǒng)一輸出電壓，提高電源效率，從而降低電源的熱耗。三是選用低電壓低功耗的CPU（FPGA）系列產(chǎn)品，降低信號處理模塊的熱耗。同時，在熱量集中的區(qū)域采取特殊手段來降低熱阻，并輔以熱分析軟件進(jìn)行仿真，從而指導(dǎo)設(shè)計。

運(yùn)用熱分析軟件進(jìn)行仿真的結(jié)果如圖1所示，從圖中可見盒體平均溫升12℃，散熱齒上局部溫度接近40℃，整個腔體散熱良好。

經(jīng)散熱處理，無人機(jī)機(jī)載測控終端內(nèi)部各模塊的熱耗預(yù)計如表2所示。此外，機(jī)載測控設(shè)備整機(jī)底部實(shí)現(xiàn)傳導(dǎo)散熱，頂部實(shí)現(xiàn)自然散熱，因此底部安裝面與無人機(jī)設(shè)備艙散熱面緊貼安裝，必要時輔助導(dǎo)熱膠提高傳熱效果，頂部靠近設(shè)備艙散熱面，有條件的情況下留出風(fēng)道。安放位置避免靠近無人機(jī)主要熱源，如發(fā)動機(jī)、排氣管等。

結(jié)論

實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該型通用機(jī)載測控設(shè)備經(jīng)過小型化設(shè)計以后，適裝于多種型號的無人機(jī)，各項(xiàng)功能指標(biāo)工作正常，多次參與了無人機(jī)的實(shí)際飛行，成功完成了無人機(jī)遙控遙測任務(wù)?！?/p>

（參考文獻(xiàn)：略。如有需要，請聯(lián)系編輯部。編輯：李悅霖）