无人机机载测控设备的小型化设计

2019-01-30杨志成中国人民解放军92419部队

无人机 2018年11期

杨志成/中国人民解放军92419部队

针对无人机型号多样和一站多机控制模式的实际情况，研制一型能满足多型无人机测控使用需求的小型通用机载测控设备，以解决测控系统重复建设造成的资源浪费。从提高集成化程度、缩小模块体积以及降低结构件重量展开设计，提出了实施方案，重点解决了小型化设计过程中的电磁兼容以及散热问题。对设计完成的机载测控设备进行了热仿真试验，仿真结果表明散热良好。实际应用经验证明,该型机载测控设备经过小型化设计以后，适装于多型无人机，可完成一站多机的无人机飞行遥控遥测，节约了测控系统建设成本。

随着无人机技术的飞速发展，无人机发展呈现型号复杂化、尺寸小型化、应用模式多样化等趋势，测控系统作为无人机的重要组成部分，为了满足无人机型号多、装载空间不统一、使用模式多样等实际需要，其机载测控设备设计应用必将向小型化、通用化方向发展。

目前，测控系统一站多机测控模式的通信体制分为空分多址体制、频分多址体制、码分多址体制以及时分多址体制等。存在的问题是：基于相控阵天线的空分多址体制设备建设成本高；基于数传电台的时分多址体制的信息传输实时性较低；而频分+码分的扩频测控体制虽然可靠性高，信息传输实时性强，成本较低，但一站多机控制模式造成机载终端复杂度高，体积重量大。因此，基于满足多型号无人机的装机要求以及一站多机的控制模式，避免重复建设测控设备而节约成本，研制一种能够同时满足多型号无人机编队使用要求且小型化的通用机载测控设备是相当必要的。

无人机机载测控设备小型化设计

无人机机载测控设备若要实现小型化，可以从以下三个方面进行设计：一是提高系统集成化程度，提高系统模块整合度，减少模块间的物理接口；二是从缩小模块体积考虑，简化模块功能，选用小尺寸微封装元件进行模块设计；三是降低机载测控设备结构件重量，使用紧凑化设计，选用轻质材料。

无人机机载测控设备小型化实现

下面从提高机载测控模块集成度、缩小机载测控模块体积以及降低机载测控结构件重量三方面，详述实现无人机机载测控设备小型化的方法。

提高机载测控模块集成度

机载测控模块内部包含多个功能模块，物理上将其整合为信道模块和信号处理模块。整合后，信道模块主要处理模拟信号，信号处理模块主要处理数字信号。信道模块将状态和工作模式上报，由信号处理模块统一管控。模块间以微矩型低频接插件和微型高频接插件进行信号交换。模块集成设计见表1。

表1 机载测控设备模块集成设计

缩小机载测控模块体积

模块内尽量以印制线和芯片内部存储区作为数据交换通路；信道模块内部采用统一工作电压减小电源尺寸；降低参考信号要求减小晶振尺寸；使用高效功放降低功放尺寸；采用一次变频降低信道尺寸，同时减少本振数量。信号处理模块内部以FPGA、DSP为核心，辅以外围，设计类CPU架构的信息处理平台，内部划分多个功能块实现相应功能。硬件上采用高密度互连技术达到板级最小化，对于终端内部占比重较大的双工器、功放以及滤波器，特殊考虑如下。

（1）双工器

影响双工器重量的指标主要有隔离度和插损。高隔离度主要用来抑制功放发射信号向接收端的辐射，避免接收端饱和或者损坏；低插损主要用来保证到达接收端的上行信号幅度，避免灵敏度不足。功放发射最大功率为5W，接收端通常使用预选器来抑制带外杂散，由于收发频率频差较大，预选器抑制可以较容易做到50dB以上，而接收端场放饱和功率通常在0dBm左右，因此可以适当降低双工器隔离度的指标。通过链路参数计算中可以看出，由于地面定向天线的高增益，使得上行链路裕量较大。扣去链路裕量，对机载测控设备的灵敏度要求可以适当降低，即双工器插损可以适当增加，以减小器件尺寸。

（2）功放

影响功放重量的指标主要是输出功率和效率。机载测控设备工作环境中无主动散热措施，只能通过散热面自然散热，因此散热面积必须保证。考虑到功放散热面积需求，最有效的办法是提高功放效率，从而降低热耗。功放热耗最大部位为末级放大管，常规末级放大管使用砷化镓（GaAs）管，它的效率较低，一般在30%～40%。而选用GaN（氮化镓）管，具有更强的耐高温、耐辐射能力，在高效、高温、小体积要求下具有更大的优势，效率可以达到60%以上，因而能够大大降低热耗，满足散热面积需求。

（3）滤波器

影响滤波器重量的指标主要是工作频段、插损和抑制度。中频滤波器可以做得很小，射频滤波器有腔体滤波器和介质滤波器两种，腔体滤波器插损小，抑制度很高但体积较大；而介质滤波器体积小，在满足电气指标要求的情况下，可以选用介质滤波器。

表2 机载测控设备热耗预计

图1 热仿真图

降低机载测控结构件重量

对信道模块和信号处理模块进行一体化设计，减少盖板和螺钉数量；对散热齿齿形进行优化设计，在相同散热面积情况下，降低散热齿部分结构重量。

机载测控设备小型化问题解决

无人机机载测控设备小型化需要重点解决两个问题，一是电磁兼容问题，二是散热问题，下面针对此情况，分别详述解决方法。

电磁兼容

机载测控设备的电磁兼容包括模块间电磁兼容和模块内电磁兼容。

模块间电磁兼容主要指信道模块和信号处理模块间的电磁兼容。整合后的信道模块主要处理模拟信号，信号处理模块主要处理数字信号，降低模数之间的串扰。而易形成干扰源的电源和晶振，远离低频敏感的信号处理模块，可提高数字信号处理工作稳定性。此外，模块间互连的低频信号设计传输低速数据，敏感信号之间使用地线隔离；模块间互连的高频信号设计为低电平，物理上远离低频信号。

模块内电磁兼容处理，一是将信道模块中的电源和晶振采取屏蔽隔离，上下行信道通过仿真选择合适的中频，降低交调干扰；二是将信号处理模块设计为一个独立的印制板，避免高频或大峰值信号。此外，经合理进行布局，将敏感部位和干扰部位远离放置，必要时采取屏蔽措施。

散热处理

机载测控设备模块内部热耗较大的部位有信道模块的功放、电源和信号处理模块的CPU（FPGA），因此需要采取必要的措施减小热耗。一是如前所述采用高效功放技术，末级放大器效率可到达60%以上，比普通功放效率提高近一倍，从而降低功放的热耗。二是降低DC-DC电源输出路数，采用统一输出电压，提高电源效率，从而降低电源的热耗。三是选用低电压低功耗的CPU（FPGA）系列产品，降低信号处理模块的热耗。同时，在热量集中的区域采取特殊手段来降低热阻，并辅以热分析软件进行仿真，从而指导设计。

运用热分析软件进行仿真的结果如图1所示，从图中可见盒体平均温升12℃，散热齿上局部温度接近40℃，整个腔体散热良好。

经散热处理，无人机机载测控终端内部各模块的热耗预计如表2所示。此外，机载测控设备整机底部实现传导散热，顶部实现自然散热，因此底部安装面与无人机设备舱散热面紧贴安装，必要时辅助导热胶提高传热效果，顶部靠近设备舱散热面，有条件的情况下留出风道。安放位置避免靠近无人机主要热源，如发动机、排气管等。