楊志成/中國人民解放軍92419部隊

針對無人機型號多樣和一站多機控制模式的實際情況，研制一型能滿足多型無人機測控使用需求的小型通用機載測控設(shè)備，以解決測控系統(tǒng)重復(fù)建設(shè)造成的資源浪費。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，提出了實施方案，重點解決了小型化設(shè)計過程中的電磁兼容以及散熱問題。對設(shè)計完成的機載測控設(shè)備進行了熱仿真試驗，仿真結(jié)果表明散熱良好。實際應(yīng)用經(jīng)驗證明,該型機載測控設(shè)備經(jīng)過小型化設(shè)計以后，適裝于多型無人機，可完成一站多機的無人機飛行遙控遙測，節(jié)約了測控系統(tǒng)建設(shè)成本。

隨著無人機技術(shù)的飛速發(fā)展，無人機發(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)作為無人機的重要組成部分，為了滿足無人機型號多、裝載空間不統(tǒng)一、使用模式多樣等實際需要，其機載測控設(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時性較低；而頻分+碼分的擴頻測控體制雖然可靠性高，信息傳輸實時性強，成本較低，但一站多機控制模式造成機載終端復(fù)雜度高，體積重量大。因此，基于滿足多型號無人機的裝機要求以及一站多機的控制模式，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編隊使用要求且小型化的通用機載測控設(shè)備是相當(dāng)必要的。

無人機機載測控設(shè)備小型化設(shè)計

無人機機載測控設(shè)備若要實現(xiàn)小型化，可以從以下三個方面進行設(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行模塊設(shè)計；三是降低機載測控設(shè)備結(jié)構(gòu)件重量，使用緊湊化設(shè)計，選用輕質(zhì)材料。

無人機機載測控設(shè)備小型化實現(xiàn)

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

提高機載測控模塊集成度

機載測控模塊內(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行信號交換。模塊集成設(shè)計見表1。

表1 機載測控設(shè)備模塊集成設(shè)計

縮小機載測控模塊體積

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現(xiàn)相應(yīng)功能。硬件上采用高密度互連技術(shù)達到板級最小化，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。扣去鏈路裕量，對機載測控設(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?？紤]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 機載測控設(shè)備熱耗預(yù)計

圖1 熱仿真圖

降低機載測控結(jié)構(gòu)件重量

對信道模塊和信號處理模塊進行一體化設(shè)計，減少蓋板和螺釘數(shù)量；對散熱齒齒形進行優(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。

機載測控設(shè)備小型化問題解決

無人機機載測控設(shè)備小型化需要重點解決兩個問題，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)計為一個獨立的印制板，避免高頻或大峰值信號。此外，經(jīng)合理進行布局，將敏感部位和干擾部位遠離放置，必要時采取屏蔽措施。

散熱處理

機載測控設(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行仿真，從而指導(dǎo)設(shè)計。

運用熱分析軟件進行仿真的結(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，無人機機載測控終端內(nèi)部各模塊的熱耗預(yù)計如表2所示。此外，機載測控設(shè)備整機底部實現(xiàn)傳導(dǎo)散熱，頂部實現(xiàn)自然散熱，因此底部安裝面與無人機設(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主要熱源，如發(fā)動機、排氣管等。

結(jié)論

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

（參考文獻：略。如有需要，請聯(lián)系編輯部。編輯：李悅霖）