無人機機載測控設備的小型化設計

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備，以解決測控系統重復建設造成的資源浪費。從提高集成化程度、縮小模塊體積以及降低結構件重量展開設計，提出了實施方案，重點解決了小型化設計過程中的電磁兼容以及散熱問題。對設計完成的機載測控設備進行了熱仿真試驗，仿真結果表明散熱良好。實際應用經驗證明,該型機載測控設備經過小型化設計以后，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，節約了測控系統建設成本。

隨著無人機技術的飛速發展，無人機發展呈現型號復雜化、尺寸小型化、應用模式多樣化等趨勢，測控系統作為無人機的重要組成部分，為了滿足無人機型號多、裝載空間不統一、使用模式多樣等實際需要，其機載測控設備設計應用必將向小型化、通用化方向發展。

目前，測控系統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備建設成本高；基于數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，避免重復建設測控設備而節約成本，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備是相當必要的。

無人機機載測控設備小型化設計

無人機機載測控設備若要實現小型化，可以從以下三個方面進行設計：一是提高系統集成化程度，提高系統模塊整合度，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計；三是降低機載測控設備結構件重量，使用緊湊化設計，選用輕質材料。

無人機機載測控設備小型化實現

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構件重量三方面，詳述實現無人機機載測控設備小型化的方法。

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字信號。信道模塊將狀態和工作模式上報，由信號處理模塊統一管控。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。模塊集成設計見表1。

表1 機載測控設備模塊集成設計

縮小機載測控模塊體積

模塊內盡量以印制線和芯片內部存儲區作為數據交換通路；信道模塊內部采用統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，同時減少本振數量。信號處理模塊內部以FPGA、DSP為核心，輔以外圍，設計類CPU架構的信息處理平臺，內部劃分多個功能塊實現相應功能。硬件上采用高密度互連技術達到板級最小化，對于終端內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主要有隔離度和插損。高隔離度主要用來抑制功放發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。功放發射最大功率為5W，接收端通常使用預選器來抑制帶外雜散，由于收發頻率頻差較大，預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，因此可以適當降低雙工器隔離度的指標。通過鏈路參數計算中可以看出，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，對機載測控設備的靈敏度要求可以適當降低，即雙工器插損可以適當增加，以減小器件尺寸。

（2）功放

影響功放重量的指標主要是輸出功率和效率。機載測控設備工作環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；而介質濾波器體積小，在滿足電氣指標要求的情況下，可以選用介質濾波器。

表2 機載測控設備熱耗預計

圖1 熱仿真圖

降低機載測控結構件重量

對信道模塊和信號處理模塊進行一體化設計，減少蓋板和螺釘數量；對散熱齒齒形進行優化設計，在相同散熱面積情況下，降低散熱齒部分結構重量。

機載測控設備小型化問題解決

無人機機載測控設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

機載測控設備的電磁兼容包括模塊間電磁兼容和模塊內電磁兼容。

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字信號，降低模數之間的串擾。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，可提高數字信號處理工作穩定性。此外，模塊間互連的低頻信號設計傳輸低速數據，敏感信號之間使用地線隔離；模塊間互連的高頻信號設計為低電平，物理上遠離低頻信號。

模塊內電磁兼容處理，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，降低交調干擾；二是將信號處理模塊設計為一個獨立的印制板，避免高頻或大峰值信號。此外，經合理進行布局，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

機載測控設備模塊內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，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，采用統一輸出電壓，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）系列產品，降低信號處理模塊的熱耗。同時，在熱量集中的區域采取特殊手段來降低熱阻，并輔以熱分析軟件進行仿真，從而指導設計。

運用熱分析軟件進行仿真的結果如圖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。

經散熱處理，無人機機載測控終端內部各模塊的熱耗預計如表2所示。此外，機載測控設備整機底部實現傳導散熱，頂部實現自然散熱，因此底部安裝面與無人機設備艙散熱面緊貼安裝，必要時輔助導熱膠提高傳熱效果，頂部靠近設備艙散熱面，有條件的情況下留出風道。安放位置避免靠近無人機主要熱源，如發動機、排氣管等。

結論

實際應用結果表明，該型通用機載測控設備經過小型化設計以后，適裝于多種型號的無人機，各項功能指標工作正常，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。■

（參考文獻：略。如有需要，請聯系編輯部。編輯：李悅霖）