基于巡檢無人機(jī)增程裝置的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

黃呈帥，王劍飛，鬲新鵬，羅志鵬，孫秀卿

（1.陜西省天然氣股份有限公司，陜西西安 710016；2.西安愛生無人機(jī)技術(shù)有限公司，陜西西安 710129）

巡檢無人機(jī)是一種以無線電遙控或飛控計(jì)算機(jī)操縱的不載人飛機(jī)，能夠自主完成電力、燃?xì)?、管線的巡檢[1]。測控系統(tǒng)是無人機(jī)系統(tǒng)中必不可少的一個重要組成部分[2]，用于傳輸無人機(jī)的遙控指令、遙測指令、跟蹤定位和圖像信息。測控系統(tǒng)（俗稱數(shù)據(jù)鏈）考慮到設(shè)計(jì)操作的簡單化，多采用時分系統(tǒng)，即接收和發(fā)射在時隙上分開，機(jī)載和地面配備一套測控系統(tǒng)[3]。

無人機(jī)測控系統(tǒng)主要分為射頻和基帶，兩者集成在電路板和金屬結(jié)構(gòu)內(nèi)。通常射頻的大功率器件會對基帶造成干擾[4]，致使集成、設(shè)計(jì)、調(diào)試難度增大。

測控系統(tǒng)根據(jù)無人機(jī)的巡檢半徑進(jìn)行選型，分為30、50、100、200 km 等?？刂凭嚯x越遠(yuǎn)，射頻功率芯片輸出功率越大，對基帶造成干擾越大，設(shè)計(jì)難度也越大。對測控系統(tǒng)來說，控制距離的改變，其基帶、射頻、堆疊、結(jié)構(gòu)均需重新設(shè)計(jì)，成本也隨著控制距離直線上升。對于長距離的應(yīng)用場景，短距離測控系統(tǒng)不能達(dá)標(biāo)。對于短距離的應(yīng)用場景，長距離測控系統(tǒng)成本昂貴，且重量、尺寸、功耗又較為冗余。因此將測控系統(tǒng)的射頻和基帶進(jìn)行分模塊設(shè)計(jì)，基帶部分進(jìn)行固定化設(shè)計(jì)，射頻部分根據(jù)巡檢距離進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)或選型，將大幅降低設(shè)計(jì)難度和成本。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)架構(gòu)

測控系統(tǒng)主要包括射頻和基帶兩部分?；鶐Р糠钟糜趯?shí)現(xiàn)數(shù)字功能，包括使用FPGA 和ARM實(shí)現(xiàn)通信算法，波形的解調(diào)和調(diào)制、編碼和解碼、數(shù)模轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及和用戶的接口交互。射頻部分則用于實(shí)現(xiàn)模擬射頻信號的放大和輸出，以及接收信號的放大和輸入。圖1 為測控終端的整體架構(gòu)圖。

圖1 測控終端的整體設(shè)計(jì)架構(gòu)

測控系統(tǒng)增程裝置主要涵蓋測控系統(tǒng)的射頻部分，其包含射頻接收電路、射頻發(fā)射電路、抗毀傷電路、控制電路四部分，增程模塊的主要設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖2 所示。增程裝置能夠根據(jù)基帶部分作適應(yīng)性調(diào)整，具有自適應(yīng)感知及自主收發(fā)切換功能，同時適應(yīng)基帶頻段和控制距離的改變，最終實(shí)現(xiàn)巡檢無人機(jī)測控的經(jīng)濟(jì)性和方便性。

圖2 增程模塊的主要設(shè)計(jì)架構(gòu)

2 主要模塊電路設(shè)計(jì)

2.1 射頻接收電路

接收電路用于對接收遠(yuǎn)端傳輸進(jìn)來的無線電小信號[5]進(jìn)行放大和濾波。

當(dāng)無人機(jī)在遠(yuǎn)距離高空飛行時，測控系統(tǒng)發(fā)射的電磁波，會受到地形和環(huán)境的影響，產(chǎn)生損耗和多徑效應(yīng)。

接收天線接收到的電磁信號通常經(jīng)過空間傳播衰減很大，信號微弱并加載噪聲干擾，信噪比較低[6]，因此接收機(jī)的接收靈敏度便成為重要的指標(biāo)[7]，其定義如式（1）所示：

式中，S0是接收靈敏度，BW 是信道帶寬，NF 是接收鏈路噪聲系數(shù)，是解調(diào)門限。由式（1）可知，帶寬、噪聲系數(shù)以及解調(diào)門限是影響接收靈敏度的關(guān)鍵參數(shù)[8]。

因此，接收電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是盡可能地提高接收靈敏度[9]。通過對射頻前端低噪聲放大器的選型和濾波器的合理布局設(shè)計(jì)，降低整個鏈路的噪聲系數(shù)，提升接收靈敏度。

接收電路的低噪聲放大器選擇NXP 公司的集成芯片BGU8052，是一款低噪聲高線性度放大器，具有較好的輸入和輸出回波損耗，在L 波段具有超低的噪聲系數(shù)，滿足接收機(jī)的設(shè)計(jì)要求。接收電路設(shè)計(jì)如圖3 所示，濾波器可根據(jù)實(shí)際的需求進(jìn)行選型，推薦選用聲表濾波器。

圖3 接收電路

2.2 射頻發(fā)射電路

以無人機(jī)測控系統(tǒng)法定頻段1 430～1 444 MHz為例，基帶數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出功率為0 dBm 信號，經(jīng)過增程裝置輸出功率為36 dBm，射頻發(fā)射電路設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 發(fā)射電路

放大電路采用放大器級聯(lián)完成，前級放大器為驅(qū)動放大器，完成小信號的放大，后級放大器為功率放大器，輸出所需的射頻信號功率。為保證信號處于線性范圍，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕赝苏{(diào)整[10]。

前級放大器選擇國產(chǎn)品牌因諾訊的YP2233W射頻放大器。該芯片是一款高動態(tài)寬帶射頻放大器，InGaP 異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)。其內(nèi)部包含兩級放大器，提供26 dB 的典型增益，能夠?qū)崿F(xiàn)0.7～2.7 GHz頻段的放大，1 dB 壓縮點(diǎn)為35 dBm。

后級放大器同樣選用國產(chǎn)品牌因諾訊的YP27 21815LDMOS 場效應(yīng)功率放大器，供電電壓為28 V，輸出功率為42 dBm。用于700～2 700 MHz 頻段內(nèi)的信號放大，可工作在AB/B 類和C 類的所有典型調(diào)制模式，靜態(tài)工作電壓和電流分別為28 V 和100 mA。設(shè)計(jì)上需注重后級放大器輸入和輸出端的匹配設(shè)計(jì)，匹配設(shè)計(jì)通常采用仿真為輔調(diào)試為主的原則，以微帶線和電容加載的方式進(jìn)行[11]，避免駐波過大導(dǎo)致高功率信號反射，造成芯片自激甚至燒毀芯片[12]。

2.3 收發(fā)切換電路

自主收發(fā)切換電路采用檢波電壓控制射頻開關(guān)切換。定向耦合器耦合出基帶輸出的射頻信號，經(jīng)射頻功率檢測電路檢波輸出0.5～1.8 V 線性直流電壓[13]，輸入電壓比較器后輸出邏輯高低電平特性，控制射頻單刀雙擲開關(guān)。

射頻單刀雙擲開關(guān)(SPDT)，考慮成本因素，高功率電路選用Skyworks 公司的大功率射頻開關(guān)SKY 12207。低功率電路可選擇成本更低的AS139。當(dāng)AS139 芯片V1 為高電平，V2 為低電平時，J1 與J2 管腳導(dǎo)通；反之，當(dāng)V1 為低電平，V2 為低電平時，J1 與J3 導(dǎo)通。

收發(fā)切換電路如圖5 所示，當(dāng)處于發(fā)射狀態(tài)時，有信號輸入耦合器，經(jīng)耦合器耦合出射頻信號，檢波器同時輸出直流電壓，再經(jīng)過比較器與設(shè)定的電壓值相比，高于設(shè)定值輸出高電平（5 V）。通過雙通道高速功率MOS 管TC4428A，一路反向驅(qū)動，一路正向驅(qū)動，即當(dāng)INA 和INB 均輸入高電平時，OUTA-輸出為低電平，OUTB 輸出為高電平，反之依次類推。此時J1 和J3 導(dǎo)通。

圖5 收發(fā)切換電路

當(dāng)處于接收狀態(tài)時，耦合器沒有輸出，檢波電壓為低電平，低于比較器預(yù)設(shè)值，比較器輸出也為低電平，此時雙通道高速功率MOS 管輸出OUTA 為高電平，OUTB 為低電平，此時J1 和J2 接通。

2.4 抗毀傷電路

抗毀傷電路采用環(huán)形器和50 Ω高功率負(fù)載電阻配合射頻開關(guān)設(shè)計(jì)，如圖6 所示。

圖6 抗毀傷電路

當(dāng)處于發(fā)射狀態(tài)時，兩個射頻開關(guān)1-2 接通，信號通過射頻開關(guān)進(jìn)入環(huán)形器，環(huán)形器將信號從1 口傳輸至2 口，最終通過天線輻射。當(dāng)處于接收狀態(tài)時，射頻開關(guān)1-3 接通，天線接收信號，進(jìn)入環(huán)形器2口，由環(huán)形器傳輸至環(huán)形器3 口，經(jīng)射頻開關(guān)后進(jìn)入接收通路。

在發(fā)射狀態(tài)下功放輸出的大功率信號不能及時通過天線輻射出去，會造成信號反射導(dǎo)致芯片自激燒毀[14-15]。為了防止增程模塊在使用和操作過程中未接天線造成損傷，設(shè)計(jì)中增加了抗毀傷電路，如上文所述發(fā)射狀態(tài)時，兩個射頻開關(guān)1-2 接通，當(dāng)天線未安裝時，信號會在天線端口全反射，從環(huán)形器2 口傳輸至環(huán)形器3 口，最終經(jīng)過射頻開關(guān)由50 Ω高功率負(fù)載電阻吸收,這樣的設(shè)計(jì)可以有效地防止損傷設(shè)備。

抗毀傷電路涉及大功率器件，在選型射頻開關(guān)時必須注意射頻開關(guān)能夠承受的最大功率，設(shè)計(jì)選用Skyworks 公司的一款50 W 大功率硅二極管單刀雙擲開關(guān)SKY12207，工作在900 MHz～4 GHz 頻段，具有超低的插損，極好的線性與低直流功耗，納秒級別的開關(guān)特性。環(huán)形器選擇優(yōu)譯公司的一款L 波段表貼型低成本鐵氧體環(huán)形器UIYSC12A1427T1517。鐵氧體環(huán)形器具有小型化、寬頻帶、插損小、大功率的特性[16]。

3 實(shí)驗(yàn)測試及分析

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，對增程模塊的原理圖和PCB 電路板進(jìn)行設(shè)計(jì)，并完成制板、焊接、調(diào)試工作。對其各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行測試[17-19]。測試儀器使用到頻譜分析儀、射頻信號源、直流穩(wěn)壓源、衰減器。測試發(fā)射功能的測試環(huán)境搭建如圖7 所示。

圖7 測試環(huán)境

為避免輸出功率過大對儀器造成損壞，增程模塊的輸出端需經(jīng)過衰減器后接頻譜儀，信號源接增程模塊輸入端，設(shè)置信號源輸出0 dBm，改變頻率記錄發(fā)射通路數(shù)據(jù)，如圖8 所示?？紤]到功放的線性度，未將功放推至飽和，進(jìn)行功率回退8 dB 調(diào)試，發(fā)射通路總增益不小于36 dB。

圖8 發(fā)射輸出功率

接收通路測試數(shù)據(jù)如圖9 所示，輸出端接信號源，設(shè)置信號源輸出為-60 dBm 小信號，輸入端接頻譜儀，改變頻率記錄接收通路數(shù)據(jù)，可計(jì)算出信號的增益，接收通路增益不小于19 dB。

圖9 接收通路增益

抗毀傷性能測試，是在發(fā)射狀態(tài)下，拆卸掉天線，經(jīng)過一段時間后，將待測設(shè)備的輸出口安裝天線或者接衰減器到頻譜儀測試設(shè)備的可靠性。該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)在輸出口懸空30 min 后，重新接入頻譜儀，測試并記錄數(shù)據(jù)如圖10 所示。測試結(jié)果與圖8 基本一致。輸出功率降低0.5 dB，是因?yàn)楣Ψ胚^熱導(dǎo)致，屬于正常現(xiàn)象，器件未損傷。

圖10 抗毀傷測試結(jié)果

4 結(jié)束語

針對目前巡檢類無人機(jī)的需求多樣化，設(shè)計(jì)了一款能夠自主切換接收和發(fā)射的增程模塊，具有改裝方便，抗毀傷性強(qiáng)等特點(diǎn)?？筛鶕?jù)巡檢需求進(jìn)行適應(yīng)性改造，大大降低成本。同時對增程模塊的原理進(jìn)行了闡述，最終對增程模塊進(jìn)行了相應(yīng)功能測試。測試結(jié)果表明，該模塊可以用于無人機(jī)在法定頻段1 430～1 444 MHz 的時分測控系統(tǒng)，滿足巡檢類無人機(jī)不同距離的巡檢需求，此設(shè)計(jì)同樣可應(yīng)用于其他頻段。