基于巡检无人机增程装置的设计和实现

黄呈帅，王剑飞，鬲新鹏，罗志鹏，孙秀卿

（1.陕西省天然气股份有限公司，陕西西安 710016；2.西安爱生无人机技术有限公司，陕西西安 710129）

巡检无人机是一种以无线电遥控或飞控计算机操纵的不载人飞机，能够自主完成电力、燃气、管线的巡检[1]。测控系统是无人机系统中必不可少的一个重要组成部分[2]，用于传输无人机的遥控指令、遥测指令、跟踪定位和图像信息。测控系统（俗称数据链）考虑到设计操作的简单化，多采用时分系统，即接收和发射在时隙上分开，机载和地面配备一套测控系统[3]。

无人机测控系统主要分为射频和基带，两者集成在电路板和金属结构内。通常射频的大功率器件会对基带造成干扰[4]，致使集成、设计、调试难度增大。

测控系统根据无人机的巡检半径进行选型，分为30、50、100、200 km 等。控制距离越远，射频功率芯片输出功率越大，对基带造成干扰越大，设计难度也越大。对测控系统来说，控制距离的改变，其基带、射频、堆叠、结构均需重新设计，成本也随着控制距离直线上升。对于长距离的应用场景，短距离测控系统不能达标。对于短距离的应用场景，长距离测控系统成本昂贵，且重量、尺寸、功耗又较为冗余。因此将测控系统的射频和基带进行分模块设计，基带部分进行固定化设计，射频部分根据巡检距离进行适应性设计或选型，将大幅降低设计难度和成本。

1 系统总体设计架构

测控系统主要包括射频和基带两部分。基带部分用于实现数字功能，包括使用FPGA 和ARM实现通信算法，波形的解调和调制、编码和解码、数模转换、模数转换以及和用户的接口交互。射频部分则用于实现模拟射频信号的放大和输出，以及接收信号的放大和输入。图1 为测控终端的整体架构图。

图1 测控终端的整体设计架构

测控系统增程装置主要涵盖测控系统的射频部分，其包含射频接收电路、射频发射电路、抗毁伤电路、控制电路四部分，增程模块的主要设计架构如图2 所示。增程装置能够根据基带部分作适应性调整，具有自适应感知及自主收发切换功能，同时适应基带频段和控制距离的改变，最终实现巡检无人机测控的经济性和方便性。

图2 增程模块的主要设计架构

2 主要模块电路设计

2.1 射频接收电路

接收电路用于对接收远端传输进来的无线电小信号[5]进行放大和滤波。

当无人机在远距离高空飞行时，测控系统发射的电磁波，会受到地形和环境的影响，产生损耗和多径效应。

接收天线接收到的电磁信号通常经过空间传播衰减很大，信号微弱并加载噪声干扰，信噪比较低[6]，因此接收机的接收灵敏度便成为重要的指标[7]，其定义如式（1）所示：

式中，S0是接收灵敏度，BW 是信道带宽，NF 是接收链路噪声系数，是解调门限。由式（1）可知，带宽、噪声系数以及解调门限是影响接收灵敏度的关键参数[8]。

因此，接收电路设计的关键是尽可能地提高接收灵敏度[9]。通过对射频前端低噪声放大器的选型和滤波器的合理布局设计，降低整个链路的噪声系数，提升接收灵敏度。

接收电路的低噪声放大器选择NXP 公司的集成芯片BGU8052，是一款低噪声高线性度放大器，具有较好的输入和输出回波损耗，在L 波段具有超低的噪声系数，满足接收机的设计要求。接收电路设计如图3 所示，滤波器可根据实际的需求进行选型，推荐选用声表滤波器。

图3 接收电路

2.2 射频发射电路

以无人机测控系统法定频段1 430～1 444 MHz为例，基带数模转换后输出功率为0 dBm 信号，经过增程装置输出功率为36 dBm，射频发射电路设计如图4 所示。

图4 发射电路

放大电路采用放大器级联完成，前级放大器为驱动放大器，完成小信号的放大，后级放大器为功率放大器，输出所需的射频信号功率。为保证信号处于线性范围，应进行适当的回退调整[10]。

前级放大器选择国产品牌因诺讯的YP2233W射频放大器。该芯片是一款高动态宽带射频放大器，InGaP 异质结双极晶体管(HBT)。其内部包含两级放大器，提供26 dB 的典型增益，能够实现0.7～2.7 GHz频段的放大，1 dB 压缩点为35 dBm。

后级放大器同样选用国产品牌因诺讯的YP27 21815LDMOS 场效应功率放大器，供电电压为28 V，输出功率为42 dBm。用于700～2 700 MHz 频段内的信号放大，可工作在AB/B 类和C 类的所有典型调制模式，静态工作电压和电流分别为28 V 和100 mA。设计上需注重后级放大器输入和输出端的匹配设计，匹配设计通常采用仿真为辅调试为主的原则，以微带线和电容加载的方式进行[11]，避免驻波过大导致高功率信号反射，造成芯片自激甚至烧毁芯片[12]。

2.3 收发切换电路

自主收发切换电路采用检波电压控制射频开关切换。定向耦合器耦合出基带输出的射频信号，经射频功率检测电路检波输出0.5～1.8 V 线性直流电压[13]，输入电压比较器后输出逻辑高低电平特性，控制射频单刀双掷开关。

射频单刀双掷开关(SPDT)，考虑成本因素，高功率电路选用Skyworks 公司的大功率射频开关SKY 12207。低功率电路可选择成本更低的AS139。当AS139 芯片V1 为高电平，V2 为低电平时，J1 与J2 管脚导通；反之，当V1 为低电平，V2 为低电平时，J1 与J3 导通。

收发切换电路如图5 所示，当处于发射状态时，有信号输入耦合器，经耦合器耦合出射频信号，检波器同时输出直流电压，再经过比较器与设定的电压值相比，高于设定值输出高电平（5 V）。通过双通道高速功率MOS 管TC4428A，一路反向驱动，一路正向驱动，即当INA 和INB 均输入高电平时，OUTA-输出为低电平，OUTB 输出为高电平，反之依次类推。此时J1 和J3 导通。

图5 收发切换电路

当处于接收状态时，耦合器没有输出，检波电压为低电平，低于比较器预设值，比较器输出也为低电平，此时双通道高速功率MOS 管输出OUTA 为高电平，OUTB 为低电平，此时J1 和J2 接通。

2.4 抗毁伤电路

抗毁伤电路采用环形器和50 Ω高功率负载电阻配合射频开关设计，如图6 所示。

图6 抗毁伤电路

当处于发射状态时，两个射频开关1-2 接通，信号通过射频开关进入环形器，环形器将信号从1 口传输至2 口，最终通过天线辐射。当处于接收状态时，射频开关1-3 接通，天线接收信号，进入环形器2口，由环形器传输至环形器3 口，经射频开关后进入接收通路。

在发射状态下功放输出的大功率信号不能及时通过天线辐射出去，会造成信号反射导致芯片自激烧毁[14-15]。为了防止增程模块在使用和操作过程中未接天线造成损伤，设计中增加了抗毁伤电路，如上文所述发射状态时，两个射频开关1-2 接通，当天线未安装时，信号会在天线端口全反射，从环形器2 口传输至环形器3 口，最终经过射频开关由50 Ω高功率负载电阻吸收,这样的设计可以有效地防止损伤设备。

抗毁伤电路涉及大功率器件，在选型射频开关时必须注意射频开关能够承受的最大功率，设计选用Skyworks 公司的一款50 W 大功率硅二极管单刀双掷开关SKY12207，工作在900 MHz～4 GHz 频段，具有超低的插损，极好的线性与低直流功耗，纳秒级别的开关特性。环形器选择优译公司的一款L 波段表贴型低成本铁氧体环形器UIYSC12A1427T1517。铁氧体环形器具有小型化、宽频带、插损小、大功率的特性[16]。

3 实验测试及分析

根据上述设计，对增程模块的原理图和PCB 电路板进行设计，并完成制板、焊接、调试工作。对其各项性能指标进行测试[17-19]。测试仪器使用到频谱分析仪、射频信号源、直流稳压源、衰减器。测试发射功能的测试环境搭建如图7 所示。

图7 测试环境

为避免输出功率过大对仪器造成损坏，增程模块的输出端需经过衰减器后接频谱仪，信号源接增程模块输入端，设置信号源输出0 dBm，改变频率记录发射通路数据，如图8 所示。考虑到功放的线性度，未将功放推至饱和，进行功率回退8 dB 调试，发射通路总增益不小于36 dB。

图8 发射输出功率

接收通路测试数据如图9 所示，输出端接信号源，设置信号源输出为-60 dBm 小信号，输入端接频谱仪，改变频率记录接收通路数据，可计算出信号的增益，接收通路增益不小于19 dB。

图9 接收通路增益

抗毁伤性能测试，是在发射状态下，拆卸掉天线，经过一段时间后，将待测设备的输出口安装天线或者接衰减器到频谱仪测试设备的可靠性。该项实验在输出口悬空30 min 后，重新接入频谱仪，测试并记录数据如图10 所示。测试结果与图8 基本一致。输出功率降低0.5 dB，是因为功放过热导致，属于正常现象，器件未损伤。

图10 抗毁伤测试结果

4 结束语

针对目前巡检类无人机的需求多样化，设计了一款能够自主切换接收和发射的增程模块，具有改装方便，抗毁伤性强等特点。可根据巡检需求进行适应性改造，大大降低成本。同时对增程模块的原理进行了阐述，最终对增程模块进行了相应功能测试。测试结果表明，该模块可以用于无人机在法定频段1 430～1 444 MHz 的时分测控系统，满足巡检类无人机不同距离的巡检需求，此设计同样可应用于其他频段。