CN110311698A - 一种基于立体组装及mcm技术的微型无人机收发组件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于立体组装及MCM技术的微型无人机收发组件，涉及微波技术领域，该微型无人机收发组件以MCM为基础，将大量分立器件进行芯片集成，可大大缩小产品的重量与体积，同时采用先进的工艺及制造水平，可适应多种恶劣环境、多种无人载荷平台下使用，可进行广泛市场推广，另外该收发组件突破了传统组装工艺，采用立体组装技术，在保证各项指标与常规收发组件相当的前提下，大大缩小了体积，仅为常规收发组件的1/10，在小型化上得到了突破，使得收发系统的小型化能够实现。
Description
技术领域
本发明涉及微波技术领域，尤其是一种基于立体组装及MCM技术的微型无人机收发组件。
背景技术
无人平台是由机械、控制、计算机、通信、材料等多种技术融合而成的复杂系统，各种类型的无人平台相继出现，包括无人车、无人机、服务机器人、无人车间等，他们对人类生活和社会产生显著的影响。在各个技术中，收发系统是构成无人平台通信技术的重要组成部分。收发系统主要实现无人平台对控制信号的发射与接收，实现人机交互。在无人平台当今越来越小型化的趋势下，收发系统的小型化工作变为其中关键，但在传统装配工艺的牵制下，收发系统的小型化变得困难重重。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种基于立体组装及MCM技术的微型无人机收发组件，该微型无人机收发组件在保证技术指标的前提下，体积大大缩小，使得收发系统的小型化能够实现。
本发明的技术方案如下：
一种基于立体组装及MCM技术的微型无人机收发组件，该微型无人机收发组件包括组件外壳、射频控制板和电源控制板，组件外壳上设置有连接器，组件外壳的内部两侧分别形成有正面腔和反面腔，正面腔和反面腔层叠设置且相互隔离，射频控制板置于正面腔内，电源控制板置于反面腔内，电源控制板上布设微型无人机收发组件的电源控制链路，射频控制板上布设微型无人机收发组件的射频链路，电源控制链路连接连接器，电源控制链路连接并控制射频链路，射频链路包括接收支路和发射支路；来自射频的信号经过接收支路的信号处理后输入，接收支路包括按照信号传输方向依次连接的第一数控衰减器、移相衰减多功能芯片、第一开关滤波器组芯片、第一双向放大器、第二开关滤波器组芯片、混频器、中频窄带滤波器、第二数控衰减器、第二双向放大器和中频低通滤波器；来自中频的信号经过发射支路的信号处理后输出，发射支路包括按照信号传输方向依次相连的中频低通滤波器、第二双向放大器、第二数控衰减器、中频宽带滤波器、混频器、第二开关滤波器组芯片、第一双向放大器、第一开关滤波器组芯片和移相衰减多功能芯片；移相衰减多功能芯片、第一开关滤波器组芯片和第二开关滤波器组芯片均采用MCM技术制成，移相衰减多功能芯片集成有收发开关、数控移相、数控衰减、放大器和串并转换功能。
其进一步的技术方案为，组件外壳包括第一盒体、第二盒体、第一盖板、第二盖板、分离式隔框和内盖板，连接器设置在第一盒体上，第一盒体的正面开设空腔形成组件外壳内部的正面腔，射频控制板置于正面腔内，分离式隔框设置在射频控制板表面并对射频控制板上的器件进行空间隔离，第一盖板固定在正面腔的开口处；第一盒体的背面布设有传输线，第二盒体固定在第一盒体的背面，第二盖板固定在第二盒体的开口处，第一盒体、第二盒体和第二盖板之间形成组件外壳内部的反面腔，内盖板设置在反面腔中并设置在第一盒体的背面，电源控制板设置在反面腔中并设置在内盖板上。
其进一步的技术方案为，第一盖板和第二盖板采用铝硅合金基材制成，第一盒体、第二盒体、分离式隔框和内盖板均采用铝合金基材制成，第一盒体、第二盒体、第一盖板、第二盖板、分离式隔框和内盖板之间通过激光焊接形成一体化。
其进一步的技术方案为，射频控制板通过再流焊接方式焊接在正面腔中，电源控制板通过再流焊接方式焊接在反面腔中。
其进一步的技术方案为，电源控制链路中包括上电保护电路，上电保护电路包括二极管、稳压二极管、三极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻和与门，二极管的正极通过第二电阻连接外部正电源，二极管的负极分别连接稳压二极管的负极、三极管的基极以及第三电阻，第三电阻的另一端接地，稳压二极管的正极连接外部负电源，三极管的发射极接地、集电极通过第一电阻连接外部正电源，三极管的集电极和第一电阻的公共端连接与门的一个输入端，与门的另一个输入端连接外部输入的发射脉冲调制信号，与门的输出端给发射电源供电。
其进一步的技术方案为，电源控制链路中还包括温度补偿衰减器。
其进一步的技术方案为，电源控制链路中还包括温度监测器。
其进一步的技术方案为，微型无人机收发组件的尺寸为69mm*19mm*12mm。
其进一步的技术方案为，中频窄带滤波器采用FBar滤波器。
其进一步的技术方案为，中频宽带滤波器及中频低通滤波器分别采用MEMS滤波器。
本发明的有益技术效果是：
本申请公开了一种基于立体组装及MCM技术的微型无人机收发组件，该微型无人机收发组件利用MCM技术和立体组装技术进行设计，在保证各项指标与常规收发组件相当的前提下，大大缩小了体积，仅为常规收发组件的1/10，在小型化上得到了突破，使得收发系统的小型化能够实现。本申请还针对收发组件常有的一些问题，如散热、环境适应性、自动检测等方面进行了重点设计，同时对系统进行热仿真设计，保证在微小的结构下各元器件正常使用。另外在设计时还选用特定的材料，对材料进行合理分析，达到苛刻复杂的环境适应性，使得该产品可以用于多种包括航天、航空、民航等领域。
附图说明
图1是本申请的微型无人机收发组件的组装结构图。
图2是本申请的微型无人机收发组件的连接器的示意图。
图3是本申请的微型无人机收发组件中的射频链路的电路架构图。
图4是本申请的微型无人机收发组件中的中频窄带滤波器的指标图。
图5是本申请的微型无人机收发组件中的电源控制链路中的上电保护电路的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
本申请公开了一种基于立体组装及MCM技术的微型无人机收发组件，请参考图1，该微型无人机收发组件包括组件外壳1、射频控制板2和电源控制板3，射频控制板2上设置有电子器件，射频控制板2上的电子器件通过射频控制板2上预先布设的电路结构形成该微型无人机收发组件的射频链路；电源控制板3上也设置有电子器件，电源控制板3上的电子器件通过电源控制板3上预先布设的电路结构形成该微型无人机收发组件的电源控制链路。组件外壳1的内部两侧分别形成有正面腔和反面腔，正面腔和反面腔层叠设置且相互隔离，射频控制板2置于正面腔内，电源控制板3置于反面腔内实现立体组装，缩小了整个收发组件的体积。在本申请中，组件外壳1包括第一盒体11、第二盒体12、第一盖板13、第二盖板14、分离式隔框15和内盖板16。第一盒体11的正面开设空腔形成组件外壳内部的正面腔，射频控制板2置于正面腔内，分离式隔框15设置在射频控制板2表面并对射频控制板2上的器件进行空间隔离，第一盖板13固定在第一盒体11的开口处，也即固定在正面腔的开口处。第一盒体11的背面布设有信号连接所需的传输线，比如微带线等。第二盒体12固定在第一盒体11的背面，第二盒体12呈两边开口的框体结构，第二盒体12的一个开口处固定在第一盒体11上，第二盖板14固定在第二盒体12的另一个开口处，第一盒体11、第二盒体12和第二盖板14之间形成组件外壳1内部的反面腔，内盖板16设置在反面腔中并设置在第一盒体12的背面，电源控制板3设置在反面腔中并设置在内盖板16上，内盖板16用于对第一盒体11上的传输线和电源控制板3进行屏蔽隔离。
在本申请中，第一盖板13和第二盖板14采用铝硅合金基材制成，第一盒体11、第二盒体12、分离式隔框15和内盖板16均采用铝合金基材制成，各结构件采用自匹配方法，最终通过激光焊接或锡焊形成一体化，接保证组件的环境适应性要求。射频控制板2通过再流焊接方式焊接在正面腔中，电源控制板3通过再流焊接方式焊接在反面腔中。组件外壳1上设置有连接器4，如图1所示，连接器4设置在第一盒体11上，电源控制链路连接连接器4，电源控制链路连接并控制射频链路。本申请采用混合集成连接器将射频与数字接口集成为一个连接器实现，该连接器集成了4组射频接口与一组19芯连接器，一体化设计，请参考图2。
一、射频链路包括接收支路和发射支路，请参考3所示的电路架构图：
在该收发组件接收时，来自射频的信号经过收发开关切换至接收支路，接收支路包括按照信号传输方向依次连接的第一数控衰减器、移相衰减多功能芯片、第一开关滤波器组芯片、第一双向放大器、第二开关滤波器组芯片、混频器、中频窄带滤波器、第二数控衰减器、第二双向放大器和中频低通滤波器，接收支路通过上述组件完成对来自射频的信号的接收、下变频、滤波等处理功能后输入。
在该收发组件发射时，来自中频的信号经过收发开关切换至发射支路，发射支路包括按照信号传输方向依次相连的中频低通滤波器、第二双向放大器、第二数控衰减器、中频宽带滤波器、混频器、第二开关滤波器组芯片、第一双向放大器、第一开关滤波器组芯片和移相衰减多功能芯片，发射支路通过上述组件完成对来自中频的信号的功率放大等处理功能后输出。其中，接收支路和发射支路共用上述中频低通滤波器、第二双向放大器、第二数控衰减器、混频器、第二开关滤波器组芯片、第一双向放大器和第一开关滤波器组芯片。
为了实现产品小型化，较常规组件不同，本申请在射频链路中使用了大量MCM芯片，较一般芯片不同，该类芯片集成了多种功能，将复杂的电路集成到一个芯片实现，具体的，MCM芯片包括上述：
(1)移相衰减多功能芯片：集成收发开关、6位数控移相器、6位数控衰减器、放大器和串并转换功能，如图3虚线框所示，其中，放大器包括驱动放大器和低噪声放大器(LNA)。
(2)开关滤波器组芯片，包括第一开关滤波器组芯片和第二开关滤波器组芯片：单个芯片内置单刀4掷开关和4组滤波器，通过并码控制，每组芯片可覆盖带宽2GHz，通过两组芯片覆盖整个X波段，芯片大小仅为4mm*4mm*0.2mm,为不到常规滤波器尺寸的2％。
除此之外，本申请对于滤波器也有特殊设计：
(1)中频窄带滤波器采用FBar滤波器：体声表滤波器，较一般声表滤波器具有更窄带宽、更高频率、更小尺寸的特性，其指标如图4所示。
(2)中频宽带滤波器和中频低通滤波器均采用MEMS滤波器：采用高精度微纳米加工、硅圆片直接键合、TSV(硅通孔)等MEMS技术制作的新一代硅腔滤波器芯片。
二、电源控制链路相较于常规的电源控制链路增加了智能保护与检测功能，包括但不限于上电保护、高低温补偿和温度功率保护等。
(1)上电保护功能。电源控制链路中包括上电保护电路，请参考图5，上电保护电路包括二极管D1、稳压二极管D2、三极管D3、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和与门D4，二极管D1的正极通过第二电阻R2连接外部正电源+5V，二极管D1的负极分别连接稳压二极管D2的负极、三极管D3的基极以及第三电阻R3，第三电阻R3的另一端接地，稳压二极管D2的正极连接外部负电源-4.8V，三极管D3的发射极接地、集电极通过第一电阻R1连接外部正电源+5V，三极管D3的集电极和第一电阻R1的公共端连接与门D4的一个输入端，与门D4的另一个输入端连接外部输入的发射脉冲调制信号PDP，与门D4的输出端给发射电源供电。
当外部电源正常供给此电路外部正电源+5V和外部负电源-4.8V时，-4.8V经稳压二极管D2后，三极管D3的1处电位约为0.2V，由于二极管D1的单向导电性，可保证无电压泄露至+5V端，此时三极管D3截止，EN端输出约为4.8V，与外部输入的发射脉冲调制信号PDP相与后输出的信号为PDP，发射电源可正常调制供电。
当外部电源正常供给此路外部正电源+5V但无外部负电源-4.8V时，-4.8V至稳压二极管D2一端可视为开路，此时+5V经第一电阻R1和二极管D1后，通过第三电阻R3下拉至地，可保证-4.8V端电压泄露在很小的电压值内，三极管D3的1处电位为高，三极管D3导通，EN端电位约为0.2V，与外部输入的发射脉冲调制信号PDP相与后输出低电平，发射电源无法调制，发射电源供电关断。
(2)高低温补偿功能。电源控制链路中包括温度补偿衰减器，可以对高低温下波动进行改善。
(3)温度功率保护。电源控制链路中包括温度监测器，通过温度监测器与运放结合的方式实现温度检测，同时在检测到组件环境温度大于90℃时，对外进行告警，组件温度大于100℃时，组件自动下电。
由于本申请采用了MCM芯片和先进的立体组装技术，因此整个微型无人机收发组件在技术指标仍与常规组件一致或相当的前提下，尺寸较常规组件仅为1/10，仅有69mm*19mm*12mm。组件外壳选用特定的材料，对材料进行合理分析，达到苛刻复杂的环境适应性。同时本申请还对系统进行了热仿真设计，保证在微小的结构下各元器件正常使用：产品内部具有大功率功放，大功率功放进行了良好的散热设计，产品在饱和脉冲模式下，功耗约为2W，另外根据组件工作环境信息，组件在自然环境下(温度20℃)自然散热，利用仿真软件进行仿真，根据仿真结果，得出芯片位置最高温度44.5℃左右，则温升为24.5℃，以此类推，在70℃高温环境下，芯片位置最高温度94.5℃，故自然冷却方式满足使用要求(GaAs芯片安全使用温度为125℃)。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于立体组装及MCM技术的微型无人机收发组件，其特征在于，所述微型无人机收发组件包括组件外壳、射频控制板和电源控制板，所述组件外壳上设置有连接器，所述组件外壳的内部两侧分别形成有正面腔和反面腔，所述正面腔和反面腔层叠设置且相互隔离，所述射频控制板置于所述正面腔内，所述电源控制板置于所述反面腔内，所述电源控制板上布设所述微型无人机收发组件的电源控制链路，所述射频控制板上布设所述微型无人机收发组件的射频链路，所述电源控制链路连接所述连接器，所述电源控制链路连接并控制所述射频链路，所述射频链路包括接收支路和发射支路；来自射频的信号经过所述接收支路的信号处理后输入，所述接收支路包括按照信号传输方向依次连接的第一数控衰减器、移相衰减多功能芯片、第一开关滤波器组芯片、第一双向放大器、第二开关滤波器组芯片、混频器、中频窄带滤波器、第二数控衰减器、第二双向放大器和中频低通滤波器；来自中频的信号经过所述发射支路的信号处理后输出，所述发射支路包括按照信号传输方向依次相连的所述中频低通滤波器、所述第二双向放大器、所述第二数控衰减器、所述中频宽带滤波器、所述混频器、所述第二开关滤波器组芯片、所述第一双向放大器、所述第一开关滤波器组芯片和所述移相衰减多功能芯片；所述移相衰减多功能芯片、第一开关滤波器组芯片和第二开关滤波器组芯片均采用MCM技术制成，所述移相衰减多功能芯片集成有收发开关、数控移相、数控衰减、放大器和串并转换功能。
2.根据权利要求1所述的微型无人机收发组件，其特征在于，所述组件外壳包括第一盒体、第二盒体、第一盖板、第二盖板、分离式隔框和内盖板，所述连接器设置在所述第一盒体上，所述第一盒体的正面开设空腔形成所述组件外壳内部的正面腔，所述射频控制板置于所述正面腔内，所述分离式隔框设置在所述射频控制板表面并对所述射频控制板上的器件进行空间隔离，所述第一盖板固定在所述正面腔的开口处；所述第一盒体的背面布设有传输线，所述第二盒体固定在所述第一盒体的背面，所述第二盖板固定在所述第二盒体的开口处，所述第一盒体、第二盒体和第二盖板之间形成所述组件外壳内部的反面腔，所述内盖板设置在所述反面腔中并设置在所述第一盒体的背面，所述电源控制板设置在所述反面腔中并设置在所述内盖板上。
3.根据权利要求2所述的微型无人机收发组件，其特征在于，所述第一盖板和第二盖板采用铝硅合金基材制成，所述第一盒体、第二盒体、分离式隔框和内盖板均采用铝合金基材制成，所述第一盒体、第二盒体、第一盖板、第二盖板、分离式隔框和内盖板之间通过激光焊接形成一体化。
4.根据权利要求2所述的微型无人机收发组件，其特征在于，所述射频控制板通过再流焊接方式焊接在所述正面腔中，所述电源控制板通过再流焊接方式焊接在所述反面腔中。
5.根据权利要求1所述的微型无人机收发组件，其特征在于，所述电源控制链路中包括上电保护电路，所述上电保护电路包括二极管、稳压二极管、三极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻和与门，所述二极管的正极通过所述第二电阻连接外部正电源，所述二极管的负极分别连接所述稳压二极管的负极、所述三极管的基极以及所述第三电阻，所述第三电阻的另一端接地，所述稳压二极管的正极连接外部负电源，所述三极管的发射极接地、集电极通过所述第一电阻连接所述外部正电源，所述三极管的集电极和所述第一电阻的公共端连接所述与门的一个输入端，所述与门的另一个输入端连接外部输入的发射脉冲调制信号，所述与门的输出端给发射电源供电。
6.根据权利要求1所述的微型无人机收发组件，其特征在于，所述电源控制链路中还包括温度补偿衰减器。
7.根据权利要求1所述的微型无人机收发组件，其特征在于，所述电源控制链路中还包括温度监测器。
8.根据权利要求1-7任一所述的微型无人机收发组件，其特征在于，所述微型无人机收发组件的尺寸为69mm*19mm*12mm。
9.根据权利要求1-7任一所述的微型无人机收发组件，其特征在于，所述中频窄带滤波器采用FBar滤波器。
10.根据权利要求1-7任一所述的微型无人机收发组件，其特征在于，所述中频宽带滤波器及中频低通滤波器分别采用MEMS滤波器。
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