CN116232369B - 一种sip封装的无人机sdr系统芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种SIP封装的无人机SDR系统芯片，包括封装基板及封装于封装基板上的数据处理系统、电源系统、射频收发系统和射频前端系统；所述数据处理系统、电源系统、射频收发系统和射频前端系统之间或各系统内部之间的芯片采用直接打线和PCB走线的方式互连。本发明的SDR系统芯片大幅缩小了系统的体积，改善了散热，改善系统发射效率和接收灵敏度指标，同时还改善无人机SDR系统的跌落防摔性能，提高了系统性能和降低成本。同时该SDR系统芯片具有系统高度集成，体积大幅缩小和性能更优的优点。可改善发射功率灵活可调和由于SDR硬件设计带来的系统噪声，可达成射频收发器与软件算法理论设计值的99%的通信效率。
Description
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体地说，是涉及一种SIP封装的无人机SDR系统芯片。
背景技术
无人机研发、制造和应用是衡量一个国家科技创新和制造业水平的重要标志。产品小型化后可减小体积、减轻重量，利于携带，同时可以节省出宝贵的空间用于放置电池等。无人机系统比较复杂，包含摄像系统、飞行控制系统、数据链路系统和电池管理系统。其中摄像系统包含云台、镜头和主控CPU，飞行控制系统包含MPU和各类传感器。无人机的数据链路系统其实就是一个SDR（Software Defination Radio，软件定义无线电）系统，实现遥控指令收发和图像传输。电池管理系统是锂电池的管理和多电源电压产生。这些系统都由多颗芯片系统组合而成，占据了无人机的不少空间。如图1和图2所示的远距离传输SDR系统的PCBA（Printed Circuit Board Assembly，印刷电路板组装），系统板上密布各种芯片，已经难以进一步缩小体积。而且由于芯片摆放需要占据一定空间，使得布线空间减少，导致部分走线较长，而布线长会引来的信号衰减大和对旁边信号干扰大的问题，影响系统的性能和可靠性。
随着无人机系统中集成了上100颗传感器需要与SDR通信系统进行高带宽和低延时的实时交互通信，对无线电子系统芯片的使用数量也成指数增长，芯片数量的增长使得无人机通信电子系统的体积仍然较大，迫切需要进一步缩小体积。
发明内容
本发明的目的在于提供一种SIP封装的无人机SDR系统芯片，主要解决目前SDR系统的PCBA（印刷电路板组装）方案体积大的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种SIP封装的无人机SDR系统芯片，包括封装基板及封装于封装基板上的数据处理系统、电源系统、射频收发系统和射频前端系统；
所述射频前端系统放置于封装基板靠近封装基板的天线引脚端附近，用于接收射频信号；
所述射频收发系统放置于封装基板的中部，用于对收到的射频信号进行解码；
所述数据处理系统放置于封装基板的右下角，用于对解码的射频信号数据进行处理，并通过与无人机系统的主控CPU进行数据交互后收到发射数据指令，然后发出数据到射频收发系统进行编码，编码后的数据经过射频前端系统进行发送；
所述电源系统放置于封装基板的左上角和右上角，用于给射频前端系统、射频收发系统及数据处理系统供电；
其中，所述数据处理系统、电源系统、射频收发系统和射频前端系统之间或各系统内部之间的芯片采用直接打线和PCB走线的方式互连。
进一步地，本发明还包括与数据处理系统相连的GPS/GNSS信号解码单元，以及与GPS/GNSS信号解码单元相连的声表面波滤波器。
进一步地，在本发明中，所述数据处理系统包括FPGA芯片、DDR内存、Flash闪存和区域的PMU电源管理芯片；其中，DDR内存负责给FPGA工作提供数据暂存，Flash闪存负责程序存储和固化数据存储；其中，所述FPGA芯片与射频收发器进行数据高速传输通信，采用直接打线互连。
进一步地，在本发明中，所述数据处理系统包括集成MCU和DSP的SOC芯片、DDR内存、Flash闪存和区域的PMU电源管理芯片；其中，DDR内存负责给FPGA工作提供数据暂存，Flash闪存负责程序存储和固化数据存储；其中，所述SOC芯片与射频收发器进行数据高速传输通信，采用直接打线互连。
进一步地，在本发明中，所述射频前端系统包括实现700Mhz~2.8G、2.8G~6G频率信号收发的两路射频前端电路，每路所述射频前端电路包括与射频收发系统的接收引脚相连的低噪声放大器和与射频收发系统的发射引脚相连的功率放大器，以及与低噪声放大器、功率放大器另一端均相连的射频开关；其中，所述射频收发器与功率放大器之间直接打线互连；所述射频开关和低噪声放大器通过打线在封装基板上，经过阻抗匹配后接到封装基板的天线输出端。
进一步地，在本发明中，所述电源系统包含降压开关电源和升压开关电源，降压开关电源将锂电池电压3.7V转换为3.3V/2.4V/1.8V/1.2V电压输出，满足DDR内存、flash存储的大电流稳压供电需求；升压开关电源将锂电池电压3.7V转换为5V电压输出给射频前端系统供电。
进一步地，在本发明中，所述射频收发系统内预置有700Mhz~2.8G、2.8G~6G两个射频单元方便后期软件频率定义。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明的SDR系统芯片大幅的缩小了系统的体积，改善了散热，改善系统发射效率和接收灵敏度指标，同时还改善无人机SDR系统的跌落防摔性能，提高了系统性能和降低成本。
（2）经验证，本发明提出的SIP封装SDR系统芯片具有系统高度集成，体积大幅缩小和性能更优的优点。可改善发射功率灵活可调和由于SDR硬件设计带来的系统噪声，可达成射频收发器与软件算法理论设计值的99%的通信效率。
附图说明
图1为现有技术中的一种SDR系统的印刷电路板组装图。
图2为现有技术中的另一种SDR系统的印刷电路板组装图。
图3为本发明的SIP封装无人机SDR系统芯片封装图。
图4为本发明的SIP封装SDR系统结构示意图。
图5为本发明-实施例3的SDR系统结构图。
图6为本发明-实施例4的SDR系统结构图。
图7为现有技术的PCBA系统封装走线方式图。
图8为本发明的一种SIP封装路径打线方式示意图。
图9为本发明的另一种SIP封装路径打线方式示意图。
图10为本发明实施例的一种SIP封装无人机SDR系统芯片引脚图。
图11为本发明实施例的一种SIP封装无人机SDR系统统芯片正反面图。
其中，附图标记对应的名称为：
1-SOC芯片或FPGA芯片，2-射频收发器，3-GaN前级功率放大器，4-GaAs功率放大器，5-射频开关和低噪声放大器，6-GPS/GNSS信号解码单元，7-声表面波滤波器，8- DDR内存和Flash闪存，9-PMU电源管理芯片，10-升压开关电源，11-降压开关电源，12-第一芯片，13-第二芯片，14-封装基板，15-绑线，16-塑封体，17-封装引脚，18-PCB板。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
实施例1
如图3所示，本发明公开的一种SIP封装的无人机SDR系统芯片，包括封装基板14及封装于封装基板14上的数据处理系统、电源系统、射频收发系统和射频前端系统；所述射频前端系统放置于封装基板14靠近封装基板14的天线引脚端附近，用于接收射频信号；所述射频收发系统放置于封装基板14的中部，用于对收到的射频信号进行解码；所述数据处理系统放置于封装基板14的右下角，用于对解码的射频信号数据进行处理，并通过与无人机系统的主控CPU进行数据交互后收到发射数据指令，然后发出数据到射频收发系统进行编码，编码后的数据经过射频前端系统进行发送；所述电源系统放置于封装基板14的左上角和右上角，用于给射频前端系统、射频收发系统及数据处理系统供电；其中，所述数据处理系统、电源系统、射频收发系统和射频前端系统之间或各系统内部之间的芯片采用直接打线和PCB走线的方式互连。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于，在实施例1的基础上，本实施中还包括与数据处理系统相连的GPS/GNSS信号解码单元6，以及与GPS/GNSS信号解码单元6相连的声表面波滤波器7（SAW）。
实施例3
在本实施例中，所述数据处理系统包括FPGA芯片1、DDR内存、Flash闪存和区域的PMU电源管理芯片；其中，DDR内存负责给FPGA工作提供数据暂存，Flash闪存负责程序存储和固化数据存储；其中，所述FPGA芯片与射频收发器2进行数据高速传输通信，采用直接打线互连。
在本实施例中，所述射频前端系统包括实现700Mhz~2.8G、2.8G~6G频率信号收发的两路射频前端电路，每路所述射频前端电路包括与射频收发系统的接收引脚相连的低噪声放大器和与射频收发系统的发射引脚相连的功率放大器，以及与低噪声放大器、功率放大器另一端均相连的射频开关；其中，所述射频收发器2与功率放大器之间直接打线互连；所述射频开关和低噪声放大器通过打线在封装基板14上，经过阻抗匹配后接到封装基板14的天线输出端。
如图4所示，本实施例提出了一个将FPGA系统、电源系统、射频收发系统和射频前端系统进行SIP封装的解决方案，通过调整布局，优化系统，解决封装产生的问题，使得系统性能更出色，性价比更高。该系统可通过外接天线分别接收700Mhz~2.8G、2.8G~6G射频信号，其中700Mhz~2.8G、2.8G~6G射频信号分别经过RFswitch(射频开关)，这时RFswitch(射频开关)切换为输入，再分别通过LNA1和LNA2（低噪声放大器）放大，输入的射频信号经过低噪声放大器放大后通过RX输入到Transceiver(收发器)对射频信号进行解码，解码的数据送入到FPGA芯片（可编辑逻辑门阵列）系统进行处理，处理完成后可通过USB、SD、UART和RJ45等IO端口与主控CPU进行数据交互。同理的，FPGA系统通过USB、SD、UART和RJ45等IO端口与主控CPU进行数据交互后收到发射数据指令，然后发出数据到Transceiver芯片，经过编码后通过TX发送到PA（功率放大器）进行射频信号功率放大，这时RFswitch(射频开关)切换为输出，射频信号输出到天线发射出去。其中FPGA系统包含FPGA芯片1和DDR内存、Flash闪存和区域的PMU电源管理9，DDR内存负责给FPGA工作提供数据暂存，Flash闪存负责程序存储和固化数据存储。电源系统包含DCDC BUCK（降压开关电源11）和DCDC BOST（升压开关电源10），该DCDC BUCK（降压开关电源11）将锂电池电压3.7V转换为3.3V/2.4V/1.8V/1.2V等电压输出，满足DDR内存、flash存储IO端口和主控的大电流稳压供电需求。DCDC BOST（升压开关电源10）将锂电池电压3.7V转换为5V电压输出给射频前端系统供电。
实施例4
在本实施例中，所述数据处理系统包括集成MCU和DSP的SOC芯片1、DDR内存、Flash闪存和区域的PMU电源管理芯片9；其中，DDR内存负责给FPGA工作提供数据暂存，Flash闪存负责程序存储和固化数据存储；DDR内存和Flash闪存8在图3中合并展示，其中，所述SOC芯片与射频收发器2进行数据高速传输通信，采用直接打线互连。
在本实施例中，如图5所示，所述射频前端系统包括实现700Mhz~2.8G、2.8G~6G频率信号收发的两路射频前端电路，每路所述射频前端电路包括与射频收发系统的接收引脚相连的低噪声放大器和与射频收发系统的发射引脚相连的功率放大器，以及与低噪声放大器、功率放大器另一端均相连的射频开关；其中，所述射频收发器2与功率放大器之间直接打线互连；所述射频开关和低噪声放大器通过打线在封装基板14上，经过阻抗匹配后接到封装基板14的天线输出端。
本实施例提出了一个将SOC系统、电源系统、射频收发系统和射频前端系统进行SIP封装的解决方案，同时解决封装产生的问题，并优化系统，使得系统性能更出色，性价比更高。其中射频前端系统包括LNA（低噪声放大器）、RFswitch（射频开关）和GaN+GaAs PA（即GaN前级功率放大器3和GaAs功率放大器4），其中，射频开关和低噪声放大器5在图3中一并展示。SDR系统中采用集成度更高的定制SOC（片上系统）芯片，简化系统的同时还可以降低功耗。该定制SOC系统集成了MCU（微控制单元）和DSP（数字信号处理）。定制的PMU系统利用锂电池电源电压VBAT产生内部各种内部需要电源电压，简化了电源系统的设计。Transceiver包含700Mhz~2.8G、2.8G~6G两个射频单元方便后期软件频率定义，同时增加GPS（全球定位系统）/GNSS（全球导航卫星系统）信号解码模块（GPS/GNSS），增加了系统的定位功能。GPS/GNSS信号可经过SAW（声表面波滤波器）滤波后直接送入GPS/GNSS信号解码单元和数据预处理，然后再传给SOC系统处理。而700Mhz~2.8G、2.8G~6G信号经天线进来需要经过射频前端系统，经过RFswitch（射频开关）切换输入到LNA（低噪声放大器），经过低噪声放大后通过RX输入到SOC芯片进行射频解码和数据处理功能。数据处理完成后由USB、SD、UART和RJ45 IO端口与主控通讯。同理的信号发射时，由主控发出指令，由USB、SD、UART和RJ45 IO端口与SOC通讯，SOC经过数据处理后进行射频编码，然后由TX端口发射出去。其中700Mhz~2.8G、2.8G~6G信号需要GaAs PA（砷化镓功率放大器）进行射频功率再放大，然后经过RFswitch切换为输出送到外接天线。电源系统中的DCDC BUCK（降压开关电源11）采用了自有专利技术的降压芯片，专利号为CL202210870261.3，一种恒定导通时间控制模式转换器的定频控制电路及方法。采用专利技术的DCDC BUCK产生1.8V IO端口供电电压，具有EMI干扰更低的优点。由于SOC集成了PMU功能，所以降压电源系统得到了优化，只需供给一个1.8V电源电压。DCDC BOST（升压开关电源）将锂电池电压3.7V转换为5V/8V等电压输出给5G的射频前端系统供电。
可以知道该SDR系统主要发热器件在PA(功率放大器)和电源管理，本发明通过将功率放大器和电源管理芯片在系统上均匀分布，实现系统散热最优化。同时由于整体封装体积比单一芯片体积大，PA(功率放大器)和电源管理芯片具有更大散热面积，散热效果更优。PA(功率放大器)采用具有更大发射功率更优性能的GaAs PA（砷化镓功率放大器）和GaNPA（氮化镓功率放大器）前极搭配，使得通过软件可以定义不同功率场景和高速跳频功能的使用，减少由电子对抗带来的干扰风险，使用本SDR系统性能更出色。
如图7所示为原有PCBA（印刷电路组装）的封装走线方式，可以看到，第一芯片12的a端口需要先通过绑线15连接到封装引脚17，通过塑封体16封装成一个封装体，然后封装体引脚焊接到PCB板18（印刷电路板）上，通过一段PCB铜走线后连接到第二芯片13的b端口封装体引脚。同样的第二芯片13的b端口也需要通过绑线15连接到封装体引脚上。两颗芯片的a、b端口互连的路径较长，对射频信号具有一定的衰减。而且较长的走线路径对射频信号来说相当于一根天线，会对外发射干扰。为改善该问题本实施例中的SIP封装专门对射频路径进行了优化设计，如图8和图9所示的优化。如图8所示为本实施例SIP封装路径打线方式1，第一芯片12的端口a和第二芯片13的端口b分别通过绑线15接到一根短的铜走线19上进行阻抗匹配和普通互连。对部分需要阻抗优化的走线和非核心射频路径可采用图8的打线方式，通过将芯片端口a和b打线到短的铜走线上实现阻抗匹配。
图9为本实施例中SIP封装路径打线方式2，第一芯片12的端口a和第二芯片13的端口b直接通过一根绑线15进行互打线互连。对部分射频路径则可以直接将芯片端口a和b打线互连，通过优化绑线15长度和弧度实现阻抗匹配，这样射频信号路径更短，信号衰减更少，辐射干扰也更小。由于去掉了独立封装体的限制，SIP封装中的芯片和器件的间距更小，信号路径的设计也更灵活。良好的导热和更少的信号衰减，使得系统的发射功率更高。更短的射频信号路径使得系统的辐射干扰更小，从而获得更优的灵敏度。经验证，本发明提出的SIP封装SDR系统芯片由于高度集成，体积大幅缩小和对射频信号路径的设计优化，其性能相对PCBA的SDR系统更优。可改善发射功率和灵敏度1-2dBm，改善无线电的噪声1-2dBm。
图10为SIP封装无人机SDR系统芯片引脚图，图11为SIP封装无人机SDR系统芯片的正反面图。该引脚图和SIP芯片图示只是本发明的一个实施例，可以看到，SDR系统做成SIP封装后使用的引脚较少，大大降低了产品系统的复杂度，同时加强了系统跌落防摔性能，在无人机邻域具有极大的性能改善和创新性。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种SIP封装的无人机SDR系统，其特征在于，所述SDR系统应用于无人机通信，所述SDR系统包括封装基板及封装于封装基板上的数据处理系统、电源系统、射频收发系统和射频前端系统；
所述射频前端系统放置于封装基板靠近封装基板的天线引脚端附近，用于接收射频信号；
所述射频收发系统放置于封装基板的中部，用于对收到的射频信号进行解码；
所述数据处理系统放置于封装基板的右下角，用于对解码的射频信号数据进行处理，并通过与无人机系统的主控CPU进行数据交互后收到发射数据指令，然后发出数据到射频收发系统进行编码，编码后的数据经过射频前端系统进行发送；
所述电源系统放置于封装基板的左上角和右上角，用于给射频前端系统、射频收发系统及数据处理系统供电；
其中，所述数据处理系统、电源系统、射频收发系统和射频前端系统之间或各系统内部之间的芯片采用直接打线和PCB走线的方式互连；
所述射频前端系统包括实现700Mhz~2.8G、2.8G~6G频率信号收发的两路射频前端电路，每路所述射频前端电路包括与射频收发系统的接收引脚相连的低噪声放大器和与射频收发系统的发射引脚相连的功率放大器，以及与低噪声放大器、功率放大器另一端均相连的射频开关；其中，所述射频收发系统的射频收发器与功率放大器之间直接打线互连；所述射频开关和低噪声放大器通过打线在封装基板上，经过阻抗匹配后接到封装基板的天线输出端。
2.根据权利要求1所述的一种SIP封装的无人机SDR系统，其特征在于，还包括与数据处理系统相连的GPS/GNSS信号解码单元，以及与GPS/GNSS信号解码单元相连的声表面波滤波器。
3.根据权利要求1所述的一种SIP封装的无人机SDR系统，其特征在于，所述数据处理系统包括FPGA芯片、DDR内存、Flash闪存和区域的PMU电源管理芯片；其中，DDR内存负责给FPGA工作提供数据暂存，Flash闪存负责程序存储和固化数据存储；其中，所述FPGA芯片与射频收发器进行数据高速传输通信，采用直接打线互连。
4.根据权利要求2所述的一种SIP封装的无人机SDR系统，其特征在于，所述数据处理系统包括集成MCU和DSP的SOC芯片、DDR内存、Flash闪存和区域的PMU电源管理芯片；其中，DDR内存负责给FPGA工作提供数据暂存，Flash闪存负责程序存储和固化数据存储；其中，所述SOC芯片与射频收发器进行数据高速传输通信，采用直接打线互连。
5.根据权利要求4所述的一种SIP封装的无人机SDR系统，其特征在于，所述电源系统包含降压开关电源和升压开关电源，降压开关电源将锂电池电压3.7V转换为3.3V/2.4V/1.8V/1.2V电压输出，满足DDR内存、flash存储的大电流稳压供电需求；升压开关电源将锂电池电压3.7V转换为5V电压输出给射频前端系统供电。
6.根据权利要求5所述的一种SIP封装的无人机SDR系统，其特征在于，所述射频收发系统内预置有700Mhz~2.8G、2.8G~6G两个射频单元方便后期软件频率定义。
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