凭借高效的线性高增益射频放大器，无人机信号更可靠，飞行性能更出色

航拍无人机的应用范围在持续扩大，涵盖从基础设施巡检、体育赛事报道，到货物投送、作物精准喷洒等众多领域。在上述和其他应用中，无人机操作人员依赖无人机与基站之间的强大通信功能，精确地控制飞行并传输大量数据。

同时，无人机需要在信号强度和电池性能之间取得平衡，并在拥挤的射频 (RF) 频段内工作。要解决这些难题，确保无人机安全、高效、可靠地运行，需要整合机械硬件、固态电子器件和处理能力。

可靠的射频通信

由于无人机的通信频率在 6 GHz 以下，而大多数信号都在超高频 (UHF) 频段（0.3 GHz 至 3 GHz），因此无人机之间的强大射频通信最重要的就是速度。天线、放大器、滤波器和开关组成了高效射频前端，必须能够对高频率的进出信号做出快速反应。

射频前端所需的快速开关集成电路 (IC) 由砷化镓 (GaAs) 和氮化镓 (GaN) 半导体材料制成。与硅基半导体相比，这些宽带隙材料具有更高的载流子迁移率，从而使 GaAs 和 GaN 晶体管具有更高的开关频率。

快速开关晶体管支持时分双工 (TDD) 系统，该系统可在单一频率上快速交替进行发射和接收工作。在无人机方面，TDD 技术规避了传统频分双工 (FDD) 系统的双工器和严格的屏蔽要求，从而减小了体积、减轻了重量并降低了功耗。尽管 TDD 需要额外关注时序和同步问题，但其能够动态地调整上行链路和下行链路的持续时长，从而优化数据传输性能。此外，TDD 系统还允许处于非工作状态的接收硬件进入低功耗休眠模式。

快速开关 GaAs 和 GaN IC 也支持软件定义无线电 (SDR)。软件定义无线电 (SDR) 使无人机操作人员能够通过软件链路，在单一硬件平台上调整无线电操作参数，如频率、发射功率和编码速率。SDR 能够支持不断演进的带宽需求，并使无人机能够适配不同地区的频率标准。

稳健的射频前端解决方案需要搭载集成了快速开关晶体管的敏捷电子器件，以支持 SDR 与 TDD 技术，同时保持低信噪比与良好的线性度。Qorvo 推出的射频前端解决方案在低噪声放大器与功率放大器中采用 GaAs 和 GaN IC，通过稳定可靠的远距离通信来保障可靠的无人机作业。

低噪声放大器可增强输入信号

在无人机作业中，传入的无线电信号会携带具有时间敏感性的飞行指令或其他任务信息。不过，这些信号相对较弱，很难从背景噪声中分离出来。像 QPL9547TR7（图 1）这样的低噪声放大器 (LNA) 被直接放置在信号链中的接收天线之后，以增强目标频段的微弱射频信号。

图 1：QPL9547TR7 LNA 可在很宽的频率范围内工作，2 mm 方形封装的低寄生性使其具有线性和低噪声性能。（图片来源：Qorvo）

Qorvo 的拟态高电子迁移率晶体管 (pHEMT) 工艺可在砷化镓半导体芯片上制造栅极长度为 0.15 µm、0.25 µm 或 0.5 µm 的固态晶体管。更短的栅长缩短了电子迁移距离，使晶体管能够实现更快的开关速度，从而最大限度降低噪声、提升增益并支持更大的带宽。

QPL9547TR7 LNA 的工作频率为 0.1 GHz 至 6 GHz，可支持射频前端经调谐后接收 UHF 无人机遥测信号、甚高频 (VHF) 无线电信号、LTE 和 5G 蜂窝信号或 Wi-Fi 信号。天线接收到这些信号后，QPL9547TR7 LNA 在 1.9 GHz 频率下可提供 19.5 dB 的典型增益，使放大后的信号比相对较弱的输入信号强 89 倍。

QPL9547TR7 LNA 还具有极低的噪声，其噪声系数仅为 0.3 dB。这些低噪声放大器的输出三阶截取点 (OIP3) 为 +39 dBm，具有良好的输出线性度，即使在拥挤的频段，也能在增强预期信号的同时忽略附近频率的三阶谐波。

QPL9547TR7 LNA 的物理设计有助于保持这些性能指标。其采用 8 引脚、2 mm x 2 mm、双扁平、无引线 (DFN) 表面贴装技术 (SMT) 封装，具有接地良好的短电气路径和较小的占地面积，可最大限度地减少会向微弱信号引入噪声的电容、电感和射频反射效应。这是一款独立的 IC，只需极少的外部元件，就能既节省 PCB 空间，又减少电容匹配需求。

QPL9547TR7 LNA 在 65 mA 的偏置设置下工作，从无人机电池中抽取的电流相对较小，可显著延长单次充电后的续航时间。该器件采用 3.3 V 和 5 VDC 之间的单正电源，因此可通过单直流电源轨供电。在已知频段的发射和接收时间是分开的 TDD 应用中，QPL9547TR7 LNA 可在发射阶段关闭电源，以进一步延长电池续航时间。

高效功率放大器支持高带宽数据

无人机需要 LAN 来确保持续接收飞行和任务指令，同时还需要将数据传输回基站。这就是功率放大器 (PA) 的用武之地，如 Qorvo 的 QPA9510TR7 功率放大器（图 2）。

图 2：QPA9510TR7 功率放大器利用 GaAs 半导体的快速开关能力，在 UHF 波段提供高功率、高增益放大。（图片来源：Qorvo）

QPA9510TR7 功率放大器位于信号链中发射天线的前方，可放大 100MHz 至 1GHz 频段的信号，以实现远距离传输。在该频段工作的无人机通常与采用 900 MHz 左右全球移动通信系统 (GSM) 标准的手持式控制设备建立连接。此外，QPA9510TR7 功率放大器的宽频率覆盖范围还支持甚高频 (VHF) 高端及特高频 (UHF) 中段信号的发射。

QPA9510TR7 功率放大器的增益高达 34 dB，可将信号强度提高 2,500 倍，能效达到 55%。这类放大器的峰值线性输出功率 (P1dB) 为 +35 dBm，即约 3.2 W，可实现可靠稳定的远距离射频通信。可通过模拟板载电源控制器在 70 dB 范围内调节增益。

电源控制器还有助于管理 QPA9510TR7 功率放大器对无人机机载电池的使用。电源控制器可以通过发送“低”逻辑信号来关闭放大器或将其置于睡眠或待机模式。这些功能有助于 QPA9510TR7 功率放大器在从 2.8 V - 3.6 V 或 3.6 V - 5 V 电源获取高达 208 mA 电流的同时，确保无人机电池的续航时间。

由于通过 QPA9510TR7 功率放大器的电能中有 45% 以热量形式散失，因此封装非常重要。该器件采用紧凑型 3 mm x 3 mm 四扁平无引线 (QFN) SMT 封装，具有较短的电气引线和良好的接地，类似于 QPL9547TR7 LNA 的 DFN 封装。这有助于最大限度地利用电路板空间，同时最大限度地降低噪音并保持线性度。QFN 封装通常具有裸焊盘，便于通过嵌入 PCB 的金属散热。通过被动散热系统，还可减轻风扇或其他冷却系统的重量并降低电气要求，从而延长电池续航时间。

结语

航拍无人机搭载的功率放大器与低噪声放大器，能够以高线性度和高增益处理 UHF 射频信号，同时高效利用电池电量、空间与重量资源。Qorvo 凭借在 GaAs 等宽禁带材料领域的雄厚的技术积累打造的 IC，完美地平衡了这些看似相互冲突的性能要求。这样，无人机就可以通过可靠的远距离射频连接，在农业、工业、媒体和商业环境中执行任务并传回数据。