SWaP：“翱翔高空”抑或“望空兴叹”可能取决于RF解决方案
发布时间：2016-3-14 14:50
发布者：看门狗
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作者: Jarrett Liner 2015年，有多个无人飞行器项目处在开发阶段，它们属于一个特殊类别： 高空长航时(HALE)。 其中一个项目设定的目标是飞行5年而不用加注燃料。 单单环境、机身和电厂系统的挑战就令人生畏，不仅如此，还要关注电力的产生、输送和回收，这对此类项目的成功至关重要。 在通信系统的设计中，尺寸、重量和效率也是最重要的考虑。 幸运的是，ADI对提供此类器件非常积极。一个很好的例子是ADI公司的收发器系列，其种类多样、覆盖全频谱并具有高集成度、低功耗和小尺寸特性。 什么是SWaP？ 可以说，尺寸、重量和功耗(SWaP)是新产品、新项目或新平台定义中最重要的指标。 几乎所有新开发任务，无论海上、空中、地面、便携还是手持式，都有一个共同要求： 做得更小，使用更少的资源，为整体系统功能做出更大贡献。 最近同一名雷达系统架构师有过交谈，讨论的是相控阵雷达和有源电子扫描阵列(AESA)，从50英尺到1000英尺鸟瞰，设计师提出了一些非常聪明的设想来提高系统精度、范围和数据传输速度。 但是，SWaP要求使他的所有精细计算变得无用。 当前的社会、经济、政治和全球环境更喜欢瘦小系统。 这些年来，SWaP似乎已成为关键驱动因素，人们在系统性能改进和多功能架构方面不得不做出一些困难的取舍。 讨论SWaP问题的一些解决方案之前，我们先看看几个引发问题的“祸首”。 Cu！ 铜是电力传输的首选导体。 1000英尺无绝缘的AWG 5号铜线重量接近100磅(50 kg)。 更糟糕的是，铜线的固有电阻会导致部分电流以热的形式白白浪费。 另一个“坏蛋”是传统器件的尺寸。 以船用雷达本振(LO)为例， LO同时馈送至发射机和接收机。 LO必须产生具有低谐波的稳定频率，最高稳定性要求必须考虑温度、电压和机械漂移。 振荡器必须产生足够的输出功率以有效驱动后续电路级，比如混频器或频率倍增器。 其相位噪声必须很低，因为信号时序至关重要。 传统上，LO是由独立的专门设计的子系统产生和分配。 空中系统也是如此，固态器件组成导致其尺寸大、功耗高且笨重。 为系统提供高功率RF的传统器件是行波管(TWT)。 那好，既然还没坏，为什么要修？ 什么是TWT？ TWT是一种专用真空管，用在电子装置中以放大微波范围的射频(RF)信号。 宽带TWT的带宽可能高达一个倍频程，不过调谐（窄带）版本更常见；工作频率范围是300 MHz至50 GHz。 此类TWT系统可以说是高效的，但它们是单点故障。 可靠性是TWT的一个严重问题。 微波管可靠性主要取决于三个因素。 第一，制造过程中引入的缺陷会影响可靠性。 生产问题、做工不佳、缺少过程控制是引起制造缺陷的主要原因。 第二，行波管可靠性严重依赖于工作程序和处理。 最后，为了实现可靠工作，工作点与管的终极设计能力之间必须存在足够大的设计裕量。 以上只是SWaP的众多不利因素中的三个例子。 
图1. TWT效率、输出功率和重量随着时间推移而改进 拯救SWaP的超级英雄 每个坏蛋都需要一位超级英雄来收拾。 半导体技术和器件集成度的进步对降低SWaP发挥了重要作用。 本文接下来将介绍一些直接影响SWaP的重大成就，它们使当今和可预见未来的技术大跨越成为可能。 下面讨论三种技术： 固态功率放大器、器件集成和无线传感器技术。 固态功率放大器(SSPA)并非新技术。 GaAs（砷化镓）和LDMOS（横向扩散金属氧化物半导体）用于高功率放大器已有许多年。 硅基LDMOS FET广泛用于基站RF功率放大器，因为其要求高输出功率，相应的漏源击穿电压通常高于60 V。 与GaAs FET等其他器件相比，它们的最大功率增益频率较低。 LDMOS FET在5 GHz以下工作时效率最高。 砷化镓场效应晶体管(GaAsFET)是一种特殊类型的FET，用于微波射频固态放大器电路。 其频谱是从大约30 MHz到毫米波频段。 GaAsFET出名的原因是具有优异的灵敏度，尤其是产生的内部噪声非常低。 功率密度受击穿电压限制。 天气好时，GaAs MESFET的击穿电压可以达到20 V。 回顾一下，TWT具有高频率和高功率特性，但可靠性、重量和所需的支持子系统使其不受欢迎。 LDMOS可提供高功率，但工作频率低于5 GHz。 GaAs MESFET的工作频率非常高，但低击穿电压将其功率范围限制在10 W左右。 “英雄”在哪里？ 是否有跨越式SSPA技术来挽救危局？ SWaP喜欢碳化硅衬底氮化镓（SiC衬底GaN）。 GaN和SiC均为宽带隙材料，其组合击穿电压高达150 V。 这样就能实现更高的功率密度和更低的线路负载，阻抗匹配也更容易。 SiC衬底GaN支持毫米波段的功率增益频率（Ft ~ = 90 GHz，Fmax ~ 200 GHz）。 
图2. 不同工艺的功率与频率的关系 市场对SiC衬底GaN LED的欢迎帮助晶圆厂建立了信心并降低了晶圆成本。 RF晶体管的器件结构支持实现5 W/mm的功率密度。 SiC衬底GaN的MSL等级接近或达到了业界认可的额定值。 SiC衬底GaN作为突破性技术已获得广泛的认可，防务和商用市场趋之若鹜。 限制SiC衬底GaN性能的最大因素是传热，将热量从器件导出是最后待解决的问题。 在硅衬底GaN上获得了一些成功，但较低的热导率会将输出功率限制在10 W左右。 钻石衬底GaN性能最佳。 科学计算得出的功率密度要比当今可用的SiC衬底GaN高出10倍。 虽然已展示过在单晶钻石上直接生长GaN，但目前可用的单晶钻石衬底的最大尺寸限制了此项技术的采用。 政府和国防承包商是钻石衬底GaN的唯一早期采用者。 类似于1980年代的GaAs，钻石衬底GaN将由这些政府机构审查，随着可靠性提高和相关成本降低，商用市场就会跟进。 TWT有一个集成SSPA替代品。 ADI公司提供一款最高8 kW的高功率放大器(HPA)，其将许多SiC衬底GaN SSPA合并在单个单元中。 KHPA-0811采用小型十二面体封装，旨在兼顾大功率和小尺寸特性，同时覆盖宽带宽。 通过集成消除无用的“船锚” 这里所说的“船锚”是美国海军用语，当某种大型电子（或其他）设备因为过时而成为系统资源的负担时，便称之为“船锚”。 无论有人还是自主驾驶，空中平台都有许多形式的机载通信。 语音、导航、数据、机载传感器、雷达、弹 药追踪等都有自己的通信链路，随着天空越来越拥挤，战争舞台越来越复杂，链路名单变得越来越长。 过去，任何一个系统都需要相当多的面积、电源和支持子系统。 空中平台能够升空真是了不起。 每一盎司、每一耗瓦都要精打细算，物理系统设计必须与为其分配的空间相适应。 一定有更好的办法。 AD9361是一款高性能、高度集成的射频(RF) Agile Transceiver捷变收发器。AD9671同样出自ADI公司，具有低成本、低功耗、小尺寸等特性。集成电路(IC)设计、系统级封装(SiP)和系统化芯片(SoC)的进步，使得这些臃肿系统的“船锚”成为过去。 我们来看一个有关系统集成的好例子。 ADI公司已发布一款业界领先的收发器，其将大量高功耗的通信链路全部放入一个10 mm × 10 mm封装中。 原始设计本来是用于8通道超声方案，但许多商用和国防系统设计师希望使用COTS器件，因为其集成度高、成本低且容易获得。 超宽带、低功耗、低成本收发器ADF7242是集成设计的又一个例子，原始设计范围之外的系统也在考虑使用它。 丢掉“船锚”，用上SiP和SoC。 剪掉铜“脐带” 无论有人还是无人，商用和国防航空器都有成百上千的传感器，许多还有冗余和备用支持系统。 传感器种类五花八门，襟翼和副翼位置传感器、发动机振动传感器、制动温度传感器等等不一而足，而且在不断增多。 每个传感器及其相关冗余都通过又大又重的铜缆和不锈钢/铝制连接器连接到中央处理器。 问题是，相当多的平台资源被用来支撑这些电缆和互连。 RF技术进步同样能拯救SWaP，因为它可降低对此类电缆的依赖性。 许多主要机身制造商正在展开合作，对商用成品(COTS)技术进行认证，以求用低成本、可靠的方式取代铜互连。 ADuCRF101是一款针对低功耗无线应用而设计的完全集成式数据采集解决方案，例如，采用输出数据带宽要求低于数十kHz的惯性测量单元(IMU)传感器，并结合来自ADI公司的集成RF收发器的精密模拟微控制器ARM Cortex-M3。 其设计注重灵活性、稳定性、易用性和低功耗特性。 这种结合纯属假设，但会是航空电子传感器技术与COTS RF器件搭配使用的一个例子。 相信此类RF方案很快就会用来拯救SWaP。 结论 当今的社会、政治和经济环境要求空中平台设计者更加注重节约尺寸、重量和功耗。 降低系统资源负担可以延长航行时间，减少燃料要求，提高有效载荷效率。 节约SWaP的最重要且最有趣的进步直接来源于RF领域的技术进步。 最有利的进展得益于从TWT转向SSPA所带来的尺寸缩小、器件集成以及对铜缆互连依赖程度的降低。 RF技术有望使航空行业在未来许多年继续翱翔高空。 RF解决方案对降低SWaP功不可没。 
图3. ADuCRF101 |
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