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RF解决方案优化飞行载具的重中之重——SWaP

时间:2016-09-13 作者:Jarrett Liner,ADI应用工程师 阅读:
无论是载人还是无人的载具,射频(RF)技术的进展都可为商业和防御型空中平台带来飞跃式的优势。
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商业和防御型空中平台在很多方面都不同,商用飞机高度重视安全和系统冗余,而防御型平台则较着重于多功能系统和电源管理。但是,将有用负载效率最大化却是商业和防御型机载平台共同关注的领域。每一盎司的重量、每一立方公分的空间以及每小时毫瓦电力,都要经过仔细地计算与规划——尺寸、重量和功率(SWaP)都是两者的重心。无论是载人还是无人的载具,射频(RF)技术的进展都可为商业和防御型空中平台带来飞跃式的优势。DQDEETC-电子工程专辑

飞行的历史

航天飞机曾经是美国太空计划的主力,而且,坦白说也是全球太空探索和卫星的执行计划。航天飞机或轨道飞行载具(OV)的设计始于1969年,并在1981年飞抵低轨道。具体来说,电力系统(EPS)是必须深入考虑的因素。EPS包括电源反应物的储存和配送、燃料电池的动力设备(电力的产生),以及电力分配和控制。EPS为OV提供28 VDC和115 VAC电源轨,从而在电力系统上花费许多时间和精力。这些系统和子系统都很复杂、笨重且效率低,但电力系统是总体有效负载计算中重要的一部份。DQDEETC-电子工程专辑

时间快转到2015年,有多个无人飞行载具(UAV)的计划正处于开发阶段,这些计划都属于一种特殊的类别︰高空长续航力(HALE)。特别的是,其中一项计划设定的目标是:5年不补充燃料的(unreplenished)飞行。除了环境、机身和动力设备系统需求所面临的挑战令人生畏,还得将注意力放在让这些计划付诸成功的关键:电力的产生、输送与回收(recapture)。因此,在通讯系统的设计时,就要将尺寸、重量和效率列为重要考虑事项。DQDEETC-电子工程专辑

什么是SWaP?

尺寸、重量和功率(SWaP),可说是新产品、项目或平台定义中最重要的指标。无论是海上、空中、陆地、可供人携带(man carried)或是手持式的,所有新的开发计划几乎都有一个共同的要求:做得更小、使用更少的资源,以及对系统整体功能作出最大的贡献。笔者曾经与一位雷达系统架构师讨论有关相位数组雷达以及50到1000英呎视野的主动电子扫描数组(AESA)的问题,以及设计工程师如何让一个聪明的构想提高系统的精度、范围和数据传输。但SWaP的挑战却毁了他所有经过仔细考虑的计算。在当前社会、经济、政治和全球环境的氛围之下,精简的系统才更合乎需求。近几年来,SWaP经常被认为是关键的驱动因素,从而为改善系统性能和多功能架构的考虑带来了难以取舍的抉择。DQDEETC-电子工程专辑

揪出罪魁祸首

在讨论SWaP问题的一些解决方案之前,先来看看几个引发这些问题的“祸首”。DQDEETC-电子工程专辑

那就是铜(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份电流以热的形式耗散掉 。另一个不利的因素是固有组件的尺寸。以舰载雷达本地振荡器(LO)为例,LO同时馈送至发射机和接收机,因此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、电压和机械漂移等。该振荡器必须产生足够的输出功率,才能有效地驱动后续电路级,如混频器或频率倍频器等。其相位噪声必须很低,其中讯号时序至关重要。传统上,LO是由独立且专门设计的子系统产生和分配。机载系统也是如此,所采用的固态组件组成导致其尺寸大、功耗高且笨重。DQDEETC-电子工程专辑

为系统提供高功率RF的传统组件是行波管(TWT)。那太好了,既然还没坏,为什么要修?什么是TWT?TWT是一种专用真空管,常用于电子装置中以放大微波范围的RF讯号。宽带TWT的带宽可能高达一个倍频程,不过调谐(窄频)版本更常见;其工作频率范围是300 MHz至50 GHz。此类TWT系统可以说是高效的,但都存在单点故障(single point of failure)。可靠性是TWT的一个严重问题。DQDEETC-电子工程专辑

微波管的可靠性主要取决于三个因素。第一,制造过程中导入的缺陷会影响可靠性。生产问题、做工不佳、缺少工艺控制都是导致制造缺陷的主要原因。第二,行波管的可靠性在很大程度上取决于操作程序和处理能力。最后,为了实现可靠的运作,操作点与管的终极设计能力之间必须存在足够的设计裕量。这些还只是影响SWaP的几个不利因素。
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图1:行波管的效率、输出功率和重量随着时间演进而改善*DQDEETC-电子工程专辑

拯救SWaP的超级英雄

每个反派角色都需要有一位超级英雄来收拾。半导体技术和组件整合度的进展对于降低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展现跨越式的进步,这包括三种技术:固态功率放大器、组件整合和无线传感器技术。DQDEETC-电子工程专辑

固态功率放大器(SSPA)并非新技术。砷化镓(GaAs)和横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)用于高功率放大器已有许多年。硅基LDMOS场效应晶体管(FET)已广泛用于基地台RF功率放大器,因为它要求高输出功率,相应的汲极击穿电压通常高于60V。相较于GaAs FET等其他组件,它们的最大功率增益频率较低。LDMOS FET在5GHz以下作业时效率最高。GaAs FET是一种特殊类型的FET,用于微波RF固态放大器电路,横跨从大约30MHz到毫米波频段的频谱。DQDEETC-电子工程专辑

GaAs FET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。正常情况下,GaAs 金属半导体场效晶体管(MESFET)的击穿电压可以达到20V。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5GHz。 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10W左右。 那么,“英雄”在哪里?是否有跨越式SSPA技术来力挽汪澜?SWaP喜欢碳化硅基氮化镓(GaN on SiC)。GaN和SiC均为宽能隙材料,其组合击穿电压高达150V,这使其易于实现更高的功率密度和更低的线路负载,也更容易进行阻抗匹配。在毫米波波段(Ft~= 90GHz,Fmax~200GHz)下,GaN on SiC支援功率增益。
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图2:不同工艺的功率与频率关系DQDEETC-电子工程专辑

市场对GaN on SiC LED的接受度有助于填补晶圆厂产能以及降低晶圆成本。RF晶体管的组件结构支持5W/mm的功率密度。GaN on SiC的MSL等级已接近或达到了业界认可的额定值。GaN on SiC已被广泛视为一种突破性技术,国防和商业市场正趋之若鹜。限制GaN on SiC性能的最大因素是热传导,将热量从组件导出是最后待解决的问题。目前已在硅基氮化镓(GaN on Silicon)上获得了一些成果,但较低的热导率会将输出功率限制在10W左右。目前,钻石基底氮化镓(GaN on diamond)性能最佳,科学计算出的功率密度比当今可用的GaN on SiC更高出10倍。
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图3:KHPA-0811 8 kW HPADQDEETC-电子工程专辑

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基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基底GaN的唯一早期采用者。类似于1980年代的GaAs,钻石基底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。DQDEETC-电子工程专辑

TWT有一个整合的SSPA替代品。如亚德诺半导体(Analog Devices, Inc.,ADI)提供最高8kW的高功率放大器(HPA),将许多GaN on SiC SSPA结合在单一单元中。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,同时涵盖宽广的带宽范围。DQDEETC-电子工程专辑

以整合取代船锚

这里所说的“船锚”(boat anchor)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”。无论是载人还是无人的载具,空中平台都有许多形式的机载通讯。这些通信链接会因语音、导航、数据、机载传感器、雷达与军用品追踪而发生改变,随着天空变得更加拥挤和战争的战场变得更加复杂,此一列表中的项目也会变得更多。DQDEETC-电子工程专辑

在过去,任何一个这种系统都需很大的空间、电力资源和支持的子系统。空中平台实际上就是机载的这一事实着实令人惊讶。每一盎司、每一毫瓦都要精打细算,实体系统的设计更要充分考虑,才能适应被分配到的空间。应该有一种更好的方式可以完成这样的设计工作。DQDEETC-电子工程专辑

IC设计的进步,再加上系统级封装(SiP)和系统单芯片(SoC)技术的进步,让以往那些笨重的大型系统成为“船锚”。例如,ADI提供的收发器产品组合。它们非常多样化,具有完整的光谱覆盖范围,而且是高度整合的解决方案,适合低功耗与占位面积小的组件。DQDEETC-电子工程专辑

高性能、高度整合的RF捷变收发器AD9361,在一个10 mm×10 mm的封装中加进了大量高功耗的通讯链路。AD9671则是针对低成本、低功耗、小尺寸所设计的产品,原先设计是用于8信道超音波的建置,但由于其高整合度、更低成本和可用性,使其成为许多商业和国防系统设计师寻求使用的商用现成(COTS)组件。超宽带、低功耗、低成本的收发器ADF7242也是整合设计的另一个例子,它甚至超越了原先设计范围的系统应用。DQDEETC-电子工程专辑

剪掉铜“脐带”

无论载人还是无人的载具,航空载具都有成千上百个传感器,许多还有冗余和备用支持系统。传感器种类五花八门,包括襟翼和副翼定位传感器、引擎振动传感器、制动温度传感器等等,而且还在不断增加中。这些传感器及其相关冗余都透过又大又重的铜缆和不锈钢或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持这些电缆和互连。RF技术的进步同样能拯救SWaP,因为它可降低对此类电缆的依赖性。许多主要的飞机制造商正展开合作,对COTS技术进行认证,以便开发出低成本、可靠的方式取代铜互连。DQDEETC-电子工程专辑

以一款输出数据带宽要求小于数十kHz的惯性测量单元(IMU)传感器,并结合ADI整合ARM Cortex M3与RF收发器的精密模拟微控制器(MCU)为例,这款精准的模拟MCU ADuCRF101是一款完全整合的数据撷取解决方案,专为低功耗无线应用而设计。其设计在于强调灵活性、稳健性、易用性和低功耗。这样的结合纯粹只是假设,但却是一个航空电子感测技术与现成RF组件搭配使用的例子。在不久的将来,相信此类RF方案很快就会用来拯救SWaP。DQDEETC-电子工程专辑

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,以及提高有效负载效率。节约SWaP最重要且最有趣的进步直接源于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、组件整合以及减少对铜缆互连的依赖。RF技术有望使航空产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。
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图4:ADuCRF101方块图DQDEETC-电子工程专辑

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