SWaP越來越成為關(guān)鍵的驅(qū)動因素

國防和商業(yè)機(jī)載平臺在許多方面有所不同：國防平臺專注于多功能系統(tǒng)和電源管理，以實(shí)現(xiàn)電子戰(zhàn)，火控，雷達(dá)等關(guān)鍵任務(wù)功能，而商用飛機(jī)則高度重視安全性和系統(tǒng)冗余。兩者共同關(guān)注的一個領(lǐng)域是最大限度地提高有效載荷效率。每一盎司的重量，立方厘米的空間和毫瓦時的功率都經(jīng)過精心策劃，因?yàn)閮烧叨紝Ｗ⒂谄胶獬叽?，重量和功率（SWaP）。射頻技術(shù)的進(jìn)步可以為兩個市場的有人駕駛和無人駕駛飛機(jī)提供跨越式的優(yōu)勢。

SWaP可以說是新產(chǎn)品，項(xiàng)目或平臺定義中最重要的規(guī)范，從電子戰(zhàn)到航空電子設(shè)備。幾乎所有的新開發(fā)項(xiàng)目——無論是艦載、機(jī)載、陸地、載人還是手提——都有一個共同的要求：讓它變得更小，使用更少的資源，讓它對整體系統(tǒng)功能做出更大的貢獻(xiàn)。在當(dāng)前的社會、經(jīng)濟(jì)、政治和全球環(huán)境中，精益系統(tǒng)更可取。最近，SWaP似乎越來越成為關(guān)鍵的驅(qū)動因素，在系統(tǒng)性能增強(qiáng)和多功能架構(gòu)之間提供了艱難的權(quán)衡。

罪魁禍?zhǔn)阻b定

讓我們來看看一些歹徒，丑聞罪犯和大量繁重的角色。

銅是電力傳輸?shù)氖走x導(dǎo)體。一千英尺的 AWG 5 號銅線沒有絕緣層，重近 100 磅（50 千克）。雪上加霜的是，導(dǎo)線的固有電阻導(dǎo)致電流以散熱的形式被浪費(fèi)。陣容中的下一個肇事者是傳統(tǒng)組件尺寸。考慮艦載雷達(dá)本振（LO）的情況;LO 同時為發(fā)射器和接收器供電。LO必須產(chǎn)生具有低諧波的穩(wěn)定頻率，而最高穩(wěn)定性要求必須考慮溫度、電壓和機(jī)械漂移。振蕩器必須產(chǎn)生足夠的輸出功率，以有效地驅(qū)動電路的后續(xù)級，如混頻器或倍頻器。它必須具有低相位噪聲，其中信號的時序至關(guān)重要。從歷史上看，LO是由單獨(dú)和專門設(shè)計(jì)的子系統(tǒng)生成和分發(fā)的。機(jī)載系統(tǒng)也是如此：由于固態(tài)組件含量，體積大，耗電且笨重。

為系統(tǒng)提供高功率射頻（RF）的傳統(tǒng)組件是行波管（TWT），它是一種專用的真空管，用于電子學(xué)中放大微波范圍內(nèi)的RF信號（圖1）。寬帶TWT的帶寬可以高達(dá)一個八度，盡管調(diào)諧（窄帶）版本更常見;工作頻率范圍為 300 MHz 至 50 GHz。這些TWT系統(tǒng)有些效率，但它們是單點(diǎn)故障;微波管的可靠性很大程度上取決于三個因素。首先，在制造過程中引入的缺陷對可靠性產(chǎn)生不利影響，擔(dān)心生產(chǎn)問題，工藝差和缺乏過程控制。其次，管子的可靠性在很大程度上取決于操作程序和操作。最后，在工作點(diǎn)和管子的最終設(shè)計(jì)能力之間必須有足夠的設(shè)計(jì)裕量，以便可靠運(yùn)行。這些只是SWaP的眾多敵人中的三個例子。

圖 1：TWT在效率、輸出功率和重量方面隨時間變化的改進(jìn)圖示。

斯瓦普的超級英雄

半導(dǎo)體技術(shù)和組件集成的進(jìn)步在降低SWaP方面發(fā)揮了重要作用。固態(tài)功率放大器（SSPA）并不是一項(xiàng)新技術(shù)。砷化鎵（砷化鎵）和LDMOS（橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體）多年來一直用于高功率放大器。事實(shí)上，硅基LDMOS FET廣泛用于基站的RF功率放大器中，因?yàn)橐笫歉咻敵龉β剩湎鄳?yīng)的漏極到源極擊穿電壓通常高于60 V。砷化鎵場效應(yīng)晶體管（GaAsFET）是一種特殊類型的FET，用于微波射頻的固態(tài)放大器電路中。這跨越了從大約30 MHz到毫米波波段的頻譜（圖2）。

圖 2：每個進(jìn)程的功率級別。

GaAsFET以其靈敏度和產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲非常小而聞名。功率密度受擊穿電壓的限制;您可以使用GaAs MESFET在美好的一天獲得20 V故障。

讓我們回顧一下：TWT具有高頻和高功率，但可靠性，重量和所需的支持子系統(tǒng)使它們不受歡迎。GAAs MESFET以非常高的頻率工作，但低擊穿電壓將其限制在10 W功率范圍內(nèi)。

是否有 SSPA 跳躍式技術(shù)可以挽救這一天？SWaP喜歡碳化硅上的氮化鎵（碳化硅上的氮化鎵）。GaN和SiC均為寬帶隙材料，這意味著組合擊穿電壓高達(dá)150 V。這樣可以實(shí)現(xiàn)更高的功率密度以及更低的負(fù)載線，從而更容易進(jìn)行阻抗匹配。碳化硅上的氮化鎵可在毫米波段（英尺~=90 GHz，最大溫度~200 GHz）的頻率下獲得功率增益。

GaN在SiC LED上的市場接受度有助于填補(bǔ)晶圓廠并降低晶圓成本。RF晶體管的器件結(jié)構(gòu)可以達(dá)到5 W/mm的功率密度。SiC上GaN的MSL水平接近或達(dá)到行業(yè)可接受的評級。SiC上的GaN被廣泛認(rèn)為是中斷性技術(shù)，國防和商業(yè)市場對它的要求越來越高。GaN在SiC上的性能受到熱傳遞的限制最大;讓熱量從設(shè)備中帶走是最后一個要解決的問題。硅基氮化鎵取得了一些成功，但導(dǎo)熱系數(shù)的降低將輸出功率限制在接近10 W。最佳性能來自金剛石上的GaN，一些計(jì)算表明功率密度比GaN高10倍。

雖然GaN在單晶金剛石上的直接生長已被證明，但目前可用的單晶金剛石基板具有最大尺寸，這限制了該技術(shù)的采用。政府和國防承包商是GaN鉆石聯(lián)盟的唯一早期采用者。與20世紀(jì)80年代的GaAs類似，Diamond上的GaN將通過這些政府機(jī)構(gòu)進(jìn)行審查，隨著可靠性的提高和相關(guān)成本的降低，商業(yè)市場也將隨之而來。

臺灣世界貿(mào)易中心有一個集成的 SSPA 替代品。ADI公司提供高達(dá)8 KW的高功率放大器（HPA），將SiC SSPA上的許多氮化鎵組合成一個單元。KHPA-0811 采用小型十二面體封裝，可在小尺寸和寬帶寬范圍內(nèi)提供大量功率。

集成使船錨沉沒

一些背景：在美國海軍中，當(dāng)大型電子（或其他）設(shè)備過時并對系統(tǒng)資源造成負(fù)擔(dān)時，它被稱為“船錨”。機(jī)載平臺，無論是載人還是自主的，都將有許多形式的通信。這些通信鏈路各不相同，語音，導(dǎo)航，數(shù)據(jù)鏈路，機(jī)載傳感器鏈路，雷達(dá)，彈藥跟蹤以及隨著天空變得更加擁擠和戰(zhàn)場變得更加復(fù)雜而不斷。過去，這些系統(tǒng)中的任何一個都需要大量的空間、電源資源和支持子系統(tǒng)。機(jī)載平臺實(shí)際上是空中的，這一事實(shí)是驚人的。每盎司都被計(jì)算在內(nèi)，每一毫瓦都被計(jì)算在內(nèi)，物理系統(tǒng)設(shè)計(jì)相當(dāng)可觀，以適應(yīng)分配的空間。必須有更好的方法。集成電路（IC）設(shè)計(jì)的進(jìn)步，以及系統(tǒng)級封裝（SiP）和片上系統(tǒng)（SoC）的進(jìn)步，使昨天那些臃腫的系統(tǒng)成為船錨。

切斷銅臍帶

國防和商用飛機(jī)，有人駕駛和無人駕駛，有數(shù)百個，如果不是數(shù)千個，從電子戰(zhàn)到雷達(dá)再到溫度傳感器;許多都有冗余和備份支持系統(tǒng)。這些傳感器包括控制襟翼和副翼位置、導(dǎo)航和定位、發(fā)動機(jī)振動、制動溫度等的傳感器。這些傳感器中的每一個 - 以及它們的相關(guān)冗余 - 都通過由銅線和不銹鋼或鋁連接器組成的重型電纜連接到中央處理器。支持這些電纜和互連會消耗大量平臺資源。射頻技術(shù)進(jìn)步將通過減少對這些電纜的依賴性再次節(jié)省SWaP。許多主要的機(jī)身制造商正在共同努力，使商用現(xiàn)貨（COTS）技術(shù)成為銅互連的低成本，可靠的替代品。

例如：輸出數(shù)據(jù)帶寬要求小于數(shù)十 KHz的慣性測量單元（IMU）傳感器，結(jié)合帶RF收發(fā)器的精密模擬微控制器ARM Cortex M3，如ADI公司的ADuCRF101，這是一款完全集成的數(shù)據(jù)采集解決方案，專為低功耗無線應(yīng)用而設(shè)計(jì)。雖然現(xiàn)在這種結(jié)合純粹是假設(shè)的，但這將是航空電子傳感器技術(shù)與COTS RF組件配對的一個例子。在不久的將來，您可以隨時待命進(jìn)行這種類型的RF實(shí)現(xiàn)，以節(jié)省SWaP。

什么是有希望的

當(dāng)前的社會、政治和經(jīng)濟(jì)環(huán)境要求機(jī)載平臺設(shè)計(jì)人員更加注重節(jié)省尺寸、重量和功耗。系統(tǒng)資源負(fù)載的降低允許更長的飛行時間，更低的燃料需求和更有效的有效載荷余量。節(jié)省SWaP的最重要和最有趣的進(jìn)步直接來自RF社區(qū)的技術(shù)進(jìn)步。最有希望的是關(guān)于從TWT到SSPA的尺寸減小，組件集成以及減少對銅電纜互連的依賴。提供降低 SWaP 的解決方案拼寫為“RF”。

審核編輯：郭婷