飛行歷史

航天飛機(jī)曾是美國(guó)航天計(jì)劃——十分坦率的說，也是全球航天探索和衛(wèi)星實(shí)施計(jì)劃——的主力運(yùn)載工具。航天飛機(jī)(也稱軌道飛行器或O V)于1969年開始設(shè)計(jì)，并于1981年抵達(dá)低軌道。具體來說，其中對(duì)電力系統(tǒng)(EPS)給予了特別考慮。EPS包括電源反應(yīng)物存儲(chǔ)和分配、燃料電池發(fā)電廠(電力產(chǎn)生)以及電力分配和控制。EPS為OV提供28 VDC和115 VAC供電軌，在這上面花費(fèi)了很多時(shí)間和精力。這些系統(tǒng)和子系統(tǒng)非常復(fù)雜、笨重和低效，但電力系統(tǒng)是整個(gè)有效載荷計(jì)算的一個(gè)重要部分。

快進(jìn)到2015年，有多個(gè)無人飛行器項(xiàng)目正在開發(fā)階段，它們屬于一個(gè)特殊類別：高空長(zhǎng)航時(shí)(HALE)。其中一個(gè)項(xiàng)目設(shè)定的目標(biāo)是飛行5年而不用加注燃料。單單環(huán)境、機(jī)身和電廠系統(tǒng)的挑戰(zhàn)就令人生畏，不僅如此，還要關(guān)注電力的產(chǎn)生、輸送和回收，這對(duì)此類項(xiàng)目的成功至關(guān)重要。在通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，尺寸、重量和效率也是最重要的考慮。幸運(yùn)的是，Analog Devices, Inc. (ADI)對(duì)提供此類器件非常積極。

一個(gè)很好的例子是ADI公司的收發(fā)器系列，其種類多樣、覆蓋全頻譜并具有高集成度、低功耗和小尺寸特性。有關(guān)這些及其他器件解決方案的詳細(xì)討論將在本文中穿插進(jìn)行。

本文中的許多問題和解決方案都是結(jié)合空中平臺(tái)例子來說明，有些也適用船用平臺(tái)。讀者應(yīng)明白，空基和海基平臺(tái)的問題陳述和相關(guān)解決方案具有密切聯(lián)系，常常是同一系統(tǒng)的不同版本。

什么是SWaP？

可以說，尺寸、重量和功耗(SWaP)是新產(chǎn)品、新項(xiàng)目或新平臺(tái)定義中最重要的指標(biāo)。幾乎所有新開發(fā)任務(wù)，無論海上、空中、地面、便攜還是手持式，都有一個(gè)共同要求：做得更小，使用更少的資源，為整體系統(tǒng)功能作出更大貢獻(xiàn)。最近同一名雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)師有過交談，討論的是相控陣?yán)走_(dá)和有源電子掃描陣列(AESA)，從50英尺到1000英尺鳥瞰，設(shè)計(jì)師提出了一些非常聰明的設(shè)想來提高系統(tǒng)精度、范圍和數(shù)據(jù)傳輸速度。但是，SWaP要求使他的所有精細(xì)計(jì)算變得無用。當(dāng)前的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、政治和全球環(huán)境更喜歡瘦小系統(tǒng)。這些年來，SWaP似乎已成為關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，人們?cè)谙到y(tǒng)性能改進(jìn)和多功能架構(gòu)方面不得不做出一些困難的取舍。

揪出禍?zhǔn)?/p>

討論SWaP問題的一些解決方案之前，我們先看看幾個(gè)引發(fā)問題的“禍?zhǔn)住薄?/p>

Cu！銅是電力傳輸?shù)氖走x導(dǎo)體。1000英尺無絕緣的AWG 5號(hào)銅線重量接近100磅(50 kg)。更糟糕的是，銅線的固有電阻會(huì)導(dǎo)致部分電流以熱的形式白白浪費(fèi)。另一個(gè)“壞蛋”是傳統(tǒng)器件的尺寸。以船用雷達(dá)本振(LO)為例，LO同時(shí)饋送至發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。LO必須產(chǎn)生具有低諧波的穩(wěn)定頻率，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驅(qū)動(dòng)后續(xù)電路級(jí)，比如混頻器或頻率倍增器。其相位噪聲必須很低，因?yàn)?a target="_blank">信號(hào)時(shí)序至關(guān)重要。傳統(tǒng)上，LO是由獨(dú)立的專門設(shè)計(jì)的子系統(tǒng)產(chǎn)生和分配。空中系統(tǒng)也是如此，固態(tài)器件組成導(dǎo)致其尺寸大、功耗高且笨重。

為系統(tǒng)提供高功率RF的傳統(tǒng)器件是行波管(TWT)。那好，既然還沒壞，為什么要修？什么是TWT？TWT是一種專用真空管，用在電子裝置中以放大微波范圍的射頻(RF)信號(hào)。寬帶TWT的帶寬可能高達(dá)一個(gè)倍頻程，不過調(diào)諧(窄帶)版本更常見；工作頻率范圍是300 MHz至50 GHz。此類TWT系統(tǒng)可以說是高效的，但它們是單點(diǎn)故障。可靠性是TWT的一個(gè)嚴(yán)重問題。微波管可靠性主要取決于三個(gè)因素。第一，制造過程中引入的缺陷會(huì)影響可靠性。生產(chǎn)問題、做工不佳、缺少過程控制是引起制造缺陷的主要原因。第二，行波管可靠性嚴(yán)重依賴于工作程序和處理。最后，為了實(shí)現(xiàn)可靠工作，工作點(diǎn)與管的終極設(shè)計(jì)能力之間必須存在足夠大的設(shè)計(jì)裕量。以上只是SWaP的眾多不利因素中的三個(gè)例子。

圖1. TWT效率、輸出功率和重量隨著時(shí)間推移而改進(jìn)

拯救SWaP的超級(jí)英雄

每個(gè)壞蛋都需要一位超級(jí)英雄來收拾。半導(dǎo)體技術(shù)和器件集成度的進(jìn)步對(duì)降低SWaP發(fā)揮了重要作用。本文接下來將介紹一些直接影響SWaP的重大成就，它們使當(dāng)今和可預(yù)見未來的技術(shù)大跨越成為可能。下面討論三種技術(shù)：固態(tài)功率放大器、器件集成和無線傳感器技術(shù)。

固態(tài)功率放大器(SSPA)并非新技術(shù)。GaAs (砷化鎵)和LDMOS(橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體)用于高功率放大器已有許多年。硅基LDMOS FET廣泛用于基站RF功率放大器，因?yàn)槠湟蟾咻敵龉β剩鄳?yīng)的漏源擊穿電壓通常高于60 V。與GaAs FET等其他器件相比，它們的最大功率增益頻率較低。LDMOS FET在5 GHz以下工作時(shí)效率最高。砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管(GaAsFET)是一種特殊類型的FET，用于微波射頻固態(tài)放大器電路。其頻譜是從大約30 MHz到毫米波頻段。

GaAsFET出名的原因是具有優(yōu)異的靈敏度，尤其是產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲非常低。功率密度受擊穿電壓限制。天氣好時(shí)，GaAsMESFET的擊穿電壓可以達(dá)到20 V。回顧一下，TWT具有高頻率和高功率特性，但可靠性、重量和所需的支持子系統(tǒng)使其不受歡迎。LDMOS可提供高功率，但工作頻率低于5 GHz。GaAs MESFET的工作頻率非常高，但低擊穿電壓將其功率范圍限制在10 W左右。“英雄”在哪里？是否有跨越式SSPA技術(shù)來挽救危局？SWaP喜歡碳化硅襯底氮化鎵(SiC襯底GaN)。GaN和SiC均為寬帶隙材料，其組合擊穿電壓高達(dá)150 V。這樣就能實(shí)現(xiàn)更高的功率密度和更低的線路負(fù)載，阻抗匹配也更容易。SiC襯底GaN支持毫米波段的功率增益頻率(Ft ~ = 90 GHz，F(xiàn)max ~ 200 GHz)。

圖2. 不同工藝的功率與頻率的關(guān)系

市場(chǎng)對(duì)SiC襯底GaN LED的歡迎幫助晶圓廠建立了信心并降低了晶圓成本。RF晶體管的器件結(jié)構(gòu)支持實(shí)現(xiàn)5 W/mm的功率密度。SiC襯底GaN的MSL等級(jí)接近或達(dá)到了業(yè)界認(rèn)可的額定值。SiC襯底GaN作為突破性技術(shù)已獲得廣泛的認(rèn)可，市場(chǎng)趨之若鶩。限制SiC襯底GaN性能的最大因素是傳熱，將熱量從器件導(dǎo)出是最后待解決的問題。在硅襯底GaN上獲得了一些成功，但較低的熱導(dǎo)率會(huì)將輸出功率限制在10 W左右。鉆石襯底GaN性能最佳。科學(xué)計(jì)算得出的功率密度要比當(dāng)今可用的SiC襯底GaN高出10倍。

圖3. KHPA-0811 8 kW HPA

雖然已展示過在單晶鉆石上直接生長(zhǎng)GaN，但目前可用的單晶鉆石襯底的最大尺寸限制了此項(xiàng)技術(shù)的采用。政府和國(guó)防承包商是鉆石襯底GaN的唯一早期采用者。類似于1980年代的GaAs，鉆石襯底GaN將由這些政府機(jī)構(gòu)審查，隨著可靠性提高和相關(guān)成本降低，商用市場(chǎng)就會(huì)跟進(jìn)。TWT有一個(gè)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)，其將許多SiC襯底GaN SSPA合并在單個(gè)單元中。KHPA-0811采用小型十二面體封裝，旨在兼顧大功率和小尺寸特性，同時(shí)覆蓋寬帶寬。

通過集成消除無用的“船錨”

這里所說的“船錨”是美國(guó)海軍用語(yǔ)，當(dāng)某種大型電子(或其他)設(shè)備因?yàn)檫^時(shí)而成為系統(tǒng)資源的負(fù)擔(dān)時(shí)，便稱之為“船錨”。無論有人還是自主駕駛，空中平臺(tái)都有許多形式的機(jī)載通信。

語(yǔ)音、導(dǎo)航、數(shù)據(jù)、機(jī)載傳感器、雷達(dá)等都有自己的通信鏈路，隨著天空越來越擁擠，鏈路名單變得越來越長(zhǎng)。過去，任何一個(gè)系統(tǒng)都需要相當(dāng)多的面積、電源和支持子系統(tǒng)。空中平臺(tái)能夠升空真是了不起。每一盎司、每一耗瓦都要精打細(xì)算，物理系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須與為其分配的空間相適應(yīng)。一定有更好的辦法。

AD9361是一款高性能、高度集成的射頻(RF) Agile Transceiver?捷變收發(fā)器。AD9671同樣出自ADI公司，具有低成本、低功耗、小尺寸等特性。集成電路(IC)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)級(jí)封裝(SiP)和系統(tǒng)化芯片(SoC)的進(jìn)步，使得這些臃腫系統(tǒng)的“船錨”成為過去。我們來看一個(gè)有關(guān)系統(tǒng)集成的好例子。ADI公司已發(fā)布一款業(yè)界領(lǐng)先的收發(fā)器，其將大量高功耗的通信鏈路全部放入一個(gè)10 mm × 10 mm封裝中。原始設(shè)計(jì)本來是用于8通道超聲方案，但許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)師希望使用COTS器件，因?yàn)槠浼啥雀摺⒊杀镜颓胰菀撰@得。超寬帶、低功耗、低成本收發(fā)器ADF7242是集成設(shè)計(jì)的又一個(gè)例子，原始設(shè)計(jì)范圍之外的系統(tǒng)也在考慮使用它。丟掉“船錨”，用上SiP和SoC。

剪掉銅“臍帶”

無論有人還是無人，航空器都有成百上千的傳感器，許多還有冗余和備用支持系統(tǒng)。傳感器種類五花八門，襟翼和副翼位置傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)傳感器、制動(dòng)溫度傳感器等等不一而足，而且在不斷增多。每個(gè)傳感器及其相關(guān)冗余都通過又大又重的銅纜和不銹鋼/鋁制連接器連接到中央處理器。問題是，相當(dāng)多的平臺(tái)資源被用來支撐這些電纜和互連。RF技術(shù)進(jìn)步同樣能拯救SWaP，因?yàn)樗山档蛯?duì)此類電纜的依賴性。許多主要機(jī)身制造商正在展開合作，對(duì)商用成品(COTS)技術(shù)進(jìn)行認(rèn)證，以求用低成本、可靠的方式取代銅互連。

ADuCRF101是一款針對(duì)低功耗無線應(yīng)用而設(shè)計(jì)的完全集成式數(shù)據(jù)采集解決方案，例如，采用輸出數(shù)據(jù)帶寬要求低于數(shù)十kHz的慣性測(cè)量單元(IMU)傳感器，并結(jié)合來自ADI公司的集成RF收發(fā)器的精密模擬微控制器ARM? Cortex?-M3。其設(shè)計(jì)注重靈活性、穩(wěn)定性、易用性和低功耗特性。這種結(jié)合純屬假設(shè)，但會(huì)是航空電子傳感器技術(shù)與COTS RF器件搭配使用的一個(gè)例子。相信此類RF方案很快就會(huì)用來拯救SWaP。

結(jié)論

當(dāng)今的社會(huì)、政治和經(jīng)濟(jì)環(huán)境要求空中平臺(tái)設(shè)計(jì)者更加注重節(jié)約尺寸、重量和功耗。降低系統(tǒng)資源負(fù)擔(dān)可以延長(zhǎng)航行時(shí)間，減少燃料要求，提高有效載荷效率。節(jié)約SWaP的最重要且最有趣的進(jìn)步直接來源于RF領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。最有利的進(jìn)展得益于從TWT轉(zhuǎn)向SSPA所帶來的尺寸縮小、器件集成以及對(duì)銅纜互連依賴程度的降低。RF技術(shù)有望使航空行業(yè)在未來許多年繼續(xù)翱翔高空。 RF解決方案對(duì)降低SWaP功不可沒。

圖4. ADuCRF101