Wie RF das Lebens-oder-Tod-Problem von SWaP löst

Das Space Shuttle war einst der Hauptträger des US-Raumfahrtprogramms – ehrlich gesagt des globalen Programms zur Weltraumerkundung und der Umsetzung von Satelliten. Das Space Shuttle (auch bekannt als Orbiter oder O V) begann 1969 mit der Entwicklung und erreichte 1981 den niedrigen Erdorbit. Insbesondere wird dem Energiesystem (EPS) besondere Bedeutung geschenkt. EPS umfasst die Speicherung und Verteilung von Reaktanten für Energiequellen, Brennstoffzellenkraftwerke (Stromerzeugung) sowie Stromverteilung und -steuerung. EPS bietet 28 VDC- und 115 VAC-Stromschienen für OV, was viel Zeit und Mühe dafür aufwendet. Diese Systeme und Subsysteme sind sehr komplex, umständlich und ineffizient, aber das Energiesystem ist ein entscheidender Teil der gesamten Nutzlastberechnung.

Fluggeschichte

Springen wir ins Jahr 2015: Mehrere unbemannte Luftfahrzeugprojekte waren in Entwicklung, die zu einer speziellen Kategorie gehörten: High Altitude Long Endurance (HALE). Eines der Projekte setzte sich das Ziel, fünf Jahre lang ohne Auftanken zu fliegen. Allein die Herausforderungen der Umwelt, des Flugzeugs und der Kraftwerkssysteme sind gewaltig; zudem ist der Fokus auf Stromerzeugung, -übertragung und -recycling entscheidend für den Erfolg solcher Projekte. Beim Design von Kommunikationssystemen sind Größe, Gewicht und Effizienz ebenfalls die wichtigsten Überlegungen. Glücklicherweise ist Analog Devices, Inc. (adi) sehr proaktiv bei der Bereitstellung solcher Geräte.

Ein gutes Beispiel ist die Transceiver-Serie von ADI, die vielfältig ist, das gesamte Spektrum abdeckt und eine hohe Integration, einen geringen Stromverbrauch und eine kompakte Größe aufweist. Eine ausführliche Diskussion dieser und anderer Gerätelösungen wird in diesem Artikel eingestreut.

Viele der in diesem Artikel beschriebenen Probleme und Lösungen werden anhand von Beispielen von Luftplattformen dargestellt, von denen einige auch auf Meeresplattformen anwendbar sind. Die Leser sollten verstehen, dass die Darstellung der Probleme und damit verbundenen Lösungen für luftgestützte und seegestützte Plattformen eng miteinander verbunden ist und oft eine andere Version desselben Systems darstellt.

Was ist SWaP BusinessPass?

Man kann sagen, dass Größe, Gewicht und Stromverbrauch (SWaP) die wichtigsten Kennzahlen sind, um neue Produkte, Projekte oder Plattformen zu definieren. Fast alle neu entwickelten Aufgaben – ob See, Luft, Boden, tragbar oder gehalten – teilen eine gemeinsame Anforderung: kleinere Aufgaben zu machen, weniger Ressourcen zu verbrauchen und mehr zur Gesamtfunktionalität des Systems beizutragen. Kürzlich sprach ich mit einem Radarsystemarchitekten über Phased-Array-Radar und Active Electronically Scanned Array (AESA), die Vogelperspektiven aus 15 bis 300 Metern bieten. Die Entwickler schlugen einige sehr clevere Ideen vor, um die Systemgenauigkeit, Reichweite und Datenübertragungsgeschwindigkeit zu verbessern. Doch die Anforderungen von SWaP machten all seine feinen Berechnungen nutzlos. Das aktuelle soziale, wirtschaftliche, politische und globale Umfeld begünstigt dünne und kleine Systeme. Im Laufe der Jahre scheint SWaP zu einem entscheidenden Antriebsfaktor geworden zu sein, der die Menschen zwingt, schwierige Abwägungen zwischen Systemleistungsverbesserungen und multifunktionalen Architekturen einzugehen.

und entdeckte den Anführer

Bevor wir einige Lösungen für SWaP-Probleme besprechen, werfen wir zunächst einen Blick auf einige der "Schuldigen", die das Problem ausgelöst haben.

Cu! Kupfer ist der bevorzugte Leiter für die Stromübertragung. Ein 1.000 Fuß langer, unisolierter AWG-Kupferdraht Nr. 5 wiegt fast 50 kg (100 Pfund). Noch schlimmer ist, dass der inhärente Widerstand von Kupferdraht dazu führt, dass ein Teil des Stroms als Wärme verschwendet wird. Ein weiterer "Bösewicht" ist die Größe traditioneller Geräte. Nehmen wir als Beispiel den Marineradar-Lokaloszillator (LO), wird LO gleichzeitig sowohl an den Sender als auch an den Empfänger gespeist. LO muss stabile Frequenzen mit niedrigen Obertönen erzeugen, und die höchsten Stabilitätsanforderungen müssen Temperatur, Spannung und mechanische Drift berücksichtigen. Oszillatoren müssen genügend Ausgangsleistung erzeugen, um nachfolgende Schaltungsstufen wie Mischer oder Frequenzmultiplikatoren effektiv anzutreiben. Sein Phasenrauschen muss sehr gering sein, da das Signaltiming entscheidend ist. Traditionell wird LO von unabhängigen, speziell entwickelten Subsystemen erzeugt und verteilt. Dasselbe gilt für Luftsysteme, bei denen die Zusammensetzung von Festkörperkomponenten zu großer Größe, hohem Energieverbrauch und einer sperrigen Leistung führt.

Das traditionelle Gerät, das Hochleistungs-HF für Systeme liefert, ist die Wanderwellenröhre (TWT). Da es also noch nicht kaputt ist, warum sollte man Songtai reparieren? Was ist Songtai TWT? Songtai TWT ist eine spezialisierte Vakuumröhre, die in elektronischen Geräten verwendet wird, um Mikrowellenfrequenzsignale (RF) zu verstärken. Breitband-TWT-Bandbreite kann bis zu einer Oktave betragen, aber abgestimmte (schmalbandige) Versionen sind häufiger; Der Betriebsfrequenzbereich reicht von 300 MHz bis 50 GHz. Diese TWT-Systeme können als effizient angesehen werden, sind aber einzelne Fehlerpunkte. Zuverlässigkeit ist ein ernstes Problem bei TWT. Die Zuverlässigkeit von Mikrowellenröhren hängt hauptsächlich von drei Faktoren ab. Erstens beeinflussen während der Herstellung auftretende Fehler die Zuverlässigkeit. Produktionsprobleme, schlechte Verarbeitung und mangelnde Prozesskontrolle sind die Hauptursachen für Herstellungsfehler. Zweitens hängt die Zuverlässigkeit der Wanderwellenröhre stark vom Betriebsprogramm und der Handhabung ab. Schließlich muss für einen zuverlässigen Betrieb eine ausreichend große Konstruktionsspanne zwischen dem Betriebspunkt und der endgültigen Konstruktionsfähigkeit des Rohrs bestehen. Das oben Genannte sind nur drei Beispiele unter den vielen Nachteilen von SWaP.

Rettet den Superhelden SWaP

Jeder Schurke braucht einen Superhelden, mit dem er umgehen kann. Fortschritte in der Halbleitertechnologie und der Geräteintegration haben eine entscheidende Rolle bei der Reduzierung von SWaP gespielt. Als Nächstes stellt dieser Artikel einige bedeutende Errungenschaften vor, die SWaP direkt beeinflussen und heutige und vorhersehbare technologische Sprünge ermöglichen. Im Folgenden werden drei Technologien besprochen: Festkörper-Leistungsverstärker, Geräteintegration und drahtlose Sensortechnologie.

Festkörper-Leistungsverstärker (SSPA) sind keine neue Technologie. GaAs (Galliumarsenid) und LDMOS (lateral diffus metal-oxide-semiconductor) werden seit vielen Jahren in Hochleistungsverstärkern verwendet. Siliziumbasierte LDMOS-FETs werden häufig in HF-Leistungsverstärkern von Basisstationen verwendet, da sie eine hohe Ausgangsleistung benötigen und die entsprechende Durchbruchspannung der Abflussquelle üblicherweise über 60 V liegt. Im Vergleich zu anderen Geräten wie GaAs FETs ist ihre maximale Leistungsgewinnfrequenz niedriger. LDMOS-FETs sind am effizientesten bei Betrieb unter 5 GHz. Ein Galliumarsenid-Feldeffekttransistor (GaAsFET) ist ein spezieller FET-Typ, der in Mikrowellen-HF-Festleiterverstärkerschaltungen verwendet wird. Sein Spektrum reicht von etwa 30 MHz bis zum Millimeterwellenband.

GaAsFETs sind berühmt für ihre hervorragende Empfindlichkeit, insbesondere für das sehr geringe interne Rauschen, das sie erzeugen. Die Leistungsdichte ist durch Durchbruchspannung begrenzt. Bei gutem Wetter kann die Durchschlagsspannung von GaAs MESFETs 20 V erreichen. Zusammengefasst: TWTs haben hohe Frequenz- und hohe Leistungsmerkmale, aber ihre Zuverlässigkeit, ihr Gewicht und die erforderlichen Unterstützungssubsysteme machen sie unbeliebt. LDMOS kann hohe Leistung liefern, arbeitet aber bei Frequenzen unter 5 GHz. GaAs MESFETs arbeiten bei sehr hohen Frequenzen, aber ihre niedrige Durchschlagsspannung begrenzt ihren Leistungsbereich auf etwa 10 W. Wo ist der "Held"? Hat Syntech eine Leapfrog SSPA-Technologie, um die Situation zu retten? BusinessTech SWaP bevorzugt Siliziumkarbid-Substrate mit Galliumnitrid (SiC-Substrat GaN). Sowohl GaN als auch SiC sind Materialien mit breiter Bandlücke und kombinierten Durchschlagsspannungen bis zu 150 V. Dies ermöglicht eine höhere Leistungsdichte und geringere Netzlasten, was die Impedanzanpassung erleichtert. SiC-Substrat GaN unterstützt Millimeterwellen-Leistungsgewinnfrequenzen (Ft ~ = 90 GHz, Fmax ~ 200 GHz).

Die Marktakzeptanz von SiC-Substrat-GaN-LEDs hat Wafer-Fabriken geholfen, Vertrauen aufzubauen und die Waferkosten zu senken. Die Bauteilstruktur von HF-Transistoren unterstützt eine Leistungsdichte von 5 W/mm. Die MSL-Bewertung des SiC-Substrats GaN liegt nahe an branchenanerkannten Bewertungen oder erfüllt sie. Das SiC-Substrat GaN hat breite Anerkennung als bahnbrechende Technologie erlangt und eine starke Marktaufmerksamkeit auf sich. Die größte Einschränkung für die Leistung des SiC-Substrats GaN ist der Wärmetransfer, und die Wärmeableitung vom Gerät ist das letzte Problem, das gelöst werden muss. Mit Siliziumsubstrat GaN gab es einige Erfolge, aber die geringere Wärmeleitfähigkeit begrenzt die Ausgangsleistung auf etwa 10 W. Diamantsubstrate mit GaN-Leistung sind die besten. Die durch wissenschaftliche Berechnungen berechnete Leistungsdichte ist zehnmal höher als die der derzeit verfügbaren SiC-Substrate in GaN.

Obwohl direktes GaN-Wachstum an einkristalligen Diamanten nachgewiesen wurde, schränkt die maximale Größe der derzeit verfügbaren monokristallinen Diamantsubstrate die Nutzung dieser Technologie ein. Regierungen und Rüstungsunternehmen sind die einzigen frühen Nutzer des Diamantsubstrats GaN. Ähnlich wie GaAs in den 1980er Jahren wird das GaN für Diamantsubstrat von diesen Regierungsbehörden überprüft, und mit zunehmender Zuverlässigkeit und sinkenden Kosten wird der kommerzielle Markt folgen. TWT verfügt über eine integrierte SPSPA-Alternative. ADI bietet einen Hochleistungsverstärker (HPA) mit bis zu 8 kW an, der viele SiC-Substrate von GaN SSPA in einer einzigen Einheit integriert. Der KHPA-0811 verwendet ein kompaktes dodekaedrisches Gehäuse, das darauf ausgelegt ist, hohe Leistung und kleine Größe auszubalancieren und gleichzeitig eine breite Bandbreite abzudecken.

Eliminierung nutzloser 'Anker' durch Integration

Der Begriff "Schiffanker" wird hier von der US Navy verwendet. Wenn ein großes elektronisches (oder anderes) Gerät veraltet wird und die Systemressourcen belastet, nennt man es einen "Schiffsanker". Ob bemannt oder autonom, luftgestützte Plattformen verfügen über viele Formen der luftgestützten Kommunikation. Sprache, Navigation, Daten, Bordsensoren, Radar und mehr haben alle eigene Kommunikationsverbindungen. Mit zunehmender Fülle des Horizonts wird die Liste der Verbindungen länger. Früher benötigte jedes System eine beträchtliche Menge an Fläche, Leistung und Unterstützungssubsystemen. Es ist wirklich bemerkenswert, dass die Antennenplattform starten kann. Jede Unze und jeder verbrauchte Watt muss sorgfältig berechnet werden, und das physische Systemdesign muss dem zugewiesenen Platz entsprechen. Es muss doch einen besseren Weg geben.

Der AD9361 ist ein leistungsstarker, hochintegrierter RF-Agile-Transceiver-Transceiver™. Der AD9671 stammt ebenfalls von ADI und bietet günstige Kosten, geringen Stromverbrauch und kompakte Größe. Fortschritte im Design integrierter Schaltungen (IC), System-in-Package (SiP) und System-on-Chip (SoC) haben diese sperrigen Systeme zu "Ankern" gemacht. Schauen wir uns ein gutes Beispiel für Systemintegration an. ADI hat einen branchenführenden Transceiver veröffentlicht, der eine große Anzahl von Hochleistungskommunikationsverbindungen in einem einzigen 10-mm× 10-mm-Gehäuse integriert. Das ursprüngliche Design war ursprünglich für 8-Kanal-Ultraschalllösungen vorgesehen, aber viele Systementwickler wollten COTS-Geräte wegen ihrer hohen Integration, niedrigen Kosten und einfachen Verfügbarkeit verwenden. Ultra-Breitband-, energiesparende und kostengünstige Transceiver ADF7242 ein weiteres Beispiel für integriertes Design, und auch Systeme außerhalb des ursprünglichen Designbereichs erwägen den Einsatz. Den "Anker" fallen lassen und SiP und SoC verwenden.

Das Abschneiden der kupferen 'Nabelschnur'

Ob bemannt oder unbemannt, Flugzeuge verfügen über Hunderte oder Tausende von Sensoren, viele mit Redundanz und Backup-Unterstützungssystemen. Es gibt eine große Vielfalt an Sensoren, darunter Klappen- und Querruderpositionssensoren, Motorvibrationssensoren, Bremstemperatursensoren und mehr, und die Zahl steigt stetig. Jeder Sensor und seine zugehörigen Redundanzen sind über große, schwere Kupferkabel und Edelstahl-/Aluminiumstecker mit der CPU verbunden. Das Problem ist, dass eine beträchtliche Menge an Plattformressourcen zur Unterstützung dieser Kabel und Verbindungen verwendet wird. Fortschritte in der HF-Technologie können auch SWaP einsparen, indem sie die Abhängigkeit von solchen Kabeln verringern. Viele große Flugzeughersteller arbeiten zusammen, um kommerzielle Fertigproduktetechnologien (COTS) zu zertifizieren, um Kupferverbindungen durch kostengünstige, zuverlässige Methoden zu ersetzen.

Der ADuCRF101 ist eine vollständig integrierte Datenerfassungslösung, die für leistungsschwache drahtlose Anwendungen entwickelt wurde. Beispielsweise verwendet er einen Inertialmesseinheitssensor (IMU) mit Ausgangsbandbreitenanforderungen unter mehreren Dutzend kHz, kombiniert mit ADIs integriertem RF-Transceiver und Präzisionsanalog-Mikrocontroller ARm® Cortex-M3®. Sein Design betont Flexibilität, Stabilität, Benutzerfreundlichkeit und geringen Stromverbrauch. Diese Kombination ist rein hypothetisch, könnte aber ein Beispiel für den Einsatz von Avionik-Sensortechnologie in Verbindung mit COTS-RF-Geräten sein. Es wird angenommen, dass solche RF-Lösungen bald eingesetzt werden, um SWaP zu retten.

Fazit

Das heutige soziale, politische und wirtschaftliche Umfeld verlangt, dass sich Luftplattform-Designer stärker auf Größe, Gewicht und Stromverbrauch konzentrieren. Die Reduzierung der Ressourcenbelastung des Systems kann die Reisezeiten verlängern, den Treibstoffbedarf senken und die Nutzlasteffizienz verbessern. Der wichtigste und interessanteste Fortschritt bei der Rettung von SWaP stammt direkt aus technologischen Fortschritten im RF-Bereich. Der günstigste Fortschritt ist auf die Verkleinerung der Größe, der Geräteintegration und die geringere Abhängigkeit von Kupferkabelverbindungen zurückzuführen, die durch den Wechsel von TWT zu SSPA entstanden sind. Es wird erwartet, dass die RF-Technologie die Luftfahrtindustrie noch viele Jahre am Boom hält. RF-Lösungen spielen eine unverzichtbare Rolle bei der Reduzierung von SWaP.