Cómo RF resuelve el tema de vida o muerte de SWaP

El Transbordador Espacial fue en su día el principal portador del programa espacial estadounidense—francamente, del programa global de exploración espacial e implementación de satélites. El transbordador espacial (también conocido como orbitador u O V) comenzó su diseño en 1969 y alcanzó la órbita terrestre baja en 1981. Específicamente, se presta especial atención al sistema eléctrico (EPS). El EPS incluye almacenamiento y distribución de fuentes de energía y reactivos, centrales de pila de combustible (generación eléctrica), así como distribución y control de energía. EPS proporciona raíles de alimentación de 28 VDC y 115 VAC para OV, dedicando mucho tiempo y esfuerzo a esto. Estos sistemas y subsistemas son muy complejos, engorrosos e ineficientes, pero el sistema de energía es una parte crucial de todo el cálculo de la carga útil.

Historial de vuelo

Avanzando hasta 2015, se estaban desarrollando varios proyectos de vehículos aéreos no tripulados, que pertenecían a una categoría especial: Larga Resistencia a Alta Altitud (HALE). Uno de los proyectos se estableció el objetivo de volar durante cinco años sin repostar. Los retos del medio ambiente, la estructura del avión y los sistemas de centrales eléctricas por sí solos son abrumadores; además, centrarse en la generación, transmisión y reciclaje de electricidad es crucial para el éxito de estos proyectos. En el diseño de sistemas de comunicación, el tamaño, el peso y la eficiencia son también las consideraciones más importantes. Afortunadamente, Analog Devices, Inc. (adi) es muy proactiva en ofrecer este tipo de dispositivos.

Un gran ejemplo es la serie de transceptores de ADI, que es diversa, cubre todo el espectro y cuenta con alta integración, bajo consumo energético y tamaño compacto. A lo largo de este artículo se intercalará una discusión detallada sobre estas y otras soluciones de dispositivos.

Muchos de los problemas y soluciones de este artículo se ilustran mediante ejemplos de plataformas aéreas, algunas de las cuales también son aplicables a plataformas marinas. Los lectores deben entender que la declaración de problemas y las soluciones relacionadas para plataformas aéreas y marítimas están estrechamente relacionadas y a menudo son una versión diferente del mismo sistema.

¿Qué es SWaP BusinessPass?

Se puede decir que el tamaño, el peso y el consumo energético (SWaP) son las métricas más importantes para definir nuevos productos, proyectos o plataformas. Casi todas las tareas recién desarrolladas —ya sean marítimas, aéreas, terrestres, portátiles o de almacenamiento— comparten un requisito común: hacer tareas más pequeñas, usar menos recursos y contribuir más a la funcionalidad global del sistema. Recientemente, hablé con un arquitecto de sistemas de radar sobre radar de matriz en fase y Matriz Escaneada Electrónicamente Activa (AESA), que ofrecen vistas aéreas desde 50 hasta 1000 pies. Los diseñadores propusieron ideas muy ingeniosas para mejorar la precisión del sistema, el alcance y la velocidad de transmisión de datos. Sin embargo, las exigencias de SWaP hicieron inútiles todos sus cálculos finos. El actual entorno social, económico, político y global favorece los sistemas delgados y pequeños. Con los años, SWaP parece haberse convertido en un factor clave, obligando a la gente a hacer compromisos difíciles entre mejoras en el rendimiento del sistema y arquitecturas multifuncionales.

y descubrió al cabecilla

Antes de hablar de algunas soluciones a los problemas de SWaP, veamos primero a algunos de los "culpables" que desencadenaron el problema.

El cobre Cu! es el conductor preferido para la transmisión de energía. Un cable de cobre AWG nº 5 sin aislamiento de 1.000 pies pesa casi 100 libras (50 kg). Peor aún, la resistencia inherente del cable de cobre hace que parte de la corriente se pierda en forma de calor. Otro "villano" es el tamaño de los dispositivos tradicionales. Tomando como ejemplo el oscilador local (LO) de radar marino, el LO se alimenta simultáneamente tanto al transmisor como al receptor. LO debe producir frecuencias estables con armónicos bajos, y los requisitos de estabilidad más altos deben tener en cuenta la temperatura, el voltaje y la deriva mecánica. Los osciladores deben generar suficiente potencia de salida para accionar eficazmente las etapas de circuito posteriores, como mezcladores o multiplicadores de frecuencia. Su ruido de fase debe ser muy bajo porque el tiempo de señal es crítico. Tradicionalmente, LO se genera y distribuye mediante subsistemas independientes y especialmente diseñados. Lo mismo ocurre con los sistemas aéreos, donde la composición de componentes en estado sólido resulta en gran tamaño, alto consumo energético y salida voluminosa.

El dispositivo tradicional que proporciona RF de alta potencia para sistemas es el tubo de onda viajera (TWT). Entonces, dado que aún no está roto, ¿por qué reparar Songtai? ¿Qué es Songtai TWT? Songtai TWT es un tubo de vacío especializado utilizado en dispositivos electrónicos para amplificar señales de radiofrecuencia (RF) de rango de microondas. El ancho de banda del TWT de banda ancha puede llegar hasta una octava, pero las versiones sintonizadas (banda estrecha) son más comunes; El rango de frecuencias de operación va de 300 MHz a 50 GHz. Estos sistemas TWT pueden considerarse eficientes, pero son puntos únicos de fallo. La fiabilidad es un problema serio para TWT. La fiabilidad de los tubos de microondas depende principalmente de tres factores. Primero, los defectos introducidos durante la fabricación afectan a la fiabilidad. Los problemas de producción, la mala calidad de la mano de obra y la falta de control de procesos son las principales causas de los defectos de fabricación. En segundo lugar, la fiabilidad del tubo de onda viajera depende en gran medida del programa de funcionamiento y del manejo. Finalmente, para garantizar un funcionamiento fiable, debe existir un margen de diseño suficientemente grande entre el punto de funcionamiento y la capacidad final de diseño del tubo. Los anteriores son solo tres ejemplos entre las muchas desventajas de SWaP.

Salva al superhéroe SWaP

Todo villano necesita un superhéroe con quien lidiar. Los avances en la tecnología de semiconductores e integración de dispositivos han desempeñado un papel crucial en la reducción del SWaP. A continuación, este artículo presentará algunos logros importantes que impactan directamente a SWaP, haciendo posibles los saltos tecnológicos actuales y previsibles. A continuación, se discuten tres tecnologías: amplificadores de potencia de estado sólido, integración de dispositivos y tecnología de sensores inalámbricos.

Los amplificadores de potencia de estado sólido (SSPA) no son una tecnología nueva. GaAs (arseniuro de galio) y LDMOS (semiconductor metálico de óxido metálico difundido lateralmente) se han utilizado durante muchos años en amplificadores de alta potencia. Los FET LDMOS basados en silicio se utilizan ampliamente en amplificadores de potencia RF para estaciones base porque requieren una alta potencia de salida, y el voltaje de ruptura correspondiente entre la fuente de drenaje suele ser superior a 60 V. En comparación con otros dispositivos como los GaAs FET, su frecuencia máxima de ganancia de potencia es menor. Los FET LDMOS son más eficientes cuando operan por debajo de 5 GHz. Un transistor de efecto de campo de arseniuro de galio (GaAsFET) es un tipo especial de FET utilizado en circuitos amplificadores de microondas de RF de estado sólido. Su espectro varía desde unos 30 MHz hasta la banda de onda milimétrica.

Los GaAsFET son famosos por su excelente sensibilidad, especialmente por el ruido interno muy bajo que generan. La densidad de potencia está limitada por el voltaje de ruptura. Con buen tiempo, el voltaje de ruptura de los MESFET de GaAs puede alcanzar los 20 V. Para recapitular, los TWT tienen características de alta frecuencia y alta potencia, pero su fiabilidad, peso y subsistemas de soporte requeridos los hacen impopulares. LDMOS puede suministrar alta potencia pero opera en frecuencias inferiores a 5 GHz. Los MESFET de GaA operan a frecuencias muy altas, pero su bajo voltaje de ruptura limita su rango de potencia a unos 10 W. ¿Dónde está el "héroe"? ¿Syntech tiene tecnología SSPA avanzada para salvar la situación? BusinessTech SWaP prefiere sustratos de carburo de silicio con nitruro de galio (SiC sustrato GaN). Tanto GaN como SiC son materiales de banda prohibida amplia, con tensiones combinadas de ruptura de hasta 150 V. Esto permite una mayor densidad de potencia y cargas de línea más bajas, facilitando la adaptación de impedancias. El GaN del sustrato SiC soporta frecuencias de ganancia de potencia en ondas milimétricas (Ft ~ = 90 GHz, Fmax ~ 200 GHz).

La aceptación en el mercado de los LEDs GaN de sustrato SiC ha ayudado a las fábricas de obleas a ganar confianza y reducir los costes de las obleas. La estructura del dispositivo de los transistores RF soporta una densidad de potencia de 5 W/mm. La calificación MSL del sustrato SiC GaN está cerca o cumple con las calificaciones reconocidas por la industria. El sustrato SiC GaN ha ganado un reconocimiento generalizado como una tecnología revolucionaria, atrayendo una fuerte atención en el mercado. La mayor limitación en el rendimiento del GaN de sustrato SiC es la transferencia de calor, y desviar calor del dispositivo es el último problema a resolver. Ha habido cierto éxito con el GaN de sustrato de silicio, pero la menor conductividad térmica limita la potencia de salida a unos 10 W. Los sustratos de diamante con rendimiento GaN son los mejores. La densidad de potencia calculada por cálculos científicos es diez veces mayor que la de los sustratos SiC actualmente disponibles en GaN.

Aunque se ha demostrado el crecimiento directo de GaN en diamantes monocristalinos, el tamaño máximo de los sustratos monocristalinos de diamante disponibles actualmente limita la adopción de esta tecnología. Los gobiernos y contratistas de defensa son los únicos primeros en adoptar el sustrato de diamante GaN. Similar a los GaAs en los años 80, el GaN de sustrato de diamante será revisado por estas agencias gubernamentales y, a medida que mejore la fiabilidad y disminuyan los costes relacionados, el mercado comercial seguirá el ejemplo. TWT tiene una alternativa integrada a SSPA. ADI ofrece un amplificador de alta potencia (HPA) de hasta 8 kW, que integra muchos sustratos SiC de GaN SSPA en una sola unidad. El KHPA-0811 utiliza un paquete compacto de dodecaedro, diseñado para equilibrar alta potencia y tamaño pequeño, cubriendo un ancho de banda amplio.

Eliminación de 'anclas' inútiles mediante la integración

El término "ancla de barco" aquí es un término utilizado por la Marina de los EE. UU. Cuando un gran dispositivo electrónico (u otro) queda obsoleto y se convierte en una carga para los recursos del sistema, se llama "ancla de barco". Ya sean tripuladas o autónomas, las plataformas aerotransportadas cuentan con muchas formas de comunicación aérea. Voz, navegación, datos, sensores a bordo, radar y más, todos tienen sus propios enlaces de comunicación. A medida que el cielo se llena más, la lista de enlaces crece. En el pasado, cualquier sistema requería una cantidad considerable de área, energía y subsistemas de soporte. Es realmente sorprendente que la plataforma aérea pueda despegar. Cada onza y cada vatio consumido deben calcularse cuidadosamente, y el diseño físico del sistema debe coincidir con el espacio asignado. Debe haber una forma mejor.

El AD9361 es un transceptor™ RF Agile de alto rendimiento y altamente integrado. El AD9671 también es de ADI, con bajo coste, bajo consumo de energía y tamaño compacto. Los avances en el diseño de circuitos integrados (CI), sistema en paquete (SiP) y sistema en chip (SoC) han convertido estos sistemas voluminosos en algo del pasado. Veamos un buen ejemplo de integración de sistemas. ADI ha lanzado un transceptor líder en la industria que integra un gran número de enlaces de comunicación de alta potencia en un único paquete de 10 mm × 10 mm. El diseño original estaba pensado originalmente para soluciones de ultrasonido de 8 canales, pero muchos diseñadores de sistemas querían utilizar dispositivos COTS debido a su alta integración, bajo coste y fácil disponibilidad. Los transceptores de banda ultraancha, bajo consumo y bajo coste ADF7242 otro ejemplo de diseño integrado, y sistemas fuera del ámbito original también están considerando su uso. Dejar caer el "ancla" y usar SiP y SoC.

Cortar el 'cordón umbilical' de cobre

Ya sean tripulados o no tripulados, los aviones cuentan con cientos o miles de sensores, muchos con sistemas de redundancia y de respaldo. Existe una gran variedad de sensores, incluyendo sensores de posición de alerones y alerones, sensores de vibración del motor, sensores de temperatura de frenos y más, y el número va en constante aumento. Cada sensor y sus redundancias asociadas están conectados a la CPU mediante grandes y pesados cables de cobre y conectores de acero inoxidable/aluminio. El problema es que se utiliza una cantidad considerable de recursos de plataforma para soportar estos cables e interconexiones. Los avances en la tecnología RF también pueden salvar SWaP al reducir la dependencia de dichos cables. Muchos de los principales fabricantes de fuselajes colaboran para certificar tecnologías de productos comerciales terminados (COTS) con el fin de reemplazar las interconexiones de cobre por métodos fiables y de bajo coste.

El ADuCRF101 es una solución de adquisición de datos totalmente integrada diseñada para aplicaciones inalámbricas de bajo consumo. Por ejemplo, utiliza un sensor de unidad de medición inercial (IMU) con requisitos de ancho de banda de salida inferiores a varias decenas de kHz, combinado con el microcontrolador analógico de precisión ARm® Cortex-M3® integrado de transceptor RF de ADI. Su diseño enfatiza la flexibilidad, la estabilidad, la facilidad de uso y el bajo consumo energético. Esta combinación es puramente hipotética, pero podría ser un ejemplo de la tecnología de sensores de aviónica utilizada junto con dispositivos RF COTS. Se cree que pronto se utilizarán tales soluciones RF para salvar SWaP.

Conclusión

El entorno social, político y económico actual exige que los diseñadores de plataformas aéreas se centren más en ahorrar tamaño, peso y consumo energético. Reducir la carga de recursos del sistema puede alargar los tiempos de viaje, disminuir los requerimientos de combustible y mejorar la eficiencia de la carga útil. El progreso más importante e interesante en la salvación de SWaP proviene directamente de los avances tecnológicos en el campo de la RF. El progreso más favorable se debe a la reducción de tamaño, la integración de dispositivos y la menor dependencia de las interconexiones de cables de cobre que trajo el cambio de TWT a SSPA. Se espera que la tecnología RF mantenga la industria aeronáutica en auge durante muchos años más. Las soluciones de RF desempeñan un papel indispensable en la reducción de SWaP.