چگونه RF مسئله مرگ و زندگی SWaP را حل می کند

شاتل فضایی زمانی حامل اصلی برنامه فضایی آمریکا بود—صادقانه بگویم، برنامه جهانی اکتشاف فضایی و پیاده سازی ماهواره ها. شاتل فضایی (که به نام مدارگرد یا O V نیز شناخته می شود) طراحی خود را در سال ۱۹۶۹ آغاز کرد و در سال ۱۹۸۱ به مدار پایین زمین رسید. به طور خاص، توجه ویژه ای به سیستم قدرت (EPS) شده است. EPS شامل ذخیره و توزیع واکنش دهنده های منبع برق، نیروگاه های سلول سوختی (تولید برق) و همچنین توزیع و کنترل برق است. EPS ریل های قدرت ۲۸ ولت DC و ۱۱۵ ولت AC را برای OV فراهم می کند و زمان و تلاش زیادی صرف این کار می کند. این سیستم ها و زیرسیستم ها بسیار پیچیده، دست وپاگیر و ناکارآمد هستند، اما سیستم قدرت بخش حیاتی از کل محاسبه محموله است.

تاریخچه پرواز

با گذشت زمان تا سال ۲۰۱۵، چندین پروژه هواپیمای بدون سرنشین در دست توسعه بود که در دسته بندی ویژه ای قرار داشتند: پرواز بلندمدت ارتفاع بالا (HALE). یکی از پروژه ها هدف داشت که پنج سال بدون سوخت گیری پرواز کند. چالش های محیط زیست، بدنه هواپیما و سیستم های نیروگاه به تنهایی بسیار دشوار است؛ علاوه بر این، تمرکز بر تولید، انتقال و بازیافت برق برای موفقیت چنین پروژه هایی حیاتی است. در طراحی سیستم های ارتباطی، اندازه، وزن و کارایی نیز مهم ترین ملاحظات هستند. خوشبختانه، شرکت Analog Devices, Inc. (adi) در ارائه چنین دستگاه هایی بسیار پیشگیرانه عمل می کند.

یک مثال عالی، سری فرستنده-گیرنده های ADI است که متنوع است، تمام طیف را پوشش می دهد و دارای یکپارچگی بالا، مصرف توان پایین و اندازه جمع وجور است. بحث مفصل درباره این راه حل ها و سایر راه حل های دستگاهی در سراسر این مقاله گنجانده خواهد شد.

بسیاری از مسائل و راه حل های این مقاله با استفاده از نمونه هایی از سکوهای هوایی نشان داده شده اند که برخی از آن ها برای سکوهای دریایی نیز کاربرد دارند. خوانندگان باید درک کنند که بیانیه مسائل و راه حل های مرتبط برای پلتفرم های هوایی و دریایی ارتباط نزدیکی دارد و اغلب نسخه متفاوتی از همان سیستم است.

SWaP BusinessPass چیست؟

می توان گفت اندازه، وزن و مصرف برق (SWaP) مهم ترین معیارها در تعریف محصولات، پروژه ها یا پلتفرم های جدید هستند. تقریبا همه وظایف تازه توسعه یافته—چه دریایی، هوایی، زمینی، قابل حمل یا نگهداری شده—یک شرط مشترک دارند: انجام کارهای کوچک تر، مصرف منابع کمتر و مشارکت بیشتر در عملکرد کلی سیستم. اخیرا با یک معمار سیستم رادار درباره رادار آرایه فازی و آرایه اسکن الکترونیکی فعال (AESA) صحبت کردم که دید از بالا از ۵۰ تا ۱۰۰۰ فوت ارائه می دهند. طراحان ایده های بسیار هوشمندانه ای برای بهبود دقت، برد و سرعت انتقال داده های سیستم ارائه دادند. با این حال، خواسته های SWaP تمام محاسبات دقیق او را بی فایده کرد. محیط اجتماعی، اقتصادی، سیاسی و جهانی کنونی به نفع سیستم های نازک و کوچک است. در طول سال ها، SWaP به یک عامل کلیدی تبدیل شده است که افراد را مجبور می کند بین بهبود عملکرد سیستم و معماری های چندمنظوره مصالحه های دشواری انجام دهند.

و رهبر گروه را کشف کرد

قبل از بحث درباره برخی راه حل ها برای مشکلات SWaP، بیایید ابتدا به چند مورد از «مقصران» که باعث ایجاد مشکل شدند نگاه کنیم.

مس Cu! رسانای ترجیحی برای انتقال توان است. یک سیم مسی بدون عایق AWG شماره ۵ به طول ۱۰۰۰ فوت تقریبا ۱۰۰ پوند (۵۰ کیلوگرم) وزن دارد. بدتر از آن، مقاومت ذاتی سیم مسی باعث می شود مقداری جریان به صورت گرما هدر برود. یکی دیگر از «دشمنان» اندازه دستگاه های سنتی است. با در نظر گرفتن نوسان ساز محلی رادار دریایی (LO) به عنوان مثال، LO به طور همزمان به فرستنده و گیرنده تغذیه می شود. LO باید فرکانس های پایدار با هارمونیک های پایین تولید کند و بالاترین الزامات پایداری باید دما، ولتاژ و رانش مکانیکی را در نظر بگیرد. اسیلاتورها باید توان خروجی کافی تولید کنند تا بتوانند مراحل بعدی مدار مانند میکسرها یا ضریب فرکانسی را به طور مؤثر راه اندازی کنند. نویز فاز آن باید بسیار پایین باشد زیرا زمان بندی سیگنال حیاتی است. به طور سنتی، LO توسط زیرسیستم های مستقل و ویژه تولید و توزیع می شود. همین موضوع در سیستم های هوایی نیز صدق می کند، جایی که ترکیب اجزای حالت جامد منجر به اندازه بزرگ، مصرف توان بالا و خروجی حجیم می شود.

دستگاه سنتی که فرکانس رادیویی پرقدرت را برای سیستم ها فراهم می کند، لوله موج متحرک (TWT) است. پس چون هنوز خراب نشده، چرا سونگتای را تعمیر کنیم؟ سونگتای TWT چیست؟ سونگتای TWT یک لامپ خلأ تخصصی است که در دستگاه های الکترونیکی برای تقویت سیگنال های فرکانس رادیویی (RF) در محدوده مایکروویو استفاده می شود. پهنای باند TWT پهن باند می تواند تا یک اکتاو باشد، اما نسخه های کوک شده (باند باریک) رایج تر هستند؛ دامنه فرکانسی عملیاتی از ۳۰۰ مگاهرتز تا ۵۰ گیگاهرتز است. این سیستم های TWT را می توان کارآمد دانست، اما نقاط شکست منفرد هستند. قابلیت اطمینان برای TWT یک مسئله جدی است. قابلیت اطمینان لامپ های مایکروویو عمدتا به سه عامل بستگی دارد. اول، نقص هایی که در طول تولید ایجاد می شوند بر قابلیت اطمینان تأثیر می گذارند. مشکلات تولید، کیفیت کار ضعیف و نبود کنترل فرآیند، از دلایل اصلی نقص های تولید هستند. دوم، قابلیت اطمینان لوله موج در حال حرکت به شدت به برنامه عملیاتی و هندلینگ بستگی دارد. در نهایت، برای اطمینان از عملکرد قابل اعتماد، باید فاصله طراحی کافی بین نقطه عملکرد و قابلیت نهایی طراحی لوله وجود داشته باشد. موارد فوق تنها سه نمونه از معایب متعدد SWaP هستند.

نجات ابرقهرمان SWaP

هر شروری به یک ابرقهرمان نیاز دارد تا با او مقابله کند. پیشرفت های فناوری نیمه هادی و یکپارچه سازی دستگاه ها نقش حیاتی در کاهش SWaP ایفا کرده است. در ادامه، این مقاله دستاوردهای مهمی را معرفی می کند که مستقیما بر SWaP تأثیر می گذارند و جهش های فناوری امروز و پیش بینی شده را ممکن می سازند. در ادامه، سه فناوری مورد بحث قرار گرفته اند: تقویت کننده های توان حالت جامد، یکپارچه سازی دستگاه ها و فناوری حسگر بی سیم.

تقویت کننده های توان حالت جامد (SSPA) فناوری جدیدی نیستند. GaAs (آرسنید گالیوم) و LDMOS (اکسید فلز-نیمه رسانای منتشر شده به صورت جانبی) سال هاست که در تقویت کننده های پرقدرت استفاده می شوند. FTهای LDMOS مبتنی بر سیلیکون به طور گسترده در تقویت کننده های توان RF ایستگاه پایه استفاده می شوند زیرا به توان خروجی بالایی نیاز دارند و ولتاژ شکست منبع تخلیه معمولا بالاتر از ۶۰ ولت است. در مقایسه با دستگاه های دیگر مانند GaAs FET، فرکانس حداکثر افزایش توان آن ها کمتر است. FTهای LDMOS زمانی بیشترین کارایی را دارند که زیر 5 گیگاهرتز کار کنند. ترانزیستور اثر میدان آرسنید گالیم (GaAsFET) نوع خاصی از FET است که در مدارهای تقویت کننده حالت جامد RF مایکروویو استفاده می شود. طیف آن از حدود ۳۰ مگاهرتز تا باند موج میلی متری متغیر است.

GaAsFET به خاطر حساسیت عالی شان، به ویژه نویز داخلی بسیار پایینی که تولید می کنند، مشهور هستند. چگالی توان توسط ولتاژ شکست محدود می شود. در هوای خوب، ولتاژ شکست MESFETهای GaAs می تواند به ۲۰ ولت برسد. خلاصه اینکه، TWTها دارای ویژگی های فرکانس و توان بالا هستند، اما قابلیت اطمینان، وزن و زیرسیستم های پشتیبانی مورد نیاز آن ها باعث شده محبوب نباشند. LDMOS می تواند توان بالایی ارائه دهد اما در فرکانس های زیر ۵ گیگاهرتز کار می کند. MESFETهای GaAs در فرکانس های بسیار بالا کار می کنند، اما ولتاژ شکست پایین آن ها محدوده توان آن ها را به حدود 10 وات محدود می کند. «قهرمان» کجاست؟ آیا Syntech فناوری SSPA جهشی برای نجات وضعیت دارد؟ BusinessTech SWaP ترجیح می دهد زیرلایه های سیلیکون کاربید با نیترید گالیوم (زیرلایه SiC GaN) را ترجیح دهد. هر دو GaN و SiC مواد با باندگپ وسیع هستند و ولتاژهای شکست ترکیبی تا ۱۵۰ ولت دارند. این امکان چگالی توان بالاتر و بارهای خط کمتر را فراهم می کند و تطبیق امپدانس را آسان تر می سازد. زیرلایه SiC GaN از فرکانس های بهره توان موج میلی متری (Ft ~ = 90 GHz، Fmax ~ 200 GHz) پشتیبانی می کند.

پذیرش بازار LEDهای GaN زیرلایه SiC به کارخانه های ویفر کمک کرده تا اعتماد به نفس پیدا کنند و هزینه های ویفر را کاهش دهند. ساختار دستگاه ترانزیستورهای RF از چگالی توان ۵ وات بر میلی متر پشتیبانی می کند. رتبه بندی MSL زیرلایه SiC GaN نزدیک یا مطابق با رتبه بندی های شناخته شده صنعت است. زیرلایه SiC GaN به عنوان یک فناوری پیشرو شناخته شده و توجه بازار را به خود جلب کرده است. بزرگ ترین محدودیت در عملکرد زیرلایه SiC GaN انتقال حرارت است و منحرف کردن حرارت از دستگاه آخرین مسئله ای است که باید حل شود. با زیرلایه سیلیکونی GaN موفقیت هایی حاصل شده است، اما رسانایی حرارتی پایین تر توان خروجی را به حدود ۱۰ وات محدود می کند. زیرلایه های الماسی با عملکرد GaN بهترین هستند. چگالی توان محاسبه شده توسط محاسبات علمی ده برابر بیشتر از زیرلایه های SiC موجود در GaN است.

اگرچه رشد مستقیم GaN روی الماس های تک کریستالی اثبات شده است، اما حداکثر اندازه زیرلایه های الماس تک بلورین موجود در حال حاضر پذیرش این فناوری را محدود می کند. دولت ها و پیمانکاران دفاعی تنها پذیرندگان اولیه زیرساخت الماس GaN هستند. مشابه GaAs در دهه ۱۹۸۰، زیرلایه الماس GaN توسط این نهادهای دولتی بازبینی خواهد شد و با بهبود قابلیت اطمینان و کاهش هزینه های مرتبط، بازار تجاری نیز به دنبال آن خواهد آمد. TWT یک جایگزین یکپارچه SSPA دارد. ADI یک تقویت کننده پرقدرت (HPA) با قدرت تا ۸ کیلووات ارائه می دهد که بسیاری از زیرلایه های SiC در GaN SSPA را در یک واحد ادغام می کند. KHPA-0811 از یک بسته دوازده وجهی جمع وجور استفاده می کند که برای تعادل بین توان بالا و اندازه کوچک و پوشش پهنای باند وسیع طراحی شده است.

حذف «لنگرهای» بی فایده از طریق ادغام

اصطلاح «لنگر کشتی» در اینجا اصطلاحی است که نیروی دریایی ایالات متحده به کار می برد. وقتی یک دستگاه الکترونیکی بزرگ (یا سایر دستگاه ها) قدیمی شده و باری بر منابع سیستم ایجاد می کند، به آن «لنگر کشتی» گفته می شود. چه سرنشین دار و چه خودمختار، سکوهای هوابرد اشکال مختلفی از ارتباطات هوابرد دارند. صدا، ناوبری، داده ها، حسگرهای داخلی، رادار و موارد دیگر هرکدام لینک های ارتباطی خاص خود را دارند. با شلوغ تر شدن آسمان، فهرست لینک ها طولانی تر می شود. در گذشته، هر سیستمی به مقدار قابل توجهی از زیرسیستم های منطقه، توان و پشتیبانی نیاز داشت. واقعا شگفت انگیز است که سکوی هوایی می تواند به پرواز درآید. هر اونس و هر وات مصرف شده باید با دقت محاسبه شود و طراحی فیزیکی سیستم باید با فضای اختصاص یافته به آن مطابقت داشته باشد. باید راه بهتری وجود داشته باشد.

AD9361 یک فرستنده-گیرنده™ RF چابک با عملکرد بالا و یکپارچه است. AD9671 نیز از ADI است و دارای هزینه پایین، مصرف توان پایین و اندازه جمع وجور است. پیشرفت ها در طراحی مدار مجتمع (IC)، سیستم در بسته بندی (SiP) و سیستم روی تراشه (SoC) این سیستم های حجیم را به عنوان «لنگر» به گذشته تبدیل کرده است. بیایید به یک مثال خوب از یکپارچه سازی سیستم نگاه کنیم. ADI یک فرستنده-گیرنده پیشرو در صنعت عرضه کرده است که تعداد زیادی لینک ارتباطی پرقدرت را در یک بسته ۱۰ میلی متری × ۱۰ میلی متری یکپارچه می کند. طراحی اولیه در ابتدا برای راه حل های اولتراسوند ۸ کاناله در نظر گرفته شده بود، اما بسیاری از طراحان سیستم به دلیل یکپارچگی بالا، هزینه کم و دسترسی آسان به دستگاه های COTS تمایل داشتند. ترنسیورهای فوق پهن باند، کم مصرف و کم هزینه نمونه دیگری از طراحی یکپارچه ADF7242 و سیستم هایی خارج از محدوده طراحی اصلی نیز در حال بررسی استفاده از آن هستند. لغو «لنگر» و استفاده از SiP و SoC.

قطع کردن «بند ناف» مسی

چه سرنشین دار و چه بدون سرنشین، هواپیماها صدها یا هزاران حسگر دارند که بسیاری از آن ها دارای سیستم های پشتیبان و پشتیبان هستند. انواع مختلفی از حسگرها وجود دارد، از جمله حسگرهای موقعیت فلپ و ایلرون، حسگرهای لرزش موتور، حسگرهای دمای ترمز و موارد دیگر، و این تعداد به طور مداوم در حال افزایش است. هر سنسور و افزونه های مرتبط با آن از طریق کابل های بزرگ و سنگین مسی و کانکتورهای استیل ضدزنگ/آلومینیوم به CPU متصل می شوند. مشکل این است که مقدار قابل توجهی از منابع پلتفرم برای پشتیبانی از این کابل ها و اتصالات استفاده می شود. پیشرفت های فناوری RF همچنین می تواند با کاهش وابستگی به چنین کابل هایی، SWaP را نجات دهد. بسیاری از تولیدکنندگان بزرگ بدنه هواپیما در حال همکاری برای تأیید فناوری های محصول نهایی تجاری (COTS) هستند تا اتصالات مسی را با روش های کم هزینه و قابل اعتماد جایگزین کنند.

ADuCRF101 یک راهکار کاملا یکپارچه برای جمع آوری داده است که برای کاربردهای بی سیم کم مصرف طراحی شده است. برای مثال، از حسگر واحد اندازه گیری اینرسی (IMU) با پهنای باند خروجی کمتر از چند ده کیلوهرتز استفاده می کند که با میکروکنترلر آنالوگ دقیق فرستنده-گیرنده RF ADI به نام ARm® Cortex-M3® ترکیب شده است. طراحی آن بر انعطاف پذیری، پایداری، سهولت استفاده و مصرف انرژی پایین تأکید دارد. این ترکیب صرفا فرضی است، اما می تواند نمونه ای از فناوری حسگر اویونیک باشد که همراه با دستگاه های RF COTS استفاده می شود. اعتقاد بر این است که چنین راه حل های RF به زودی برای نجات SWaP استفاده خواهند شد.

نتیجه گیری

محیط اجتماعی، سیاسی و اقتصادی امروز ایجاب می کند که طراحان پلتفرم هوایی بیشتر بر صرفه جویی در اندازه، وزن و مصرف برق تمرکز کنند. کاهش بار منابع سیستم می تواند زمان سفر را طولانی تر کند، نیاز به سوخت را کاهش دهد و کارایی محموله را بهبود بخشد. مهم ترین و جالب ترین پیشرفت در نجات SWaP مستقیما از پیشرفت های فناوری در حوزه RF حاصل شده است. مطلوب ترین پیشرفت به دلیل کاهش اندازه، یکپارچگی دستگاه ها و کاهش وابستگی به اتصالات کابل مسی ناشی از تغییر از TWT به SSPA است. انتظار می رود فناوری RF صنعت هوانوردی را برای سال های آینده به اوج خود ادامه دهد. راه حل های RF نقش ضروری در کاهش SWaP ایفا می کنند.