Comment RF résout la question de vie ou de mort de SWaP

La navette spatiale fut autrefois le principal porte-avions du programme spatial américain — franchement, du programme mondial d’exploration spatiale et de mise en œuvre de satellites. La navette spatiale (également connue sous le nom d’orbiteur ou O V) a commencé sa conception en 1969 et a atteint l’orbite terrestre basse en 1981. Plus précisément, une attention particulière est accordée au système électrique (EPS). Le EPS comprend le stockage et la distribution des réactifs à source d’énergie, les centrales à piles à combustible (production d’électricité), ainsi que la distribution et le contrôle de l’énergie. L’EPS fournit des rails de puissance de 28 VDC et 115 VAC pour l’OV, ce qui y consacre beaucoup de temps et d’efforts. Ces systèmes et sous-systèmes sont très complexes, encombrants et inefficaces, mais le système d’alimentation est une partie cruciale du calcul global de la charge utile.

Historique des vols

Avançons jusqu’en 2015, plusieurs projets de véhicules aériens sans pilote étaient en développement, et ils appartenaient à une catégorie spéciale : High Altitude Long Endurance (HALE). L’un des projets fixait pour objectif de voler pendant cinq ans sans ravitaillement. Les défis liés à l’environnement, à la cellule et aux systèmes de centrales électriques sont à eux seuls décourageants ; de plus, se concentrer sur la production, le transport et le recyclage d’électricité est crucial pour le succès de tels projets. Dans la conception des systèmes de communication, la taille, le poids et l’efficacité sont également les considérations les plus importantes. Heureusement, Analog Devices, Inc. (adi) est très proactive dans la fourniture de tels appareils.

Un excellent exemple est la série de émetteurs-récepteurs d’ADI, qui est diversifiée, couvre tout le spectre, offre une forte intégration, une faible consommation d’énergie et une taille compacte. Une discussion détaillée de ces solutions et d’autres dispositifs sera entrecoupée tout au long de cet article.

Beaucoup des problèmes et solutions de cet article sont illustrés à l’aide d’exemples de plateformes aériennes, dont certaines sont également applicables aux plateformes marines. Les lecteurs doivent comprendre que l’énoncé des problèmes et les solutions associées pour les plateformes aériennes et maritimes est étroitement lié et constitue souvent une version différente du même système.

Qu’est-ce que SWaP BusinessPass ?

On peut dire que la taille, le poids et la consommation d’énergie (SWaP) sont les indicateurs les plus importants pour définir de nouveaux produits, projets ou plateformes. Presque toutes les tâches nouvellement développées — qu’elles soient maritimes, aériennes, terrestres, portables ou en tenue — partagent une exigence commune : effectuer des tâches plus petites, utiliser moins de ressources et contribuer davantage à la fonctionnalité globale du système. Récemment, j’ai discuté avec un architecte de systèmes radar au sujet du radar à réseau phasé et de l’Active Electronically Scanned Array (AESA), qui offrent des vues aériennes de 50 à 1000 pieds. Les concepteurs ont proposé des idées très ingénieuses pour améliorer la précision du système, la portée et la vitesse de transmission des données. Cependant, les exigences du SWaP rendaient tous ses calculs fins inutiles. L’environnement social, économique, politique et mondial actuel favorise les systèmes minces et petits. Au fil des années, SWaP semble être devenu un facteur clé, obligeant les gens à faire des compromis difficiles entre l’amélioration des performances système et les architectures multifonctionnelles.

et a découvert le meneur

Avant d’aborder quelques solutions aux problèmes de SWaP, examinons d’abord quelques-uns des « coupables » qui ont déclenché ce problème.

Le cuivre Cu ! est le conducteur préféré pour la transmission d’énergie. Un fil de cuivre AWG n° 5 non isolé de 1 000 pieds pèse près de 100 livres (50 kg). Pire encore, la résistance inhérente du fil de cuivre fait perdre un certain courant sous forme de chaleur. Un autre « méchant » est la taille des appareils traditionnels. Prenons l’exemple de l’oscillateur local (LO) radar marin, le LO est envoyé simultanément à l’émetteur et au récepteur. LO doit produire des fréquences stables avec de faibles harmoniques, et les exigences de stabilité les plus élevées doivent prendre en compte la température, la tension et la dérive mécanique. Les oscillateurs doivent générer suffisamment de puissance de sortie pour alimenter efficacement les étages du circuit suivants, tels que les mélangeurs ou les multiplicateurs de fréquence. Son bruit de phase doit être très faible car le timing du signal est critique. Traditionnellement, LO est générée et distribuée par des sous-systèmes indépendants et spécialement conçus. Il en va de même pour les systèmes aériens, où la composition des composants à semi-conducteurs entraîne une grande taille, une consommation d’énergie élevée et une production volumineuse.

Le dispositif traditionnel qui fournit une RF de haute puissance pour les systèmes est le tube à onde voyageante (TWT). Alors, puisqu’il n’est pas encore cassé, pourquoi réparer Songtai ? Qu’est-ce que Songtai TWT ? Songtai TWT est un tube à vide spécialisé utilisé dans les appareils électroniques pour amplifier les signaux radiofréquences (RF) à portée micro-ondes. La bande passante large bande des TWT peut aller jusqu’à une octave, mais les versions accordées (bande étroite) sont plus courantes ; La plage de fréquences de fonctionnement va de 300 MHz à 50 GHz. Ces systèmes TWT peuvent être considérés comme efficaces, mais ce sont des points de défaillance uniques. La fiabilité est un problème sérieux pour TWT. La fiabilité des tubes micro-ondes dépend principalement de trois facteurs. Premièrement, les défauts introduits lors de la fabrication affectent la fiabilité. Les problèmes de production, la mauvaise qualité de la main-d’œuvre et le manque de contrôle des procédés sont les principales causes des défauts de fabrication. Deuxièmement, la fiabilité du tube à onde mobile dépend fortement du programme de fonctionnement et de la manipulation. Enfin, pour assurer un fonctionnement fiable, il doit exister une marge de conception suffisamment grande entre le point de fonctionnement et la capacité ultime du tube. Ce qui précède ne sont que trois exemples parmi les nombreux inconvénients de SWaP.

Sauver le super-héros SWaP

Chaque méchant a besoin d’un super-héros à gérer. Les avancées dans la technologie des semi-conducteurs et l’intégration des dispositifs ont joué un rôle crucial dans la réduction du SWaP. Ensuite, cet article présentera quelques avancées majeures qui impactent directement SWaP, rendant possibles les sauts technologiques actuels et prévisibles. Trois technologies sont abordées ci-dessous : amplificateurs de puissance à semi-conducteurs, intégration de dispositifs et technologie de capteurs sans fil.

Les amplificateurs de puissance à semi-conducteurs (SSPA) ne sont pas une technologie nouvelle. Le GaAs (arséniure de gallium) et le LDMOS (semi-conducteur métallique diffusé latéralement) sont utilisés dans les amplificateurs à haute puissance depuis de nombreuses années. Les FET LDMOS à base de silicium sont largement utilisés dans les amplificateurs RF de station de base car ils nécessitent une forte puissance de sortie, et la tension de coupure correspondante entre la source de drain est généralement supérieure à 60 V. Comparés à d’autres appareils comme les GaAs FET, leur fréquence maximale de gain de puissance est plus faible. Les FET LDMOS sont les plus efficaces lorsqu’ils fonctionnent en dessous de 5 GHz. Un transistor à effet de champ à arséniure de gallium (GaAsFET) est un type spécial de FET utilisé dans les circuits amplificateurs RF à semi-conducteurs micro-ondes. Son spectre varie d’environ 30 MHz jusqu’à la bande des ondes millimétriques.

Les GaAsFET sont célèbres pour leur excellente sensibilité, notamment pour leur très faible bruit interne. La densité de puissance est limitée par la tension de rupture. Par beau temps, la tension de rupture des MESFET de GaAs peut atteindre 20 V. Pour résumer, les TWT possèdent des caractéristiques de haute fréquence et de forte puissance, mais leur fiabilité, leur poids et leurs sous-systèmes de soutien nécessaires les rendent impopulaires. Le LDMOS peut fournir une forte puissance mais fonctionne à des fréquences inférieures à 5 GHz. Les MESFET GaAs fonctionnent à des fréquences très élevées, mais leur faible tension de rupture limite leur plage de puissance à environ 10 W. Où est le « héros » ? Est-ce que Syntech dispose d’une technologie SSPA avancée pour sauver la situation ? BusinessTech SWaP préfère les substrats en carbure de silicium avec du nitrure de gallium (substrat SiC GaN). Le GaN et le SiC sont tous deux des matériaux à large bande interdite, avec des tensions de rupture combinées allant jusqu’à 150 V. Cela permet une densité de puissance plus élevée et des charges de ligne plus faibles, facilitant l’adaptation d’impédance. Le GaN du substrat SiC supporte des fréquences de gain de puissance millimétriques (Ft ~ = 90 GHz, Fmax ~ 200 GHz).

L’acceptation sur le marché des LED GaN en substrat SiC a permis aux usines de wafers de gagner en confiance et de réduire les coûts des wafers. La structure des dispositifs des transistors RF supporte une densité de puissance de 5 W/mm. La cote MSL du substrat SiC GaN est proche ou répond aux évaluations reconnues par l’industrie. Le substrat SiC GaN a acquis une large reconnaissance en tant que technologie révolutionnaire, attirant une forte attention sur le marché. La plus grande limitation des performances du GaN du substrat SiC est le transfert de chaleur, et la détournement de chaleur de l’appareil est le dernier problème à résoudre. Il y a eu un certain succès avec le GaN en substrat silicium, mais la conductivité thermique plus faible limite la puissance de sortie à environ 10 W. Les substrats diamantés avec des performances GaN sont les meilleurs. La densité de puissance calculée par des calculs scientifiques est dix fois supérieure à celle des substrats SiC actuellement disponibles dans le GaN.

Bien que la croissance directe du GaN sur des diamants monocristaux ait été démontrée, la taille maximale des substrats monocristallins diamantés actuellement disponibles limite l’adoption de cette technologie. Les gouvernements et les contractants de la défense sont les seuls premiers à adopter le substrat diamanté GaN. À l’instar des GaAs dans les années 1980, le GaN du substrat diamanté sera examiné par ces agences gouvernementales, et à mesure que la fiabilité s’améliore et que les coûts associés diminuent, le marché commercial suivra le mouvement. TWT propose une alternative SSPA intégrée. ADI propose un amplificateur haute puissance (HPA) jusqu’à 8 kW, qui intègre de nombreux substrats SiC de GaN SSPA en une seule unité. Le KHPA-0811 utilise un boîtier dodécaédrique compact, conçu pour équilibrer haute puissance et petite taille tout en couvrant une large bande passante.

Éliminer les « ancres » inutiles grâce à l’intégration

Le terme « ancre de navire » ici est utilisé par la marine américaine. Lorsqu’un gros appareil électronique (ou autre) devient obsolète et devient un fardeau pour les ressources du système, on l’appelle « ancre de navire ». Qu’elles soient habitées ou autonomes, les plateformes aéroportées disposent de nombreuses formes de communication aérienne. La voix, la navigation, les données, les capteurs embarqués, le radar, et bien plus encore ont tous leurs propres liens de communication. À mesure que le ciel devient plus dense, la liste des liens s’allonge. Par le passé, tout système nécessitait une quantité considérable de surface, d’énergie et de sous-systèmes de soutien. C’est vraiment remarquable que la plateforme aérienne puisse décoller. Chaque once et chaque watt consommé doivent être soigneusement calculés, et la conception du système physique doit correspondre à l’espace qui lui est alloué. Il doit bien y avoir une meilleure solution.

L’AD9361 est un émette-récepteur™ RF Agile hautement intégré et haute performance. L’AD9671 est également de chez ADI, offrant un faible coût, une faible consommation d’énergie et une taille compacte. Les avancées dans la conception de circuits intégrés (CI), le système dans le boîtier (SiP) et le système sur puce (SoC) ont fait de ces systèmes volumineux des « ancres » une chose du passé. Voyons un bon exemple d’intégration système. ADI a lancé un émetteur-récepteur de premier plan dans l’industrie qui intègre un grand nombre de liaisons de communication haute puissance dans un seul boîtier de 10 mm × 10 mm. La conception initiale était initialement destinée aux solutions à ultrasons à 8 canaux, mais de nombreux concepteurs de systèmes souhaitaient utiliser des dispositifs COTS en raison de leur forte intégration, de leur faible coût et de leur facile disponibilité. Les émetteurs-récepteurs ultra-large bande, faible consommation et faible coût ADF7242 un autre exemple de conception intégrée, et des systèmes hors du champ d’action initial envisagent également de l’utiliser. Abandonner « l’ancre » et utiliser SiP et SoC.

Coupure du « cordon ombilical » en cuivre

Qu’ils soient habités ou non, les avions disposent de centaines voire de milliers de capteurs, dont beaucoup disposent de systèmes de redondance et de soutien de secours. Il existe une grande variété de capteurs, y compris les capteurs de position des volets et des ailerons, les capteurs de vibration moteur, les capteurs de température des freins, et bien d’autres, et ce nombre ne cesse d’augmenter. Chaque capteur et ses redondances associées sont connectés au processeur via de grands câbles en cuivre lourds et des connecteurs en acier inoxydable/aluminium. Le problème est qu’une part considérable des ressources de la plateforme est utilisée pour soutenir ces câbles et interconnexions. Les avancées de la technologie RF peuvent également économiser SWaP en réduisant la dépendance à ces câbles. De nombreux grands fabricants de cellules collaborent pour certifier les technologies de produits finis commerciaux (COTS) afin de remplacer les interconnexions en cuivre par des méthodes fiables et peu coûteuses.

L’ADuCRF101 est une solution d’acquisition de données entièrement intégrée conçue pour les applications sans fil à faible consommation. Par exemple, elle utilise un capteur d’unité de mesure inertielle (IMU) avec des besoins en bande passante de sortie inférieurs à plusieurs dizaines de kHz, combiné au microcontrôleur analogique de précision ARm® Cortex-M3® intégré par l’émetteur-récepteur RF d’ADI. Sa conception met l’accent sur la flexibilité, la stabilité, la facilité d’utilisation et la faible consommation d’énergie. Cette combinaison est purement hypothétique, mais elle pourrait être un exemple d’utilisation de la technologie des capteurs avioniques en conjonction avec des dispositifs RF COTS. On pense que de telles solutions RF seront bientôt utilisées pour sauver SWaP.

Conclusion

L’environnement social, politique et économique actuel exige que les concepteurs de plateformes aériennes se concentrent davantage sur l’économie de taille, de poids et de consommation d’énergie. Réduire la charge en ressources du système peut prolonger les temps de voyage, diminuer les besoins en carburant et améliorer l’efficacité de la charge utile. Les progrès les plus importants et intéressants dans la sauvegarde du SWaP proviennent directement des avancées technologiques dans le domaine de la RF. Les progrès les plus favorables sont dus à la réduction de la taille, à l’intégration des dispositifs et à la diminution de la dépendance aux interconnexions de câbles en cuivre causée par le passage du TWT au SSPA. La technologie RF devrait permettre à l’industrie aéronautique de s’envoler pendant de nombreuses années à venir. Les solutions RF jouent un rôle indispensable dans la réduction du SWaP.