RFがSWaPの生死に関わる問題を解決する方法

スペースシャトルはかつてアメリカの宇宙計画の主要な運搬船でした。率直に言って、世界的な宇宙探査と衛星実装プログラムの中心でした。 スペースシャトル(オービターまたはO Vとも呼ばれる)は1969年に設計が始まり、1981年に低軌道に到達しました。 特に電力システム(EPS)に特別な配慮が払われています。 EPSには、電源の反応物貯蔵・配電、燃料電池発電所(発電)、および電力配電および制御が含まれます。 EPSはOV用に28VDCと115VACの電源レールを提供しており、多くの時間と労力を費やしています。 これらのシステムやサブシステムは非常に複雑で煩雑かつ非効率ですが、電力システムはペイロード計算全体の重要な部分です。

飛行の歴史

2015年に話を進めると、いくつかの無人航空機プロジェクトが開発されており、それらは特別なカテゴリーに属していました:高高度長時間耐久(HALE)です。 あるプロジェクトでは、5年間給油なしで飛行することを目標にしていました。 環境、機体、発電所システムの課題だけでも非常に困難です。さらに、電力の発電、送電、リサイクルに注力することが、こうしたプロジェクトの成功に不可欠です。 通信システムの設計においても、サイズ、重量、効率が最も重要な考慮事項です。 幸いなことに、Analog Devices, Inc.(adi)はこのようなデバイスの提供に非常に積極的です。

その好例がADIのトランシーバーシリーズで、多様で全スペクトルをカバーし、高い集積率、低消費電力、コンパクトなサイズを特徴としています。 これらやその他のデバイスソリューションについての詳細な議論は、この記事の合間に散りばめられます。

この記事の多くの課題や解決策は、海上プラットフォームにも応用可能な空中プラットフォームの例を用いて説明されています。 読者は、空輸プラットフォームと海上搭載プラットフォームに関する課題声明や関連解決策は密接に関連しており、しばしば同じシステムの異なるバージョンであることを理解しておくべきです。

SWaP BusinessPassとは何ですか?

サイズ、重量、消費電力(SWaP)は、新製品やプロジェクト、プラットフォームを定義する上で最も重要な指標と言えるでしょう。 ほぼすべての新開発タスク—海上、空中、地上、携帯、ホールド—は共通の要件を持っています。それは、より小規模で、より少ない資源を使い、システム全体の機能により多く貢献することです。 最近、私はレーダーシステムの設計者と、50フィートから1000フィートまでの鳥瞰図を提供するフェーズドアレイレーダーやアクティブ電子走査アレイ(AESA)について話をしました。設計者たちはシステムの精度、射程、データ伝送速度を向上させるために非常に巧妙なアイデアを提案しました。 しかし、SWaPの要求により、彼の細かい計算はすべて無駄になってしまいました。 現在の社会的、経済的、政治的、グローバルな環境は、薄く小さなシステムを支持しています。 長年にわたり、SWaPは主要な推進要因となり、システム性能向上と多機能アーキテクチャの間で難しいトレードオフを強いられています。

そして首謀者を暴きました

SWaPの問題に対するいくつかの解決策を議論する前に、まず問題を引き起こした「原因」のいくつかを見てみましょう。

銅は電力伝送の好ましい導体です。 全長1,000フィートの絶縁されていないAWG No.5銅線は、約100ポンド(50kg)の重さがあります。 さらに悪いことに、銅線の固有抵抗が一部の電流を熱として無駄にしてしまうことです。 もう一つの「悪者」は従来のデバイスのサイズです。 例えば、海洋レーダー局所発振器(LO)では、LOは送信機と受信機の両方に同時に供給されます。 LOは低調波で安定した周波数を生成しなければならず、最高安定性要件は温度、電圧、機械的ドリフトを考慮しなければなりません。 発振器は、ミキサーや周波数乗算器などの後続の回路段を効果的に駆動するために十分な出力電力を発生させる必要があります。 信号のタイミングが非常に重要なため、位相ノイズは非常に低いに違いありません。 従来、LOは独立して特別に設計されたサブシステムによって生成・配布されてきました。 同様に、アンテナシステムにも当てはまり、固体成分組成は大サイズ、高い消費電力、かさばる出力をもたらします。

システムに高出力のRFを提供する従来のデバイスは、トラベリングウェーブチューブ(TWT)です。 では、まだ壊れていないのであれば、なぜソンタイを修理するのでしょうか?ソンタイTWTとは何ですか?ソンタイTWTは電子機器で使われる特殊な真空管で、マイクロ波レンジの無線周波数(RF)信号を増幅します。 ブロードバンドTWTの帯域幅は最大1オクターブまで可能ですが、チューニング(狭帯域)バージョンの方が一般的です。 動作周波数帯域は300 MHzから50 GHzです。 これらのTWTシステムは効率的と考えられますが、単一故障点です。 信頼性はTWTにとって深刻な問題です。 マイクロ波管の信頼性は主に3つの要因に依存します。 まず、製造過程で導入される欠陥が信頼性に影響を与えます。 製造上の問題、劣悪な作業技術、プロセス制御の欠如が製造欠陥の主な原因です。 第二に、移動波管の信頼性は動作プログラムや取り扱いに大きく依存します。 最後に、信頼性の高い動作を確保するためには、作動点と管の最終設計能力との間に十分な設計余裕が必要です。 上記はSWaPの多くの欠点のうちの三つの例に過ぎません。

スーパーヒーローSWaPを救え

すべての悪役には対処すべきスーパーヒーローが必要です。 半導体技術とデバイス統合の進歩は、SWaPの削減に重要な役割を果たしています。 次に、SWaPに直接影響を与える主要な成果を紹介し、今日および予見可能な技術的飛躍を可能にしています。 以下では、3つの技術について説明します:半導体パワーアンプ、デバイス統合、そしてワイヤレスセンサー技術です。

固体パワーアンプ(SSPA)は新しい技術ではありません。 GaAs(ガリウムヒ素)やLDMOS(側拡散型金属酸化物半導体)は長年にわたり高出力増幅器に使用されています。 シリコンベースのLDMOS FETは、高い出力電力を必要とし、対応するドレイン-ソース破壊電圧は通常60Vを超えるため、基地局のRFパワーアンプで広く使用されています。 GaAsFETなど他のデバイスと比べて、最大パワーゲイン周波数は低いです。 LDMOS FETは5 GHz以下の周波数で動作する際に最も効率的です。 ガリウムヒ素電界効果トランジスタ(GaAsFET)は、マイクロ波RF半導体増幅回路で使用される特殊なタイプのFETです。 そのスペクトルは約30 MHzからミリ波帯まで幅広くカバーされています。

GaAsFETは特に非常に低い内部ノイズで知られる優れた感度で知られています。 電力密度は破壊電圧によって制限されます。 天候が良い時には、GaAs MESFETのブレークダウン電圧は20Vに達することもあります。 まとめると、TWTは高周波・高出力特性を持っていますが、信頼性、重量、必要なサポートサブシステムのためあまり人気がありません。 LDMOSは高出力を供給できますが、5GHz以下の周波数で動作します。 GaAs MESFETは非常に高い周波数で動作しますが、その低い破壊電圧により出力範囲は約10Wに制限されています。 「ヒーロー」はどこにいるのでしょうか?Syntechはこの状況を救う飛び越えたSSPA技術を持っているのでしょうか?BusinessTech SWaPは、カリウム窒化物(SiC基板GaN)を含むシリコンカーバイド基板を好みます。 GaNとSiCはどちらもワイドバンドギャップ材料であり、合計破壊電圧は最大150Vに達します。 これにより、より高い電力密度と低いライン負荷が可能となり、インピーダンスマッチングが容易になります。 SiC基板GaNは、ミリ波のパワーゲイン周波数(Ft ~ = 90 GHz、Fmax ~ 200 GHz)をサポートします。

SiC基板GaN LEDの市場受容により、ウェハーファブは信頼を築き、ウェハーコストを削減しています。 RFトランジスタのデバイス構造は、5 W/mmの電力密度を支えています。 SiC基板GaNのMSL評価は業界認定の評価に近いか、それを満たしています。 SiC基板GaNは画期的な技術として広く認知され、強い市場注目を集めています。 SiC基板GaNの性能における最大の制約は熱伝達であり、デバイスから熱を逸らすことが最後に解決すべき課題です。 シリコン基板GaNではいくつかの成功例がありますが、熱伝導率が低いため出力電力は約10Wに制限されています。 GaN性能を持つダイヤモンド基板が最良です。 科学的計算によって算出される電力密度は、現在利用可能なSiC基板の10倍のGaNです。

単結晶ダイヤモンド上での直接的なGaN成長は実証されていますが、現在利用可能な単結晶ダイヤモンド基板の最大サイズはこの技術の採用を制限しています。 政府や防衛請負業者だけが、ダイヤモンド基質GaNの初期採用者です。 1980年代のGaAsと同様に、ダイヤモンド基板GaNはこれらの政府機関によって審査され、信頼性が向上し関連コストが減少すれば、商業市場もそれに追随します。 TWTには統合されたSSPAの代替手段があります。 ADIは最大8kWの高出力アンプ(HPA)を提供しており、これは複数のSiCGaN SSPA基板を1つのユニットに統合しています。 KHPA-0811はコンパクトな十二面体パッケージを採用しており、高出力と小型サイズのバランスを取るよう設計され、広帯域をカバーしています。

統合による無意味な「アンカー」の排除

ここでの「シップアンカー」という用語はアメリカ海軍で使われる用語です。大型の電子機器(または他の)機器が時代遅れになりシステムリソースに負担をかけた場合、それは「シップアンカー」と呼ばれます。 有人であれ自律であれ、空中プラットフォームには多様な形態の空中通信があります。 音声、航法、データ、機内センサー、レーダーなど、すべてが独自の通信リンクを持っています。空が混雑するにつれて、リンクのリストはさらに長くなります。 かつては、どのシステムもかなりの面積、電力、支援サブシステムを必要としていました。 空中プラットフォームが離陸できるのは本当に驚くべきことです。 消費する1オンス、1ワット分は慎重に計算されなければならず、物理的なシステム設計も割り当てられたスペースに合致しなければなりません。 もっと良い方法があるはずだ。

AD9361は高性能で高度に統合されたRFアジャイルトランシーバートランシーバー™です。 AD9671もADI製で、低コスト、低消費電力、コンパクトなサイズを特徴としています。 集積回路(IC)設計、システム・イン・パッケージ(SiP)、システム・オン・チップ(SoC)の進歩により、これらのかさばるシステムは「アンカー」としての役割を果たした時代のものとなりました。 システム統合の良い例を見てみましょう。 ADIは、多数の高出力通信リンクを10mm×10mmパッケージに統合した業界をリードするトランシーバーをリリースしました。 当初の設計は8チャンネル超音波ソリューション向けに意図されていましたが、多くのシステム設計者は高い統合率、低コスト、入手しやすいことからCOTSデバイスの利用を望みました。 超広帯域、低消費電力、低コストのトランシーバー ADF7242統合設計の一例であり、元の設計範囲外のシステムでも採用を検討しています。 「アンカー」をやめて、SiPとSoCを使うこと。

銅の「へその緒」を切断する

有人・無人を問わず、航空機には数百から数千のセンサーがあり、多くは冗長性やバックアップ支援システムを備えています。 フラップやエルロン位置センサー、エンジン振動センサー、ブレーキ温度センサーなど、多種多様なセンサーがあり、その数は継続的に増加しています。 各センサーとその冗長性は、太くて重い銅ケーブルとステンレス鋼/アルミニウムコネクターを介してCPUに接続されています。 問題は、これらのケーブルやインターコネクトをサポートするためにかなりのプラットフォームリソースが使われていることです。 RF技術の進歩は、これらのケーブルへの依存を減らすことでSWaPの節約にもつながります。 多くの大手機体メーカーが協力して、銅製インターコネクトを低コストで信頼性の高い方法で置き換えるため、商業用完成品(COTS)技術の認証を進めています。

ADuCRF101は、低消費電力の無線アプリケーション向けに設計された完全統合型データ取得ソリューションです。例えば、出力データ帯域幅が数十kHz未満の慣性測定ユニット(IMU)センサーと、ADIの統合型RFトランシーバー精密アナログマイクロコントローラARm® Cortex-M3®を組み合わせています。 その設計は柔軟性、安定性、使いやすさ、そして低消費電力を強調しています。 この組み合わせはあくまで仮定の話ですが、アビオニクスセンサー技術がCOTSのRFデバイスと組み合わせて使われている例かもしれません。 このようなRFソリューションはまもなくSWaPの救助に使われると考えられています。

結論

今日の社会的、政治的、経済的な環境は、空中プラットフォームの設計者により大きなサイズ、重量、消費電力の節約に注力することを要求しています。 システムの資源負担を軽減することで、航海時間の延長、燃料消費量の削減、ペイロード効率の向上が可能です。 SWaPを救う上で最も重要な、そして興味深い進展は、RF分野の技術革新から直接生まれています。 最も順調な進展は、TWTからSSPAへの移行によるサイズの縮小、デバイス統合、銅ケーブルインターコネクトへの依存度の低下によるものです。 RF技術は今後も航空業界を長年にわたり飛躍させ続けると期待されています。 RFソリューションはSWaPの削減に欠かせない役割を果たします。