RF가 SWaP의 생사를 건 문제를 어떻게 해결하는가

우주왕복선은 한때 미국 우주 프로그램, 솔직히 말해 전 세계 우주 탐사 및 위성 구현 프로그램의 주요 운송 수단이었습니다. 우주왕복선(오비터 또는 O V라고도 불림)은 1969년에 설계가 시작되어 1981년에 저지구 궤도에 진입했습니다. 특히 전력 시스템(EPS)에 특별한 주의가 기울여집니다. EPS는 동력 원의 반응물 저장 및 분배, 연료전지 발전소(전력 생산), 그리고 전력 분배 및 제어를 포함합니다. EPS는 OV용 28VDC와 115VAC 전원 레일을 제공하며, 많은 시간과 노력을 들입니다. 이 시스템과 하위 시스템은 매우 복잡하고 번거로우며 비효율적이지만, 전력 시스템은 전체 페이로드 계산에서 매우 중요한 부분입니다.

비행 역사

2015년으로 빠르게 넘어가면, 여러 무인 항공기 프로젝트가 개발 중이었으며, 이들은 고고도 장지구력(HALE)이라는 특별한 범주에 속했습니다. 프로젝트 중 하나는 5년간 연료 보급 없이 비행하는 목표를 세웠습니다. 환경, 기체, 발전소 시스템만으로도 도전 과제가 큽니다; 더불어 전력 생산, 송전, 재활용에 집중하는 것이 이러한 프로젝트의 성공에 매우 중요합니다. 통신 시스템 설계에서는 크기, 무게, 효율성도 가장 중요한 고려사항입니다. 다행히도 Analog Devices, Inc.(adi)는 이러한 기기를 매우 적극적으로 제공하고 있습니다.

좋은 예로는 ADI의 트랜시버 시리즈가 있는데, 이 시리즈는 다양하고 전 스펙트럼을 커버하며 높은 집적률, 낮은 전력 소비, 그리고 컴팩트한 크기를 특징으로 합니다. 이 글 전반에 걸쳐 이러한 기기 및 기타 기기 솔루션에 대한 자세한 논의가 삽입될 예정입니다.

이 글의 많은 문제와 해결책은 해양 플랫폼에도 적용 가능한 공중 플랫폼 예시를 통해 설명됩니다. 독자들은 항공 및 해상 플랫폼에 대한 문제 및 관련 해결책이 밀접하게 관련되어 있으며 종종 동일한 시스템의 다른 버전임을 이해해야 합니다.

SWaP 비즈니스패스란 무엇인가요?

크기, 무게, 전력 소비(SWaP)는 신제품, 프로젝트 또는 플랫폼을 정의하는 데 가장 중요한 지표라고 할 수 있습니다. 해상, 항공, 지상, 휴대, 보유 등 새로 개발된 거의 모든 과제는 공통된 요구사항을 공유합니다: 더 작게 처리하고, 자원을 덜 사용하며, 전체 시스템 기능에 더 크게 기여해야 한다는 점입니다. 최근 저는 레이더 시스템 설계자와 위상 배열 레이더와 능동 전자주사 배열(AESA)에 대해 이야기를 나누었는데, 이 기술은 50피트에서 1000피트까지 조감도를 제공합니다. 설계자들은 시스템 정확도, 거리, 데이터 전송 속도를 향상시키기 위해 매우 영리한 아이디어들을 제안했습니다. 하지만 SWaP의 요구로 인해 그의 모든 정밀한 계산이 무용지물이 되었다. 현재의 사회적, 경제적, 정치적, 글로벌 환경은 얇고 작은 시스템에 유리하다. 수년간 SWaP는 시스템 성능 향상과 다기능 아키텍처 사이에서 어려운 절충을 강요하는 주요 동력 요인이 된 것으로 보입니다.

그리고 주모자를 밝혀냈다

SWaP 문제에 대한 몇 가지 해결책을 논의하기 전에, 먼저 문제를 유발한 몇 가지 '원인'을 살펴보겠습니다.

구리는 전력 전달에 선호되는 도체입니다. 1,000피트 길이의 절연되지 않은 AWG No. 5 구리선은 거의 100파운드(50kg)에 달합니다. 더 나쁜 것은, 구리선의 고유한 저항 때문에 일부 전류가 열로 낭비된다는 점입니다. 또 다른 '나쁜 것'은 전통적인 기기의 크기입니다. 해양 레이더 로컬 오실레이터(LO)를 예로 들면, LO는 송신기와 수신기 모두에 동시에 공급됩니다. LO는 낮은 고조파를 가진 안정적인 주파수를 생성해야 하며, 가장 높은 안정성 요구사항은 온도, 전압, 기계적 드리프트를 고려해야 합니다. 발진기는 믹서나 주파수 배압기와 같은 후속 회로 단계를 효과적으로 구동할 수 있을 만큼 충분한 출력 전력을 생성해야 합니다. 신호 타이밍이 매우 중요하기 때문에 위상 잡음은 매우 낮아야 합니다. 전통적으로 LO는 독립적이고 특별히 설계된 하위 시스템에 의해 생성되고 배포됩니다. 이는 고체 상태 부품 조성이 큰 크기, 높은 전력 소비, 부피의 출력을 초래하는 안테나 시스템에도 동일하게 적용됩니다.

시스템에 고출력 RF를 제공하는 전통적인 장치는 이동파관(TWT)입니다. 아직 고장 나지 않았으니 왜 송타이를 수리하는가? 송타이 TWT란 무엇인가요? 송타이 TWT는 전자기기에서 마이크로파 범위 무선 주파수(RF) 신호를 증폭하는 특수 진공관입니다. 광대역 TWT 대역폭은 최대 1옥타브까지 가능하지만, 조율(협대역) 버전이 더 일반적입니다; 작동 주파수 범위는 300 MHz에서 50 GHz 사이입니다. 이 TWT 시스템들은 효율적이라고 볼 수 있지만, 단일 고장 지점입니다. 신뢰성은 TWT에 심각한 문제입니다. 마이크로파 튜브의 신뢰성은 주로 세 가지 요인에 달려 있습니다. 첫째, 제조 과정에서 도입된 결함이 신뢰성에 영향을 미칩니다. 생산 문제, 부실한 작업, 공정 제어 부족이 제조 결함의 주요 원인입니다. 둘째, 이동파관의 신뢰성은 작동 프로그램과 취급에 크게 좌우됩니다. 마지막으로, 신뢰성 있는 작동을 보장하기 위해서는 작동 지점과 튜브의 최종 설계 능력 사이에 충분히 큰 설계 여유가 있어야 합니다. 위 내용은 SWaP의 여러 단점 중 세 가지 예에 불과합니다.

슈퍼히어로 SWaP를 구하라

모든 악당에게는 상대할 슈퍼히어로가 필요하다. 반도체 기술과 디바이스 통합의 발전은 SWaP 감소에 중요한 역할을 했습니다. 다음으로, 이 글에서는 SWaP에 직접적인 영향을 미치는 주요 성과들을 소개하여 오늘날과 예견 가능한 기술 도약을 가능하게 합니다. 아래에서는 세 가지 기술에 대해 논의합니다: 고체 상태 전력 증폭기, 장치 통합, 무선 센서 기술.

고체 상태 파워 앰프(SSPA)는 새로운 기술이 아닙니다. GaAs(갈륨 비소)와 LDMOS(측면 확산 금속 산화물 반도체)는 수년간 고출력 증폭기에 사용되어 왔습니다. 실리콘 기반 LDMOS FET는 높은 출력 전력을 필요로 하며, 해당 드레인-소스 붕괴 전압이 보통 60V 이상이기 때문에 기지국 RF 전력 증폭기에서 널리 사용됩니다. GaAs FET와 같은 다른 장치와 비교할 때, 최대 전력 이득 주파수는 더 낮습니다. LDMOS FET는 5 GHz 이하에서 가장 효율적입니다. 갈륨 비소 전계효과 트랜지스터(GaAsFET)는 마이크로파 RF 고체 증폭기 회로에 사용되는 특수한 유형의 FET입니다. 스펙트럼은 약 30 MHz에서 밀리미터파 대역까지 다양합니다.

GaAsFET는 특히 내부 노이즈가 매우 낮다는 뛰어난 감도로 유명합니다. 전력 밀도는 붕괴 전압에 의해 제한됩니다. 좋은 날씨에는 GaAs MESFET의 붕괴 전압이 20V에 이를 수 있습니다. 요약하자면, TWT는 고주파와 고출력 특성을 가지지만, 신뢰성, 무게, 필요한 지원 하위 시스템 때문에 인기가 없습니다. LDMOS는 높은 출력을 낼 수 있지만 5GHz 이하의 주파수에서 동작합니다. GaAs MESFET은 매우 높은 주파수에서 작동하지만, 낮은 붕괴 전압 때문에 전력 범위가 약 10W로 제한됩니다. "영웅"은 어디에 있나요? Syntech는 상황을 구할 수 있는 SSPA 기술을 뛰어넘고 있나요? BusinessTech SWaP는 질화갈륨(SiC 기질 GaN)이 포함된 실리콘 카바이드 기판을 선호합니다. GaN과 SiC 모두 넓은 밴드갭 재료로, 결합 붕괴 전압은 최대 150V입니다. 이로 인해 더 높은 전력 밀도와 낮은 라인 부하가 가능해 임피던스 매칭이 용이해집니다. SiC 기판 GaN은 밀리미터파 전력 증가 주파수(Ft ~ = 90 GHz, Fmax ~ 200 GHz)를 지원합니다.

SiC 기판 GaN LED의 시장 수용은 웨이퍼 공장들이 신뢰를 쌓고 웨이퍼 비용을 절감하는 데 도움을 주었습니다. RF 트랜지스터의 소자 구조는 5 W/mm의 전력 밀도를 지원합니다. SiC 기판 GaN의 MSL 등급은 업계 인정 등급에 근접하거나 충족합니다. SiC 기판 GaN은 획기적인 기술로 널리 인정받으며 강한 시장의 관심을 끌고 있습니다. SiC 기판 GaN의 성능에 가장 큰 한계는 열 전달이며, 장치에서 열을 분산시키는 것이 마지막으로 해결해야 할 문제입니다. 실리콘 기판 GaN에 대해 어느 정도 성공이 있었지만, 낮은 열전도율 때문에 출력 전력이 약 10W로 제한됩니다. GaN 성능이 뛰어난 다이아몬드 기판이 가장 좋습니다. 과학적 계산으로 계산된 전력 밀도는 현재 사용 가능한 SiC 기판의 GaN보다 10배 높습니다.

단결정 다이아몬드에서 직접 GaN 성장이 입증되었음에도 불구하고, 현재 사용 가능한 단결정 다이아몬드 기판의 최대 크기는 이 기술의 채택을 제한합니다. 정부와 방위산업체만이 다이아몬드 기질인 GaN의 초기 수용자입니다. 1980년대의 GaAs와 유사하게, 다이아몬드 기판 GaN도 이들 정부 기관에서 검토될 것이며, 신뢰성이 향상되고 관련 비용이 감소함에 따라 상업 시장도 이를 따라갈 것입니다. TWT는 통합 SSPA 대안을 제공합니다. ADI는 최대 8kW의 고출력 증폭기(HPA)를 제공하며, 이는 여러 SiC GaN SSPA 기판을 하나의 유닛으로 통합합니다. KHPA-0811은 고전력과 소형 크기를 균형 있게 유지하면서 넓은 대역폭을 달성하도록 설계된 컴팩트 십면체 패키지를 사용합니다.

통합을 통한 쓸모없는 '앵커' 제거

여기서 '선박 닻'이라는 용어는 미 해군에서 사용하는 용어입니다. 대형 전자장치(또는 기타) 장치가 구식이 되어 시스템 자원에 부담이 될 때 이를 '선박 닻'이라고 부릅니다. 유인 또는 자율 비행 플랫폼은 다양한 형태의 공중 통신을 제공합니다. 음성, 내비게이션, 데이터, 탑재 센서, 레이더 등 모두 각자의 통신 링크를 가지고 있습니다. 하늘이 점점 더 붐비면서 연결 목록도 길어집니다. 과거에는 어떤 시스템이든 상당한 면적, 전력, 지원 하위 시스템이 필요했습니다. 공중 플랫폼이 이륙할 수 있다는 것은 정말 놀라운 일입니다. 소비되는 모든 온스와 와트는 신중하게 계산되어야 하며, 물리적 시스템 설계는 할당된 공간과 일치해야 합니다. 더 나은 방법이 분명 있을 거야.

AD9361은 고성능, 고도로 통합된 RF 민첩 송수신기™입니다. AD9671 역시 ADI 제품으로, 저비용, 저전력 소비, 소형 크기를 특징으로 합니다. 집적회로(IC) 설계, 시스템 인-패키지(SiP), 시스템 온 칩(SoC)의 발전으로 이러한 부피가 큰 시스템은 '앵커'로서의 역할을 과거의 일이 되었습니다. 시스템 통합의 좋은 예를 살펴보겠습니다. ADI는 다수의 고출력 통신 링크를 하나의 10mm × 10mm 패키지에 통합한 업계 선도의 트랜시버를 출시했습니다. 원래 설계는 8채널 초음파 솔루션을 위해 기획되었으나, 많은 시스템 설계자들은 높은 통합율, 저렴한 비용, 그리고 쉽게 구할 수 있는 COTS 장치를 사용하기를 원했습니다. 초광대역, 저전력 및 저비용 송수신ADF7242기는 통합 설계의 또 다른 예이며, 원래 설계 범위를 벗어난 시스템들도 이를 고려하고 있습니다. "앵커"를 버리고 SiP와 SoC를 사용하는 것입니다.

구리 '탯줄'을 끊기

유인 또는 무인 항공기와 상관없이, 항공기는 수백에서 수천 개의 센서를 갖추고 있으며, 많은 센서가 중복 및 백업 지원 시스템을 갖추고 있습니다. 플랩 및 에일러론 위치 센서, 엔진 진동 센서, 브레이크 온도 센서 등 다양한 센서가 있으며, 그 수는 계속 증가하고 있습니다. 각 센서와 관련 중복 부품들은 크고 무거운 구리 케이블과 스테인리스 스틸/알루미늄 커넥터를 통해 CPU에 연결됩니다. 문제는 이 케이블과 인터커넥트를 지원하는 데 상당한 양의 플랫폼 자원이 사용된다는 점입니다. RF 기술의 발전은 이러한 케이블 의존도를 줄여 SWaP를 절약할 수도 있습니다. 많은 주요 기체 제조업체들이 구리 인터커넥션을 저비용으로 신뢰할 수 있는 방법으로 대체하기 위해 상업용 완성제품(COTS) 기술을 인증하기 위해 협력하고 있습니다.

ADuCRF101은 저전력 무선 응용을 위해 설계된 완전 통합 데이터 수집 솔루션입니다. 예를 들어, 수십 kHz 미만의 출력 데이터 대역폭 요구를 가진 관성 측정 장치(IMU) 센서와 ADI의 통합 RF 트랜시버 정밀 아날로그 마이크로컨트롤러 ARm® Cortex-M3®를 결합하여 사용합니다. 설계는 유연성, 안정성, 사용 편의성, 그리고 저전력 소비를 강조합니다. 이 조합은 순전히 가정적인 것이지만, 항공전자 센서 기술이 COTS RF 장치와 함께 사용되는 예일 수 있습니다. 이러한 RF 솔루션이 곧 SWaP를 구하는 데 사용될 것으로 보입니다.

결론

오늘날의 사회적, 정치적, 경제적 환경은 항공 플랫폼 설계자들이 크기, 무게, 전력 소비를 줄이는 데 더 집중하도록 요구합니다. 시스템 자원 부담을 줄이면 항해 시간을 연장하고, 연료 요구량을 줄이며, 탑재물 효율을 높일 수 있습니다. SWaP를 구하는 데 있어 가장 중요하고 흥미로운 진전은 RF 분야의 기술 발전에서 직접 나옵니다. 가장 긍정적인 진전은 TWT에서 SSPA로의 전환으로 인한 크기 축소, 장치 통합, 구리 케이블 인터커넥트 의존도 감소 덕분입니다. RF 기술은 앞으로도 오랫동안 항공 산업을 계속 성장시킬 것으로 기대됩니다. RF 솔루션은 SWaP 감소에 필수적인 역할을 합니다.