Como a RF resolve a questão de vida ou morte do SWaP

O ônibus espacial já foi o principal porta-aviões do programa espacial dos EUA — francamente, o programa global de exploração espacial e implementação de satélites. O ônibus espacial (também conhecido como orbitador ou O V) começou seu projeto em 1969 e alcançou a órbita baixa da Terra em 1981. Especificamente, atenção especial é dada ao sistema de energia (EPS). O EPS inclui armazenamento e distribuição de reagentes de fontes de energia, usinas de energia com células de combustível (geração de eletricidade), bem como distribuição e controle de energia. O EPS fornece trilhos de potência de 28 VDC e 115 VAC para OV, dedicando muito tempo e esforço a isso. Esses sistemas e subsistemas são muito complexos, incómodos e ineficientes, mas o sistema de energia é uma parte crucial de todo o cálculo da carga útil.

Histórico de voo

Avançando para 2015, vários projetos de veículos aéreos não tripulados estavam em desenvolvimento, e pertenciam a uma categoria especial: High Altitude Long Endurance (HALE). Um dos projetos estabeleceu a meta de voar por cinco anos sem reabastecimento. Os desafios do meio ambiente, da estrutura da aeronave e dos sistemas de usinas de energia são assustadores; além disso, focar na geração, transmissão e reciclagem de eletricidade é crucial para o sucesso desses projetos. No projeto de sistemas de comunicação, tamanho, peso e eficiência também são as considerações mais importantes. Felizmente, a Analog Devices, Inc. (adi) é muito proativa ao oferecer esses dispositivos.

Um ótimo exemplo é a série de transceptores da ADI, que é diversa, cobre todo o espectro e apresenta alta integração, baixo consumo de energia e tamanho compacto. Uma discussão detalhada sobre essas e outras soluções de dispositivos será intercalada ao longo deste artigo.

Muitas das questões e soluções deste artigo são ilustradas usando exemplos de plataformas aéreas, algumas das quais também são aplicáveis a plataformas marítimas. Os leitores devem entender que a declaração de questões e as soluções relacionadas para plataformas aéreas e marítimas estão intimamente relacionadas e frequentemente são versões diferentes do mesmo sistema.

O que é o SWaP BusinessPass?

Pode-se dizer que tamanho, peso e consumo de energia (SWaP) são as métricas mais importantes na definição de novos produtos, projetos ou plataformas. Quase todas as tarefas recém-desenvolvidas — sejam marítimas, aéreas, terrestres, portáteis ou transportadas — compartilham um requisito comum: fazer menores, usar menos recursos e contribuir mais para a funcionalidade geral do sistema. Recentemente, conversei com um arquiteto de sistemas de radar sobre radar de matriz em fase e Matriz Eletrônica Ativa de Varredura Eletrônica (AESA), que oferecem vistas aéreas de 50 a 1000 pés. Os projetistas propuseram ideias muito inteligentes para melhorar a precisão do sistema, o alcance e a velocidade de transmissão de dados. No entanto, as exigências do SWaP tornaram todos os seus cálculos finos inúteis. O ambiente social, econômico, político e global atual favorece sistemas finos e pequenos. Ao longo dos anos, o SWaP parece ter se tornado um fator determinante, forçando as pessoas a fazerem difíceis compromissos entre melhorias de desempenho do sistema e arquiteturas multifuncionais.

e descobriu o líder

Antes de discutir algumas soluções para os problemas do SWaP, vamos primeiro analisar alguns dos "culpados" que desencadearam o problema.

! O cobre é o condutor preferido para transmissão de energia. Um fio de cobre AWG nº 5 não isolado de 1.000 pés pesa quase 100 libras (50 kg). Pior ainda, a resistência inerente do fio de cobre faz com que parte da corrente seja desperdiçada em forma de calor. Outro "vilão" é o tamanho dos dispositivos tradicionais. Tomando como exemplo o oscilador local (LO) de radar marítimo, o LO é alimentado simultaneamente tanto para o transmissor quanto para o receptor. O LO deve produzir frequências estáveis com harmônicos baixos, e os maiores requisitos de estabilidade devem considerar temperatura, voltagem e deriva mecânica. Os osciladores precisam gerar potência de saída suficiente para efetivamente acionar os estágios subsequentes do circuito, como misturadores ou multiplicadores de frequência. Seu ruído de fase deve ser muito baixo porque o tempo do sinal é crítico. Tradicionalmente, LO é gerado e distribuído por subsistemas independentes e especialmente projetados. O mesmo se aplica a sistemas aéreos, onde composições de componentes em estado sólido resultam em grande tamanho, alto consumo de energia e saída volumosa.

O dispositivo tradicional que fornece RF de alta potência para sistemas é o tubo de onda viajante (TWT). Então, já que ainda não está quebrado, por que reparar o Songtai? O que é o Songtai TWT? O Songtai TWT é um tubo a vácuo especializado usado em dispositivos eletrônicos para amplificar sinais de radiofrequência (RF) de alcance de micro-ondas. A largura de banda larga do TWT pode chegar a até uma oitava, mas versões sintonizadas (narrowband) são mais comuns; A faixa de frequência de operação varia de 300 MHz a 50 GHz. Esses sistemas TWT podem ser considerados eficientes, mas são pontos únicos de falha. Confiabilidade é um problema sério para o TWT. A confiabilidade dos tubos de micro-ondas depende principalmente de três fatores. Primeiro, defeitos introduzidos durante a fabricação afetam a confiabilidade. Problemas de produção, má qualidade de mão de obra e falta de controle de processos são as principais causas dos defeitos de fabricação. Segundo, a confiabilidade do tubo de onda móvel depende fortemente do programa operacional e do manuseio. Por fim, para garantir uma operação confiável, deve haver uma margem de projeto suficientemente grande entre o ponto de operação e a capacidade final de projeto do tubo. Os exemplos acima são apenas três entre as muitas desvantagens do SWaP.

Salve o super-herói SWaP

Todo vilão precisa de um super-herói para lidar. Os avanços na tecnologia de semicondutores e na integração de dispositivos desempenharam um papel crucial na redução do SWaP. Em seguida, este artigo apresentará algumas conquistas importantes que impactam diretamente o SWaP, tornando possíveis os avanços tecnológicos atuais e previsíveis. A seguir, três tecnologias são discutidas: amplificadores de potência de estado sólido, integração de dispositivos e tecnologia de sensores sem fio.

Amplificadores de Potência de Estado Sólido (SSPA) não são uma tecnologia nova. GaAs (arseneto de gálio) e LDMOS (semicondutor metálico de óxido difuso lateralmente) têm sido usados em amplificadores de alta potência há muitos anos. FETs LDMOS baseados em silício são amplamente usados em amplificadores de potência RF para estações base porque exigem alta potência de saída, e a tensão de ruptura correspondente entre a fonte de dreno geralmente é superior a 60 V. Comparado a outros dispositivos como os GaAs FETs, sua frequência máxima de ganho de potência é menor. Os FETs LDMOS são mais eficientes quando operam abaixo de 5 GHz. Um transistor de efeito de campo de arseneto de gálio (GaAsFET) é um tipo especial de FET usado em circuitos amplificadores de micro-ondas de RF de estado sólido. Seu espectro varia de cerca de 30 MHz até a faixa de ondas milimétricas.

Os GaAsFET são famosos por sua excelente sensibilidade, especialmente pelo ruído interno muito baixo que geram. A densidade de potência é limitada pela tensão de ruptura. Em bom tempo, a tensão de ruptura dos MESFETs de GaAs pode chegar a 20 V. Para recapitular, os TWTs possuem características de alta frequência e alta potência, mas sua confiabilidade, peso e subsistemas de suporte necessários os tornam impopulares. O LDMOS pode fornecer alta potência, mas opera em frequências abaixo de 5 GHz. Os MESFETs GaAs operam em frequências muito altas, mas sua baixa tensão de ruptura limita sua faixa de potência a cerca de 10 W. Onde está o "herói"? A Syntech tem tecnologia SSPA saltadora para salvar a situação? A BusinessTech SWaP prefere substratos de carboneto de silício com nitrueto de gálio (substrato SiC GaN). Tanto GaN quanto SiC são materiais de banda larga, com tensões de ruptura combinadas de até 150 V. Isso permite maior densidade de potência e cargas de linha mais baixas, facilitando a adaptação de impedância. O substrato SiC GaN suporta frequências de ganho de potência por ondas milimétricas (Ft ~ = 90 GHz, Fmax ~ 200 GHz).

A aceitação no mercado dos LEDs GaN com substrato SiC ajudou as fábricas de pastilhas a ganhar confiança e reduzir os custos das pastilhas. A estrutura do dispositivo dos transistores RF suporta uma densidade de potência de 5 W/mm. A classificação MSL do substrato SiC GaN está próxima ou atende às classificações reconhecidas pela indústria. O substrato SiC GaN ganhou amplo reconhecimento como uma tecnologia inovadora, atraindo forte atenção no mercado. A maior limitação no desempenho do GaN do substrato SiC é a transferência de calor, e desviar calor do dispositivo é o problema final a ser resolvido. Houve algum sucesso com substrato de silício GaN, mas a menor condutividade térmica limita a potência de saída a cerca de 10 W. Substratos de diamante com desempenho GaN são os melhores. A densidade de potência calculada por cálculos científicos é dez vezes maior do que a dos substratos SiC atualmente disponíveis em GaN.

Embora o crescimento direto de GaN em diamantes monocristalinos tenha sido demonstrado, o tamanho máximo dos substratos monocristalinos de diamante atualmente disponíveis limita a adoção dessa tecnologia. Governos e contratantes de defesa são os únicos primeiros a adotar o substrato de diamante GaN. Semelhante ao GaAs nos anos 1980, o GaN do substrato de diamante será revisado por essas agências governamentais e, à medida que a confiabilidade melhora e os custos relacionados diminuem, o mercado comercial seguirá o exemplo. O TWT possui uma alternativa integrada ao SSPA. A ADI oferece um amplificador de alta potência (HPA) com até 8 kW, que integra muitos substratos SiC de GaN SSPA em uma única unidade. O KHPA-0811 utiliza um pacote compacto dodecaedro, projetado para equilibrar alta potência e pequeno tamanho, cobrindo ampla largura de banda.

Eliminando 'âncoras' inúteis por meio da integração

O termo "âncora de navio" aqui é usado pela Marinha dos EUA. Quando um grande dispositivo eletrônico (ou outro) se torna obsoleto e um fardo para os recursos do sistema, ele é chamado de "âncora de navio". Sejam tripuladas ou autônomas, as plataformas aéreas possuem muitas formas de comunicação aérea. Voz, navegação, dados, sensores a bordo, radar e mais têm seus próprios links de comunicação. À medida que o céu fica mais cheio, a lista de links aumenta. No passado, qualquer sistema exigia uma quantidade considerável de área, energia e subsistemas de suporte. É realmente impressionante que a plataforma aérea possa decolar. Cada onça e cada watt consumido devem ser cuidadosamente calculados, e o projeto do sistema físico deve corresponder ao espaço alocado a ele. Deve haver um jeito melhor.

O AD9361 é um transceptor™ RF Agile de alto desempenho e altamente integrado. O AD9671 também é da ADI, apresentando baixo custo, baixo consumo de energia e tamanho compacto. Avanços no design de circuitos integrados (CI), sistema em pacote (SiP) e sistema no chip (SoC) tornaram esses sistemas volumosos como "âncoras" algo do passado. Vamos ver um bom exemplo de integração de sistemas. A ADI lançou um transceptor líder na indústria que integra um grande número de links de comunicação de alta potência em um único encapsulamento de 10 mm × 10 mm. O projeto original foi originalmente destinado a soluções de ultrassom de 8 canais, mas muitos projetistas de sistemas queriam usar dispositivos COTS devido à sua alta integração, baixo custo e fácil disponibilidade. Transceptores ultra-wideband, de baixo consumo e baixo custo ADF7242 outro exemplo de design integrado, e sistemas fora do escopo original também estão considerando utilizá-lo. Largando a "âncora" e usando SiP e SoC.

Cortando o 'cordão umbilical' de cobre

Sejam tripuladas ou não, as aeronaves possuem centenas ou milhares de sensores, muitos com redundância e sistemas de suporte de backup. Há uma grande variedade de sensores, incluindo sensores de posição de flaps e ailerons, sensores de vibração do motor, sensores de temperatura de freio e outros, e o número está aumentando continuamente. Cada sensor e suas redundâncias associadas são conectados à CPU por cabos grandes e pesados de cobre e conectores de aço inoxidável/alumínio. O problema é que uma quantidade considerável de recursos de plataforma é usada para suportar esses cabos e interconexões. Avanços na tecnologia RF também podem salvar o SWaP ao reduzir a dependência desses cabos. Muitos grandes fabricantes de fuselagens estão colaborando para certificar tecnologias de produtos comerciais acabados (COTS) a fim de substituir as interconexões de cobre por métodos de baixo custo e confiáveis.

O ADuCRF101 é uma solução totalmente integrada de aquisição de dados projetada para aplicações sem fio de baixo consumo. Por exemplo, utiliza um sensor de unidade de medição inercial (IMU) com requisitos de largura de banda de dados de saída abaixo de várias dezenas de kHz, combinado com o microcontrolador analógico de precisão do transceptor RF integrado da ADI, ARm® Cortex-M3®. Seu design enfatiza flexibilidade, estabilidade, facilidade de uso e baixo consumo de energia. Essa combinação é puramente hipotética, mas pode ser um exemplo de tecnologia de sensores de aviônicos sendo usada em conjunto com dispositivos RF COTS. Acredita-se que tais soluções RF em breve serão usadas para salvar o SWaP.

Conclusão

O ambiente social, político e econômico atual exige que os projetistas de plataformas aéreas foquem mais em economizar tamanho, peso e consumo de energia. Reduzir a carga de recursos do sistema pode estender os tempos de viagem, diminuir a demanda de combustível e melhorar a eficiência da carga útil. O progresso mais importante e interessante na salvação do SWaP vem diretamente dos avanços tecnológicos no campo de RF. O progresso mais favorável se deve à redução de tamanho, integração de dispositivos e menor dependência de interconexões de cabos de cobre trazidas pela transição do TWT para SSPA. Espera-se que a tecnologia RF mantenha a indústria da aviação em alta por muitos anos. Soluções de RF desempenham um papel indispensável na redução do SWaP.