Как RF решает вопрос жизни и смерти в SWaP

Космический шаттл когда-то был основным носителем американской космической программы — откровенно говоря, глобальной программы освоения космоса и внедрения спутников. Космический шаттл (также известный как орбитальный корабль или O V) начал разрабатываться в 1969 году и достиг низкой околоземной орбиты в 1981 году. Особое внимание уделяется энергетической системе (EPS). EPS включает хранение и распределение реагентов из источников энергии, электростанции топливных элементов (генерация электроэнергии), а также распределение и управление электроэнергией. EPS предоставляет силовые рельсы на 28 В постоянного тока и 115 В переменного тока для OV, уделяя этому много времени и сил. Эти системы и подсистемы очень сложны, громоздки и неэффективны, но энергосистема является ключевой частью всего расчета полезной нагрузки.

История полёта

Перенесёмся в 2015 год — в разработке находилось несколько проектов беспилотных летательных аппаратов, и они относились к особой категории: High Altitude Long Endurance (HALE). Один из проектов поставил цель летать пять лет без дозаправки. Проблемы с окружающей средой, самолётами и системами электростанций одними только пугающими; более того, акцент на выработке, передаче и переработке электроэнергии имеет решающее значение для успеха таких проектов. При проектировании коммуникационных систем размер, вес и эффективность также являются самыми важными факторами. К счастью, Analog Devices, Inc. (adi) очень активно предлагает такие устройства.

Отличный пример — серия трансиверов ADI, которая разнообразна, охватывает весь спектр и отличается высокой интеграцией, низким энергопотреблением и компактным размером. Подробное обсуждение этих и других решений для устройств будет подробно представлено в этой статье.

Многие вопросы и решения в этой статье иллюстрируются на примерах воздушных платформ, некоторые из которых применимы и к морским платформам. Читатели должны понимать, что изложение проблем и связанные решения для воздушных и морских платформ тесно связаны и часто представляют собой разные версии одной и той же системы.

Что такое SWaP BusinessPass?

Можно сказать, что размер, вес и энергопотребление (SWaP) являются самыми важными показателями при определении новых продуктов, проектов или платформ. Почти все новые задачи — будь то морские, воздушные, наземные, портативные или удерживаемые — имеют общее требование: выполнять меньшие размеры, использовать меньше ресурсов и вносить больший вклад в общую функциональность системы. Недавно я поговорил с архитектором радиолокационных систем о фазированной решётке и активной электронной сканируемой антенной решетке (AESA), которые обеспечивают обзор с высоты от 50 до 1000 футов. Разработчики предложили несколько очень умных идей для повышения точности системы, дальности и скорости передачи данных. Однако требования SWaP сделали все его тонкие расчёты бесполезными. Современная социальная, экономическая, политическая и глобальная среда благоприятствует узким и малым системам. Со временем SWaP, похоже, стал ключевым движущим фактором, заставляя людей идти на сложные компромиссы между улучшением производительности системы и многофункциональными архитектурами.

и раскрыл главаря

Прежде чем обсуждать решения проблем SWaP, давайте сначала рассмотрим некоторых «виновников», которые вызвали эту проблему.

Cu! медь — предпочтителенный проводник для передачи энергии. Неизолированный медный провод AWG No. 5 длиной 1000 футов весит почти 100 фунтов (50 кг). Что ещё хуже, врожденное сопротивление медного провода приводит к тому, что часть тока теряется в виде тепла. Ещё один «злодеец» — размер традиционных устройств. Возьмём в качестве примера локальный осциллятор морского радара, LO подаётся одновременно и на передатчик, и на приёмник. LO должен создавать стабильные частоты с низкими гармониками, а самые высокие требования к стабильности должны учитывать температуру, напряжение и механический дрейф. Генераторы должны генерировать достаточную выходную мощность для эффективного привода в действие последующих каскадов, таких как миксеры или умножители частоты. Его фазовый шум должен быть очень низким, так как тайминг сигнала критичен. Традиционно LO генерируется и распространяется независимыми специально разработанными подсистемами. То же самое относится и к аэродинамическим системам, где твердотельные компоненты приводят к большому размеру, высокому энергопотреблению и громоздкой мощности.

Традиционным устройством, обеспечивающим высокомощный радиочастотный сигнал для систем, является лампа с ходящими волнами (TWT). Так что, раз он ещё не сломан, зачем ремонтировать Songtai? Что такое Songtai TWT? Songtai TWT — это специализированная вакуумная лампа, используемая в электронных устройствах для усиления радиочастотных сигналов микроволнового диапазона (RF). Ширина пропускания широкополосного TWT может достигать одной октавы, но более распространённые (узкополосные) версии; Диапазон рабочих частот составляет от 300 МГц до 50 ГГц. Эти системы TWT можно считать эффективными, но они представляют собой отдельные точки отказа. Надёжность — серьёзная проблема для TWT. Надёжность микроволновых ламп в основном зависит от трёх факторов. Во-первых, дефекты, возникающие при производстве, влияют на надёжность. Основные причины производственных дефектов — производственные проблемы, плохое качество работы и отсутствие контроля над процессами. Во-вторых, надёжность лампы с движущей волной во многом зависит от программы работы и его управления. Наконец, для обеспечения надёжной работы необходимо иметь достаточно большой промежуточный разрыв между рабочей точкой и конечной конструкционной возможностью трубки. Выше приведены лишь три примера из множества недостатков SWaP.

Спасите супергероя SWaP

Каждому злодею нужен супергерой, с которым нужно иметь дело. Достижения в области полупроводниковой технологии и интеграции устройств сыграли ключевую роль в снижении SWaP. Далее в этой статье будут представлены важные достижения, которые напрямую влияют на SWaP, делая возможными сегодняшние и предсказуемые технологические скачки. Ниже обсуждаются три технологии: твердотельные усилители мощности, интеграция устройств и технология беспроводных датчиков.

Твердотельные усилители мощности (SSPA) — это не новая технология. GaAs (арсенид галлия) и LDMOS (горизонтально диффундированный металл-оксид-полупроводник) используются в мощных усилителях уже много лет. Кремниевые LDMOS-FETs широко используются в усилителях РЧ базовых станций, поскольку требуют высокой выходной мощности, а соответствующее напряжение пробоя в источнике расхода обычно превышает 60 В. По сравнению с другими устройствами, такими как GaAs FET, их максимальная частота усиления мощности ниже. LDMOS-FET наиболее эффективны при работе ниже 5 ГГц. Полевой транзистор с эффектом арсенида галлия (GaAsFET) — это особый тип FET, используемый в микроволновых транзисторах с твердотельными усилителями РЧ. Её спектр варьируется от примерно 30 МГц до миллиметрового диапазона.

GaAsFET известны своей отличной чувствительностью, особенно очень низким внутренним шумом, который они создают. Плотность мощности ограничена пробоевым напряжением. В хорошую погоду пробой GaAs MESFET может достигать 20 В. Напомним, TWT обладают высокой частотой и высокой мощностью, но их надёжность, вес и необходимые поддерживающие подсистемы делают их непопулярными. LDMOS может обеспечивать высокую мощность, но работает на частотах ниже 5 ГГц. MESFET GaAs работают на очень высоких частотах, но их низкое напряжение пробоя ограничивает диапазон мощности примерно 10 Вт. Где же «герой»? Есть ли у Syntech технология SSPA, чтобы спасти ситуацию? BusinessTech SWaP предпочитает подложки из карбида кремния с нитридом галлия (SiC подложка GaN). И GaN, и SiC — это материалы с широкой зазорной зазорностью, с совокупными напряжениями пробоя до 150 В. Это обеспечивает более высокую плотность мощности и меньшие нагрузки на линии, облегчая согласование импеданса. SiC подложка GaN поддерживает частоты усиления мощности в миллиметровых волнах (Ft ~ = 90 ГГц, Fmax ~ 200 ГГц).

Рыночное признание светодиодов SiC на субстрате GaN помогло производителям пластин повысить доверие и снизить стоимость пластин. Структура устройства радиочастотных транзисторов поддерживает плотность мощности 5 Вт/мм. Рейтинг MSL подложки SiC GaN близок или соответствует признанным отраслью рейтингам. SiC субстрат GaN получил широкое признание как прорывная технология, привлекая значительное внимание рынка. Главное ограничение производительности SiC подложки GaN — это теплопередача, и отвод тепла от устройства — это последняя проблема, которую нужно решить. С кремниевой подложкой GaN был достигнут определённый успех, но низкая теплопроводность ограничивает выходную мощность примерно 10 Вт. Алмазные субстраты с GaN-характеристиками — лучшие. Плотность мощности, рассчитанная научными расчётами, в десять раз выше, чем у доступных в настоящее время субстратов SiC в GaN.

Хотя прямой рост GaN на однокристаллических алмазах был продемонстрирован, максимальный размер доступных в настоящее время монокристаллических алмазных субстратов ограничивает внедрение этой технологии. Правительства и оборонные подрядчики — единственные ранние пользователи алмазного субстрата GaN. Подобно GaAs 1980-х годов, алмазный субстрат GaN будет рассматриваться этими государственными учреждениями, и по мере повышения надёжности и снижения сопутствующих затрат за этим последует коммерческий рынок. TWT имеет интегрированную альтернативу SSPA. ADI предлагает мощный усилитель (HPA) мощностью до 8 кВт, который объединяет множество SiC-субстратов GaN SSPA в один блок. KHPA-0811 использует компактный додекаэдрический корпус, предназначенный для баланса между высокой мощностью и малым размером при покрытии широкой пропускной способности.

Устранение бесполезных «якорей» через интеграцию

Термин «корабельный якорь» здесь используется ВМС США. Когда крупное электронное (или другое) устройство устаревает и становится бременем для системных ресурсов, его называют «корабельным якорем». Будь то пилотируемые или автономные, воздушные платформы имеют множество форм воздушной связи. Голос, навигация, данные, бортовые датчики, радары и многое другое имеют свои собственные каналы связи. По мере того как небо становится более многолюдным, список связей становится длиннее. Раньше любая система требовала значительного количества площади, электроснабжения и вспомогательных подсистем. Поистине удивительно, что воздушная платформа может взлететь. Каждая унция и каждый потребленный ватт должны быть тщательно рассчитаны, а дизайн физической системы должен соответствовать выделенному ей пространство. Должен быть лучший способ.

AD9361 — это высокопроизводительный, высокоинтегрированный радиоприемоприемный трансивер с частотой Agile Transiver™. AD9671 также от ADI, отличается низкой стоимостью, низким энергопотреблением и компактным размером. Достижения в проектировании интегральных схем (IC), системе в корпусе (SiP) и системе на чипе (SoC) сделали эти громоздкие системы «якорями» в прошлом. Давайте рассмотрим хороший пример системной интеграции. ADI выпустила ведущий в отрасли трансивер, который объединяет большое количество мощных коммуникационных каналов в один корпус диаметром 10 мм × 10 мм. Первоначальный дизайн изначально предназначался для 8-канальных ультразвуковых решений, но многие разработчики систем хотели использовать устройства COTS из-за их высокой интеграции, низкой стоимости и простоты доступности. Сверхширокополосные, энергопотребляющие и недорогие трансиверы ADF7242 ещё один пример интегрированного дизайна, а также рассматриваются системы вне оригинального проектирования. Отбрасываю «якорь» и использую SiP и SoC.

Перерезание медной «пуповины»

Будь то пилотируемые или беспилотные, самолёты имеют сотни или тысячи датчиков, многие из которых оснащены резервными и резервными системами поддержки. Существует большое разнообразие датчиков, включая датчики положения закрылков и элеронов, датчики вибрации двигателя, датчики температуры тормозов и другие, и их число постоянно растёт. Каждый датчик и связанные с ним резервные системы соединены с процессором через большие тяжёлые медные кабели и разъёмы из нержавеющей стали и алюминия. Проблема в том, что значительное количество ресурсов платформы используется для поддержки этих кабелей и соединений. Достижения в радиочастотных технологиях также могут сэкономить SWaP, снижая зависимость от таких кабелей. Многие крупные производители фюзеляжей сотрудничают для сертификации технологий коммерческой готовой продукции (COTS), чтобы заменить медные соединения недорогими и надёжными методами.

ADuCRF101 — это полностью интегрированное решение для сбора данных, предназначенное для маломощных беспроводных приложений. Например, он использует датчик инерциального измерительного блока (IMU) с требованиями к пропускной способности выходных данных ниже нескольких десятков кГц, в сочетании с интегрированным точным аналоговым микроконтроллером® ARm Cortex-M3® с радиочастотным передатчиком ADI. Его конструкция делает акцент на гибкости, стабильности, простоте использования и низком энергопотреблении. Это сочетание чисто гипотетически, но может служить примером использования технологии авионики в сочетании с радиочастотными устройствами COTS. Считается, что такие радиочастотные решения вскоре будут использованы для спасения SWaP.

Заключение

Современная социальная, политическая и экономическая среда требует, чтобы конструкторы аэроплатформ уделяли больше внимания экономии размеров, веса и энергопотребления. Снижение нагрузки на ресурсы системы может продлить время в пути, снизить потребность в топливе и повысить эффективность полезной нагрузки. Самый важный и интересный прогресс в спасении SWaP напрямую связан с технологическими достижениями в области радиочастот. Наиболее благоприятный прогресс связан с уменьшением размера, интеграцией устройств и снижением зависимости от медных кабельных соединений, вызванных переходом от TWT к SSPA. Ожидается, что радиочастотная технология будет поддерживать авиационную отрасль на взлёте ещё много лет. Радиочастотные решения играют незаменимую роль в снижении SWaP.