RF, SWaP'ın yaşam memu sorununu nasıl çözüyor?

Uzay Mekiği bir zamanlar ABD uzay programının ana taşıyıcısıydı—açıkçası, küresel uzay keşfi ve uydu uygulama programı. Uzay mekiği (yörünge aracı veya O V olarak da bilinir) 1969'da tasarıma başladı ve 1981'de düşük Dünya yörüngesine ulaştı. Özellikle, güç sistemi (EPS) özel olarak önem verilir. EPS, güç kaynağı reaktant depolama ve dağıtımı, yakıt hücresi enerji santralleri (elektrik üretimi) ile enerji dağıtımı ve kontrolünü içerir. EPS, OV için 28 VDC ve 115 VAC güç rayları sağlıyor, bu da için çok zaman ve emek harcanıyor. Bu sistemler ve alt sistemler çok karmaşık, hantal ve verimsizdir, ancak güç sistemi tüm yük hesaplamasının kritik bir parçasıdır.

Uçuş geçmişi

2015'e hızlıca gelsek, birkaç insansız hava aracı projesi geliştirilmekteydi ve bunlar özel bir kategoriye aitti: Yüksek İirtifa Uzun Dayanıklılık (HALE). Projelerden biri, yakıt ikmali almadan beş yıl boyunca uçmayı hedefledi. Çevre, gövde ve enerji santrali sistemlerinin zorlukları bile göz korkutucudur; ayrıca elektrik üretimi, iletim ve geri dönüşüme odaklanmak bu tür projelerin başarısı için çok önemlidir. İletişim sistemlerinin tasarımında boyut, ağırlık ve verimlilik de en önemli hususlardır. Neyse ki, Analog Devices, Inc. (adi) bu tür cihazları sunmakta oldukça proaktif.

Harika bir örnek, ADI'nin verici-alıcı serisidir; bu seri çeşitli, tüm spektrumu kapsar ve yüksek entegrasyon, düşük güç tüketimi ve kompakt boyuta sahiptir. Bu ve diğer cihaz çözümleri hakkında ayrıntılı bir tartışma bu makale boyunca yer alacaktır.

Bu makaledeki birçok sorun ve çözüm, deniz platformları için de uygulanabilir olan hava platformları örnekleriyle gösterilmiştir. Okuyucular, hava ve deniz tabanlı platformlar için sorun ve ilgili çözümlerin yakından ilişkili olduğunu ve genellikle aynı sistemin farklı bir versiyonu olduğunu anlamalıdır.

SWaP BusinessPass nedir?

Büyüklük, ağırlık ve güç tüketiminin (SWaP) yeni ürünler, projeler veya platformları tanımlamada en önemli metrikler olduğu söylenebilir. Deniz, hava, kara, taşınabilir veya tutulan görevlerin neredeyse tamamı ortak bir gereksinimi paylaşır: daha küçük çalışmak, daha az kaynak kullanmak ve genel sistem işlevselliğine daha fazla katkı sağlamak. Yakın zamanda, bir radar sistemi mimarıyla faz dizisi radarı ve 50 ila 1000 feet'ten kuşbakışı görüşü sunan Aktif Elektronik Taramalı Dizi (AESA) hakkında konuştum. Tasarımcılar, sistem doğruluğunu, menzilini ve veri iletim hızını artırmak için çok zekice fikirler önerdiler. Ancak SWaP'ın talepleri tüm ince hesaplamalarını işe yaramaz hale getirdi. Mevcut sosyal, ekonomik, siyasi ve küresel ortam ince ve küçük sistemlere avantaj sağlar. Yıllar içinde SWaP, sistem performans iyileştirmeleri ile çok işlevli mimariler arasında bazı zor tavanizler yapmaya zorlanan ana itici faktör haline gelmiş gibi görünüyor.

ve liderin ortaya çıkmasını ortaya çıkardı

SWaP sorunlarına bazı çözümleri tartışmadan önce, sorunu tetikleyen birkaç "suçluya" bakalım.

Cu! bakır, güç iletimi için tercih edilen iletkendir. 1.000 feet uzunluğunda yalıtımsız AWG No. 5 bakır tel, yaklaşık 100 pound (50 kg) ağırlığındadır. Daha da kötüsü, bakır telin doğal direnci bazı akımın ısı olarak boşa gitmesine neden olur. Bir diğer "kötü adam" ise geleneksel cihazların büyüklüğüdür. Örneğin deniz radar lokal osilatörü (LO) alırsak, LO hem vericiye hem de alıcıya aynı anda beslenir. LO, düşük harmoniklerle stabil frekanslar üretmeli ve en yüksek stabilite gereksinimleri sıcaklık, voltaj ve mekanik kaymayı dikkate almalıdır. Osilatörler, mikserler veya frekans çarpanları gibi sonraki devre aşamalarını etkili bir şekilde çalıştırmak için yeterli çıkış gücü üretmelidir. Faz gürültüsü çok düşük olmalı çünkü sinyal zamanlaması kritiktir. Geleneksel olarak, LO bağımsız, özel tasarlanmış alt sistemler tarafından üretilir ve dağıtılır. Aynı durum antena sistemleri için de geçerlidir; katı hal bileşenleri büyük boyut, yüksek güç tüketimi ve hacimli çıkış sağlar.

Sistemler için yüksek güçlü RF sağlayan geleneksel cihaz, seyahat dalgası tüpüdür (TWT). Peki, henüz bozulmamışken, neden Songtai'yi tamir etmeli? Songtai TWT nedir? Songtai TWT, elektronik cihazlarda mikrodalga frekanslı radyo frekansı (RF) sinyallerini güçlendirmek için kullanılan özel bir vakum tüpüdür. Genişbant TWT bant genişliği bir oktava kadar olabilir, ancak ayarlı (dar bantlı) versiyonlar daha yaygındır; Çalışma frekansı aralığı 300 MHz ile 50 GHz arasındadır. Bu TWT sistemleri verimli olarak kabul edilebilir, ancak tek bir arıza noktasıdırlar. Güvenilirlik TWT için ciddi bir sorun. Mikrodalga tüplerin güvenilirliği esas olarak üç faktöre bağlıdır. Birincisi, üretim sırasında ortaya çıkan hatalar güvenilirliği etkiler. Üretim sorunları, kötü işçilik ve süreç kontrolünün eksikliği üretim kusurlarının başlıca nedenleridir. İkinci olarak, seyahat dalgası tüpünün güvenilirliği büyük ölçüde çalışma programına ve kullanımına bağlıdır. Son olarak, güvenilir çalışmayı sağlamak için, çalışma noktası ile tüpün nihai tasarım kapasitesi arasında yeterince büyük bir tasarım farkı olmalıdır. Yukarıdakiler, SWaP'ın birçok dezavantajından sadece üç örnektir.

Süper kahraman SWaP'yi kurtar

Her kötü adamın başa çıkması gereken bir süper kahramana ihtiyacı vardır. Yarı iletken teknolojisi ve cihaz entegrasyonundaki gelişmeler, SWaP'ın azalmasında kritik rol oynamıştır. Sonra, bu makale SWaP'yi doğrudan etkileyen bazı önemli başarıları tanıtacak ve bugünün ve öngörülebilir teknolojik sıçramaların mümkün olmasını sağlayacak. Aşağıda üç teknoloji tartışılmaktadır: katı hal güç amplifikatörleri, cihaz entegrasyonu ve kablosuz sensör teknolojisi.

Katı Hal Güç Amplifikatörleri (SSPA) yeni bir teknoloji değildir. GaAs (galyum arsenid) ve LDMOS (lateral diffuziye metal-oksit-yarıiletken) uzun yıllardır yüksek güçlü amplifikatörlerde kullanılmaktadır. Silikon bazlı LDMOS FET'ler, yüksek çıkış gücü gerektirdikleri için baz istasyon RF güç amplifikatörlerinde yaygın olarak kullanılır ve buna karşılık gelen drenaj kaynağı kırılma voltajı genellikle 60 V'un üzerindedir. GaAs FET gibi diğer cihazlara kıyasla maksimum güç kazanç frekansları daha düşüktür. LDMOS FET'ler en verimli şekilde 5 GHz'in altında çalışırken olur. Galyum arsenid alan etkili transistörü (GaAsFET), mikrodalga RF katı hal amplifikatör devrelerinde kullanılan özel bir FET türüdür. Spektrumu yaklaşık 30 MHz'den milimetre dalga bandına kadar değişir.

GaAsFET'ler, özellikle ürettikleri çok düşük iç gürültüyle mükemmel hassasiyetleriyle ünlüdür. Güç yoğunluğu, kırılma voltajı ile sınırlıdır. İyi havalarda, GaAs MESFET'lerin kırılma voltajı 20 V'ye ulaşabilir. Özetlemek gerekirse, TWT'ler yüksek frekans ve yüksek güç özelliklerine sahiptir, ancak güvenilirlikleri, ağırlığı ve gerekli destek alt sistemleri onları popüler kılmaz. LDMOS yüksek güç sağlayabilir ancak 5 GHz'in altında frekanslarda çalışır. GaAs MESFET'ler çok yüksek frekanslarda çalışır, ancak düşük kırılma voltajları güç aralığını yaklaşık 10 W ile sınırlar. "Kahraman" nerede? Syntech, durumu kurtarmak için hızlı SSPA teknolojisine sahip mi? BusinessTech SWaP, galyum nitritli silikon karbür substratları tercih ediyor (SiC alt tabakası GaN). Hem GaN hem de SiC geniş bant aralığı malzemeleridir ve birleşik kırılma voltajları 150 V'a kadar ulaşır. Bu, daha yüksek güç yoğunluğu ve daha düşük hat yükleri sağlar, empedans uyumunu kolaylaştırır. SiC alt tabakası GaN, milimetre dalga güç kazanımı frekanslarını destekler (Ft ~ = 90 GHz, Fmax ~ 200 GHz).

SiC alt tabaka GaN LED'lerinin pazarda kabul görmesi, wafer fabrikalarının güven oluşturmasına ve wafer maliyetlerini azaltmasına yardımcı olmuştur. RF transistörlerin cihaz yapısı 5 W/mm güç yoğunluğunu destekler. SiC alt tabakası GaN'ın MSL derecelendirmesi, sektör tarafından tanınan derecelendirmelere yakın veya onları karşılamaktadır. SiC altlığı GaN, güçlü bir pazar ilgisi çekerek çığır açan bir teknoloji olarak geniş çapta tanınmıştır. SiC alt tabakası GaN'ın performansındaki en büyük sınırlama ısı transferidir ve cihazdan ısı yönlendirilmesi çözülmesi gereken son sorundur. Silikon substrat GaN ile bazı başarılar elde edilmiştir, ancak düşük termal iletkenlik çıkış gücünü yaklaşık 10 W ile sınırlandırır. GaN performansına sahip elmas alt tabakalar en iyisidir. Bilimsel hesaplamalarla hesaplanan güç yoğunluğu, GaN'deki mevcut SiC substratlarından on kat daha fazladır.

Tek kristalli elmaslarda doğrudan GaN büyümesi kanıtlanmış olsa da, mevcut monokristal elmas alt tabakalarının maksimum boyutu bu teknolojinin benimsenmesini sınırlamaktadır. Hükümetler ve savunma müteahhitleri, elmas alt tabakası GaN'ın erken benimseyenlerinden yekerdir. 1980'lerdeki GaAs'a benzer şekilde, elmas alt tabakası GaN bu devlet kurumları tarafından incelenecek ve güvenilirlik arttıkça ve ilgili maliyetler azaldıkça, ticari pazar da onu takip edecektir. TWT'nin entegre bir SSPA alternatifi vardır. ADI, 8 kW'a kadar gücüne sahip yüksek güçlü bir amplifikatör (HPA) sunar; bu da GaN SSPA'nın birçok SiC alt tabakasını tek bir üniteye entegre eder. KHPA-0811, yüksek güç ve küçük boyutu dengeleyerek geniş bant genişliğini kapsayan kompakt bir dodekahedral paket kullanır.

Entegrasyon yoluyla işe yaramaz 'çapaların' ortadan kaldırılması

Buradaki "gemi çapası" terimi, ABD Donanması tarafından kullanılan bir terimdir. Büyük bir elektronik (veya diğer) cihaz modası geçer ve sistem kaynakları üzerinde yük haline geldiğinde, ona "gemi çapası" denir. İster insanlı ister otonom olsun, hava platformları birçok hava iletişim biçimine sahiptir. Ses, navigasyon, veri, gemi sensörleri, radar ve daha fazlasının kendi iletişim bağlantıları vardır. Gökyüzü kalabalıklaştıkça bağlantı listesi uzadı. Geçmişte, herhangi bir sistem önemli miktarda alan, güç ve destek alt sistemleri gerektiriyordu. Hava platformunun havalanabilmesi gerçekten şaşırtıcı. Her ons ve her tüketilen watt dikkatlice hesaplanmalı ve fiziksel sistem tasarımı ona ayrılan alana uymalıdır. Daha iyi bir yol olmalı.

AD9361, yüksek performanslı, son derece entegre RF Çevik Transceiver vericidir™. AD9671 de ADI'den geliyor; düşük maliyet, düşük güç tüketimi ve kompakt boyut özelliklerine sahip. Entegre devre (IC) tasarımı, paket içi sistem (SiP) ve çip üzerindeki sistem (SoC) alanlarındaki gelişmeler, bu hantal sistemleri "çapa" olarak geçmişte bıraktı. Sistem entegrasyonuna iyi bir örnek bakalım. ADI, çok sayıda yüksek güçlü iletişim bağlantısını tek bir 10 mm × 10 mm pakette entegre eden sektör lideri bir alıcıyı piyasaya sürdü. Orijinal tasarım başlangıçta 8 kanallı ultrason çözümleri için tasarlanmıştı, ancak birçok sistem tasarımcısı, yüksek entegrasyonları, düşük maliyeti ve kolay erişilebilirliği nedeniyle COTS cihazlarını kullanmak istedi. Ultra geniş bantlı, düşük güçlü, düşük maliyetli vericiler entegre tasarımın bir başka örneği ADF7242 ve orijinal tasarım kapsamı dışındaki sistemler de bunu kullanmayı düşünüyor. "Çapa"yı bırakıp SiP ve SoC kullanmak.

Bakır 'göbek bağını' kesmek

İster insanlı ister insansız olsun, uçaklarda yüzlerce veya binlerce sensör bulunur; bunların çoğu yedek ve yedek destek sistemlerine sahiptir. Flap ve aileron pozisyon sensörleri, motor titreşim sensörleri, fren sıcaklığı sensörleri ve daha fazlası gibi çok çeşitli sensörler vardır ve bu sayı sürekli artmaktadır. Her sensör ve ona bağlı yedeklikler, büyük, ağır bakır kablolar ve paslanmaz çelik/alüminyum konnektörlerle CPU'ya bağlanır. Sorun, bu kabloları ve bağlantıları desteklemek için önemli miktarda platform kaynağının kullanılmasıdır. RF teknolojisindeki gelişmeler, bu tür kablolara bağımlılığı azaltarak SWaP'yi de kurtarabilir. Birçok büyük gövde üreticisi, bakır bağlantı bağlantılarını düşük maliyetli ve güvenilir yöntemlerle değiştirmek için ticari bitmiş ürün (COTS) teknolojilerini sertifikalandırmak için iş birliği yapmaktadır.

ADuCRF101, düşük güçlü kablosuz uygulamalar için tasarlanmış tamamen entegre bir veri toplama çözümüdür. Örneğin, çıkış veri bant genişliği gereksinimleri birkaç onlarca kHz'in altında olan bir atalet ölçüm birimi (IMU) sensörü kullanır ve ADI'nin entegre RF verici hassas analog mikrodenetleyicisi ARm® Cortex-M3® ile birleşir. Tasarımı esneklik, kararlılık, kullanım kolaylığı ve düşük güç tüketimini vurgular. Bu kombinasyon tamamen varsayımsal olsa da, COTS RF cihazlarıyla birlikte kullanılan aviyonik sensör teknolojisinin bir örneği olabilir. Bu tür RF çözümlerinin yakında SWaP'ı kurtarmak için kullanılacağına inanılıyor.

Sonuç

Bugünün sosyal, politik ve ekonomik ortamı, hava platformu tasarımcılarının boyut, ağırlık ve güç tüketimini korumaya daha fazla odaklanmasını gerektirir. Sistem kaynak yükünü azaltmak, yolculuk sürelerini uzatabilir, yakıt ihtiyacını düşürebilir ve yük verimliliğini artırabilir. SWaP'yi kurtarmadaki en önemli ve ilginç ilerleme, doğrudan RF alanındaki teknolojik gelişmelerden kaynaklanıyor. En olumlu ilerleme, TWT'den SSPA'ya geçişle birlikte boyut, cihaz entegrasyonu ve bakır kablo bağlantılarına olan bağımlılığın azalmasından kaynaklanmaktadır. RF teknolojisinin, havacılık sektörünün yıllarca yükselmesini sağlaması bekleniyor. RF çözümleri, SWaP'in azalmasında vazgeçilmez bir rol oynar.