Cách RF giải quyết vấn đề sinh tử của SWaP

Tàu con thoi đã từng là tàu sân bay chính cho chương trình vũ trụ của Hoa Kỳ - thẳng thắn mà nói, chương trình khám phá không gian toàn cầu và triển khai vệ tinh. Tàu con thoi (còn được gọi là tàu quỹ đạo hoặc O V) bắt đầu thiết kế vào năm 1969 và đạt quỹ đạo thấp của Trái đất vào năm 1981. Cụ thể, đặc biệt xem xét hệ thống điện (EPS). EPS bao gồm lưu trữ và phân phối chất phản ứng nguồn điện, nhà máy điện pin nhiên liệu (sản xuất điện), cũng như phân phối và điều khiển điện. EPS cung cấp đường ray nguồn 28 VDC và 115 VAC cho OV, dành rất nhiều thời gian và công sức cho việc này. Các hệ thống và hệ thống con này rất phức tạp, cồng kềnh và không hiệu quả, nhưng hệ thống điện là một phần quan trọng trong toàn bộ tính toán tải trọng.

Lịch sử chuyến bay

Tua nhanh đến năm 2015, một số dự án máy bay không người lái đang được phát triển và chúng thuộc một danh mục đặc biệt: Độ bền dài độ cao cao (HALE). Một trong những dự án đặt mục tiêu bay trong năm năm mà không cần tiếp nhiên liệu. Những thách thức về môi trường, khung máy bay và hệ thống nhà máy điện đã rất khó khăn; hơn nữa, tập trung vào sản xuất, truyền tải và tái chế điện là rất quan trọng đối với sự thành công của các dự án như vậy. Trong thiết kế hệ thống thông tin liên lạc, kích thước, trọng lượng và hiệu quả cũng là những cân nhắc quan trọng nhất. May mắn thay, Analog Devices, Inc. (adi) rất chủ động trong việc cung cấp các thiết bị như vậy.

Một ví dụ tuyệt vời là dòng bộ thu phát của ADI, đa dạng, bao phủ toàn bộ phổ và có tính năng tích hợp cao, tiêu thụ điện năng thấp và kích thước nhỏ gọn. Một cuộc thảo luận chi tiết về những giải pháp này và các giải pháp thiết bị khác sẽ được xen kẽ trong suốt bài viết này.

Nhiều vấn đề và giải pháp trong bài viết này được minh họa bằng cách sử dụng các ví dụ về nền tảng trên không, một số trong số đó cũng có thể áp dụng cho các nền tảng hàng hải. Độc giả nên hiểu rằng tuyên bố về các vấn đề và các giải pháp liên quan cho các nền tảng trên không và trên biển có liên quan chặt chẽ và thường là một phiên bản khác của cùng một hệ thống.

SWaP BusinessPass là gì?

Có thể nói, kích thước, trọng lượng và mức tiêu thụ điện năng (SWaP) là những chỉ số quan trọng nhất trong việc xác định sản phẩm, dự án hoặc nền tảng mới. Hầu hết tất cả các tác vụ mới được phát triển — cho dù trên biển, trên không, mặt đất, di động hay giữ — đều có chung một yêu cầu: làm nhỏ hơn, sử dụng ít tài nguyên hơn và đóng góp nhiều hơn vào chức năng tổng thể của hệ thống. Gần đây, tôi đã nói chuyện với một kiến trúc sư hệ thống radar về radar mảng pha và Mảng quét điện tử chủ động (AESA), cung cấp tầm nhìn toàn cảnh từ 50 đến 1000 feet. Các nhà thiết kế đã đề xuất một số ý tưởng rất thông minh để cải thiện độ chính xác, phạm vi và tốc độ truyền dữ liệu của hệ thống. Tuy nhiên, yêu cầu của SWaP khiến tất cả các tính toán tốt của anh ta trở nên vô dụng. Môi trường xã hội, kinh tế, chính trị và toàn cầu hiện nay ủng hộ các hệ thống mỏng và nhỏ. Trong những năm qua, SWaP dường như đã trở thành một yếu tố thúc đẩy chính, buộc mọi người phải thực hiện một số đánh đổi khó khăn giữa cải tiến hiệu suất hệ thống và kiến trúc đa chức năng.

và phát hiện ra kẻ cầm đầu

Trước khi thảo luận về một số giải pháp cho các vấn đề SWaP, trước tiên chúng ta hãy xem xét một vài "thủ phạm" gây ra vấn đề.

Cu! đồng là dây dẫn ưa thích để truyền tải điện. Một dây đồng AWG số 5 dài 1.000 foot không cách điện nặng gần 100 pound (50 kg). Tệ hơn nữa, điện trở vốn có của dây đồng khiến một số dòng điện bị lãng phí dưới dạng nhiệt. Một "kẻ xấu" khác là kích thước của các thiết bị truyền thống. Lấy bộ dao động cục bộ radar hàng hải (LO) làm ví dụample, LO được cấp đồng thời cho cả máy phát và máy thu. LO phải tạo ra tần số ổn định với sóng hài thấp và các yêu cầu ổn định cao nhất phải xem xét nhiệt độ, điện áp và độ trôi cơ học. Bộ dao động phải tạo ra đủ công suất đầu ra để điều khiển hiệu quả các giai đoạn mạch tiếp theo, chẳng hạn như bộ trộn hoặc hệ số nhân tần số. Nhiễu pha của nó phải rất thấp vì thời gian tín hiệu là rất quan trọng. Theo truyền thống, LO được tạo và phân phối bởi các hệ thống con độc lập, được thiết kế đặc biệt. Điều tương tự cũng áp dụng cho các hệ thống trên không, nơi các thành phần thành phần thể rắn dẫn đến kích thước lớn, tiêu thụ điện năng cao và đầu ra cồng kềnh.

Thiết bị truyền thống cung cấp RF công suất cao cho các hệ thống là ống sóng di chuyển (TWT). Vậy, vì nó vẫn chưa bị hỏng, tại sao phải sửa chữa Songtai? Songtai TWT là gì? Songtai TWT là một ống chân không chuyên dụng được sử dụng trong các thiết bị điện tử để khuếch đại tín hiệu tần số vô tuyến (RF) dải vi sóng. Băng thông TWT băng thông rộng có thể lên đến một quãng tám, nhưng các phiên bản được điều chỉnh (băng hẹp) phổ biến hơn; Dải tần hoạt động từ 300 MHz đến 50 GHz. Các hệ thống TWT này có thể được coi là hiệu quả, nhưng chúng là những điểm lỗi duy nhất. Độ tin cậy là một vấn đề nghiêm trọng đối với TWT. Độ tin cậy của ống vi sóng chủ yếu phụ thuộc vào ba yếu tố. Đầu tiên, các lỗi được đưa ra trong quá trình sản xuất ảnh hưởng đến độ tin cậy. Các vấn đề về sản xuất, tay nghề kém và thiếu kiểm soát quy trình là nguyên nhân chính gây ra lỗi sản xuất. Thứ hai, độ tin cậy của ống sóng di chuyển phụ thuộc rất nhiều vào chương trình vận hành và xử lý. Cuối cùng, để đảm bảo hoạt động đáng tin cậy, phải có biên độ thiết kế đủ lớn giữa điểm vận hành và khả năng thiết kế cuối cùng của ống. Trên đây chỉ là ba ví dụ trong số nhiều nhược điểm của SWaP.

Cứu siêu anh hùng SWaP

Mỗi nhân vật phản diện đều cần một siêu anh hùng để đối phó. Những tiến bộ trong công nghệ bán dẫn và tích hợp thiết bị đã đóng một vai trò quan trọng trong việc giảm SWaP. Tiếp theo, bài viết này sẽ giới thiệu một số thành tựu lớn tác động trực tiếp đến SWaP, giúp những bước nhảy vọt về công nghệ ngày nay và có thể thấy trước có thể thực hiện được. Dưới đây, ba công nghệ được thảo luận: bộ khuếch đại công suất trạng thái rắn, tích hợp thiết bị và công nghệ cảm biến không dây.

Bộ khuếch đại công suất trạng thái rắn (SSPA) không phải là một công nghệ mới. GaAs (gallium arsenide) và LDMOS (chất bán dẫn oxit kim loại khuếch tán bên) đã được sử dụng trong các bộ khuếch đại công suất cao trong nhiều năm. FET LDMOS dựa trên silicon được sử dụng rộng rãi trong bộ khuếch đại công suất RF của trạm gốc vì chúng yêu cầu công suất đầu ra cao và điện áp đánh thủng nguồn xả tương ứng thường trên 60 V. So với các thiết bị khác như GaAs FET, tần số tăng công suất tối đa của chúng thấp hơn. LDMOS FET hiệu quả nhất khi hoạt động dưới 5 GHz. Bóng bán dẫn hiệu ứng trường gallium arsenide (GaAsFET) là một loại FET đặc biệt được sử dụng trong các mạch khuếch đại thể rắn RF vi sóng. Quang phổ của nó nằm trong khoảng từ khoảng 30 MHz đến dải sóng milimet.

GaAsFET nổi tiếng với độ nhạy tuyệt vời, đặc biệt là tiếng ồn bên trong rất thấp mà chúng tạo ra. Mật độ công suất bị giới hạn bởi điện áp đánh thủng. Trong điều kiện thời tiết tốt, điện áp đánh thủng của GaAs MESFET có thể đạt tới 20 V. Tóm lại, TWT có tần số cao và đặc tính công suất cao, nhưng độ tin cậy, trọng lượng và hệ thống con hỗ trợ cần thiết khiến chúng không phổ biến. LDMOS có thể cung cấp công suất cao nhưng hoạt động ở tần số dưới 5 GHz. GAAS MESFET hoạt động ở tần số rất cao, nhưng điện áp đánh thủng thấp của chúng giới hạn dải công suất của chúng ở khoảng 10 W. "Anh hùng" ở đâu? Syntech có công nghệ SSPA nhảy vọt để cứu vãn tình hình không? BusinessTech SWaP thích chất nền cacbua silic với gallium nitride (chất nền SiC GaN). Cả GaN và SiC đều là vật liệu dải rộng, với điện áp đánh thủng kết hợp lên đến 150 V. Điều này cho phép mật độ công suất cao hơn và tải đường dây thấp hơn, giúp khớp trở kháng dễ dàng hơn. Chất nền SiC GaN hỗ trợ tần số khuếch đại công suất sóng milimet (Ft ~ = 90 GHz, Fmax ~ 200 GHz).

Sự chấp nhận của thị trường đối với đèn LED GaN chất nền SiC đã giúp các nhà máy sản xuất wafer xây dựng niềm tin và giảm chi phí wafer. Cấu trúc thiết bị của bóng bán dẫn RF hỗ trợ mật độ công suất 5 W / mm. Xếp hạng MSL của chất nền SiC GaN gần bằng hoặc đáp ứng các xếp hạng được công nhận trong ngành. Chất nền SiC GaN đã được công nhận rộng rãi là một công nghệ đột phá, thu hút sự chú ý mạnh mẽ của thị trường. Hạn chế lớn nhất đối với hiệu suất của GaN chất nền SiC là truyền nhiệt và chuyển hướng nhiệt từ thiết bị là vấn đề cuối cùng cần giải quyết. Đã có một số thành công với chất nền silicon GaN, nhưng độ dẫn nhiệt thấp hơn giới hạn công suất đầu ra ở khoảng 10 W. Chất nền kim cương với hiệu suất GaN là tốt nhất. Mật độ công suất được tính toán bằng các tính toán khoa học cao gấp mười lần so với mật độ của các chất nền SiC hiện có trong GaN.

Mặc dù sự tăng trưởng GaN trực tiếp trên kim cương đơn tinh thể đã được chứng minh, nhưng kích thước tối đa của chất nền kim cương đơn tinh thể hiện có hạn chế việc áp dụng công nghệ này. Chính phủ và các nhà thầu quốc phòng là những người duy nhất sớm áp dụng chất nền kim cương GaN. Tương tự như GaAs vào những năm 1980, chất nền kim cương GaN sẽ được các cơ quan chính phủ này xem xét và khi độ tin cậy được cải thiện và chi phí liên quan giảm, thị trường thương mại sẽ theo sau. TWT có một giải pháp thay thế SSPA tích hợp. ADI cung cấp bộ khuếch đại công suất cao (HPA) với công suất lên đến 8 kW, tích hợp nhiều chất nền SiC của GaN SSPA vào một thiết bị duy nhất. KHPA-0811 sử dụng gói tứ diện nhỏ gọn, được thiết kế để cân bằng công suất cao và kích thước nhỏ trong khi bao phủ băng thông rộng.

Loại bỏ 'neo' vô dụng thông qua tích hợp

Thuật ngữ "neo tàu" ở đây là một thuật ngữ được Hải quân Hoa Kỳ sử dụng. Khi một thiết bị điện tử lớn (hoặc thiết bị khác) trở nên lỗi thời và trở thành gánh nặng cho tài nguyên hệ thống, nó được gọi là "neo tàu". Dù có người lái hay tự động, các nền tảng trên không đều có nhiều hình thức liên lạc trên không. Giọng nói, điều hướng, dữ liệu, cảm biến tích hợp, radar, v.v. đều có các liên kết giao tiếp riêng. Khi bầu trời trở nên đông đúc hơn, danh sách các liên kết sẽ dài hơn. Trong quá khứ, bất kỳ hệ thống nào cũng yêu cầu một lượng đáng kể diện tích, công suất và hệ thống con hỗ trợ. Thật đáng chú ý khi nền tảng trên không có thể cất cánh. Mỗi ounce và mỗi watt tiêu thụ phải được tính toán cẩn thận và thiết kế hệ thống vật lý phải phù hợp với không gian được phân bổ cho nó. Phải có một cách tốt hơn.

AD9361 là bộ thu phát™ RF Agile Transceiver hiệu suất cao, tích hợp cao. AD9671 cũng thuộc ADI, có chi phí thấp, tiêu thụ điện năng thấp và kích thước nhỏ gọn. Những tiến bộ trong thiết kế mạch tích hợp (IC), hệ thống trong gói (SiP) và hệ thống trên chip (SoC) đã khiến những hệ thống cồng kềnh này trở thành "mỏ neo" trở thành dĩ vãng. Hãy xem một ví dụ điển hình về tích hợp hệ thống. ADI đã phát hành một bộ thu phát hàng đầu trong ngành tích hợp một số lượng lớn các liên kết giao tiếp công suất cao vào một gói 10 mm × 10 mm duy nhất. Thiết kế ban đầu dành cho các giải pháp siêu âm 8 kênh, nhưng nhiều nhà thiết kế hệ thống muốn sử dụng các thiết bị COTS vì khả năng tích hợp cao, chi phí thấp và dễ dàng cung cấp. Bộ thu phát băng thông siêu rộng, công suất thấp, chi phí thấp ADF7242 một ví dụ khác về thiết kế tích hợp và các hệ thống nằm ngoài phạm vi thiết kế ban đầu cũng đang xem xét sử dụng nó. Bỏ "mỏ neo" và sử dụng SiP và SoC.

Cắt 'dây rốn' bằng đồng

Dù có người lái hay không người lái, máy bay đều có hàng trăm hoặc hàng nghìn cảm biến, nhiều cảm biến có hệ thống hỗ trợ dự phòng và dự phòng. Có rất nhiều loại cảm biến, bao gồm cảm biến vị trí cánh đảo gió và aileron, cảm biến rung động cơ, cảm biến nhiệt độ phanh, v.v. và số lượng liên tục tăng lên. Mỗi cảm biến và các dự phòng liên quan của nó được kết nối với CPU thông qua cáp đồng lớn, nặng và đầu nối bằng thép không gỉ / nhôm. Vấn đề là một lượng đáng kể tài nguyên nền tảng được sử dụng để hỗ trợ các cáp và kết nối này. Những tiến bộ trong công nghệ RF cũng có thể tiết kiệm SWaP bằng cách giảm sự phụ thuộc vào các loại cáp như vậy. Nhiều nhà sản xuất khung máy bay lớn đang hợp tác để chứng nhận công nghệ thành phẩm thương mại (COTS) để thay thế các kết nối bằng đồng bằng các phương pháp đáng tin cậy, chi phí thấp.

ADuCRF101 là một giải pháp thu thập dữ liệu tích hợp đầy đủ được thiết kế cho các ứng dụng không dây công suất thấp. Ví dụ: nó sử dụng cảm biến đơn vị đo quán tính (IMU) với yêu cầu băng thông dữ liệu đầu ra dưới vài chục kHz, kết hợp với bộ vi điều khiển tương tự chính xác thu phát RF tích hợp ARm® Cortex-M3®. Thiết kế của nó nhấn mạnh tính linh hoạt, ổn định, dễ sử dụng và tiêu thụ điện năng thấp. Sự kết hợp này hoàn toàn là giả thuyết, nhưng nó có thể là một ví dụ về công nghệ cảm biến điện tử hàng không đang được sử dụng cùng với các thiết bị COTS RF. Người ta tin rằng các giải pháp RF như vậy sẽ sớm được sử dụng để cứu SWaP.

Kết luận

Môi trường xã hội, chính trị và kinh tế ngày nay đòi hỏi các nhà thiết kế nền tảng trên không tập trung nhiều hơn vào việc tiết kiệm kích thước, trọng lượng và mức tiêu thụ điện năng. Giảm gánh nặng tài nguyên hệ thống có thể kéo dài thời gian hành trình, giảm yêu cầu nhiên liệu và cải thiện hiệu quả tải trọng. Tiến bộ quan trọng và thú vị nhất trong việc tiết kiệm SWaP đến trực tiếp từ những tiến bộ công nghệ trong lĩnh vực RF. Tiến bộ thuận lợi nhất là do giảm kích thước, tích hợp thiết bị và giảm sự phụ thuộc vào các kết nối cáp đồng do sự chuyển đổi từ TWT sang SSPA. Công nghệ RF được kỳ vọng sẽ giữ cho ngành hàng không tăng vọt trong nhiều năm tới. Các giải pháp RF đóng một vai trò không thể thiếu trong việc giảm SWaP.