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SWaP:“翱翔高空”抑或“望空兴叹”可能取决于RF解决方案

上网日期: 2016年03月07日 ?? 作者: Jarrett Liner ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:SWaP? 功率放大器? LDMOS?

2015年,有多个无人飞行器项目处在开发阶段,它们属于一个特殊类别: 高空长航时(HALE)。 其中一个项目设定的目标是飞行5年而不用加注燃料。 单单环境、机身和电厂系统的挑战就令人生畏,不仅如此,还要关注电力的产生、输送和回收,这对此类项目的成功至关重要。 在通信系统的设计中,尺寸、重量和效率也是最重要的考虑。 幸运的是,ADI对提供此类器件非常积极。一个很好的例子是ADI公司的收发器系列,其种类多样、覆盖全频谱并具有高集成度、低功耗和小尺寸特性。

什么是SWaP?

可以说,尺寸、重量和功耗(SWaP)是新产品、新项目或新平台定义中最重要的指标。 几乎所有新开发任务,无论海上、空中、地面、便携还是手持式,都有一个共同要求: 做得更小,使用更少的资源,为整体系统功能做出更大贡献。 最近同一名雷达系统架构师有过交谈,讨论的是相控阵雷达和有源电子扫描阵列(AESA),从50英尺到1000英尺鸟瞰,设计师提出了一些非常聪明的设想来提高系统精度、范围和数据传输速度。 但是,SWaP要求使他的所有精细计算变得无用。 当前的社会、经济、政治和全球环境更喜欢瘦小系统。 这些年来,SWaP似乎已成为关键驱动因素,人们在系统性能改进和多功能架构方面不得不做出一些困难的取舍。

讨论SWaP问题的一些解决方案之前,我们先看看几个引发问题的“祸首”。

Cu! 铜是电力传输的首选导体。 1000英尺无绝缘的AWG 5号铜线重量接近100磅(50 kg)。 更糟糕的是,铜线的固有电阻会导致部分电流以热的形式白白浪费。 另一个“坏蛋”是传统器件的尺寸。 以船用雷达本振(LO)为例, LO同时馈送至发射机和接收机。 LO必须产生具有低谐波的稳定频率,最高稳定性要求必须考虑温度、电压和机械漂移。 振荡器必须产生足够的输出功率以有效驱动后续电路级,比如混频器或频率倍增器。 其相位噪声必须很低,因为信号时序至关重要。 传统上,LO是由独立的专门设计的子系统产生和分配。 空中系统也是如此,固态器件组成导致其尺寸大、功耗高且笨重。

为系统提供高功率RF的传统器件是行波管(TWT)。 那好,既然还没坏,为什么要修? 什么是TWT? TWT是一种专用真空管,用在电子装置中以放大微波范围的射频(RF)信号。 宽带TWT的带宽可能高达一个倍频程,不过调谐(窄带)版本更常见;工作频率范围是300 MHz至50 GHz。 此类TWT系统可以说是高效的,但它们是单点故障。 可靠性是TWT的一个严重问题。 微波管可靠性主要取决于三个因素。 第一,制造过程中引入的缺陷会影响可靠性。 生产问题、做工不佳、缺少过程控制是引起制造缺陷的主要原因。 第二,行波管可靠性严重依赖于工作程序和处理。 最后,为了实现可靠工作,工作点与管的终极设计能力之间必须存在足够大的设计裕量。 以上只是SWaP的众多不利因素中的三个例子。

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图1. TWT效率、输出功率和重量随着时间推移而改进

拯救SWaP的超级英雄

每个坏蛋都需要一位超级英雄来收拾。 半导体技术和器件集成度的进步对降低SWaP发挥了重要作用。 本文接下来将介绍一些直接影响SWaP的重大成就,它们使当今和可预见未来的技术大跨越成为可能。 下面讨论三种技术: 固态功率放大器、器件集成和无线传感器技术。

固态功率放大器(SSPA)并非新技术。 GaAs(砷化镓)和LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)用于高功率放大器已有许多年。 硅基LDMOS FET广泛用于基站RF功率放大器,因为其要求高输出功率,相应的漏源击穿电压通常高于60 V。 与GaAs FET等其他器件相比,它们的最大功率增益频率较低。 LDMOS FET在5 GHz以下工作时效率最高。 砷化镓场效应晶体管(GaAsFET)是一种特殊类型的FET,用于微波射频固态放大器电路。 其频谱是从大约30 MHz到毫米波频段。

GaAsFET出名的原因是具有优异的灵敏度,尤其是产生的内部噪声非常低。 功率密度受击穿电压限制。 天气好时,GaAs MESFET的击穿电压可以达到20 V。 回顾一下,TWT具有高频率和高功率特性,但可靠性、重量和所需的支持子系统使其不受欢迎。 LDMOS可提供高功率,但工作频率低于5 GHz。 GaAs MESFET的工作频率非常高,但低击穿电压将其功率范围限制在10 W左右。 “英雄”在哪里? 是否有跨越式SSPA技术来挽救危局? SWaP喜欢碳化硅衬底氮化镓(SiC衬底GaN)。 GaN和SiC均为宽带隙材料,其组合击穿电压高达150 V。 这样就能实现更高的功率密度和更低的线路负载,阻抗匹配也更容易。 SiC衬底GaN支持毫米波段的功率增益频率(Ft ~ = 90 GHz,Fmax ~ 200 GHz)。

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图2. 不同工艺的功率与频率的关系

市场对SiC衬底GaN LED的欢迎帮助晶圆厂建立了信心并降低了晶圆成本。 RF晶体管的器件结构支持实现5 W/mm的功率密度。 SiC衬底GaN的MSL等级接近或达到了业界认可的额定值。 SiC衬底GaN作为突破性技术已获得广泛的认可,防务和商用市场趋之若鹜。 限制SiC衬底GaN性能的最大因素是传热,将热量从器件导出是最后待解决的问题。 在硅衬底GaN上获得了一些成功,但较低的热导率会将输出功率限制在10 W左右。 钻石衬底GaN性能最佳。 科学计算得出的功率密度要比当今可用的SiC衬底GaN高出10倍。

虽然已展示过在单晶钻石上直接生长GaN,但目前可用的单晶钻石衬底的最大尺寸限制了此项技术的采用。 政府和国防承包商是钻石衬底GaN的唯一早期采用者。 类似于1980年代的GaAs,钻石衬底GaN将由这些政府机构审查,随着可靠性提高和相关成本降低,商用市场就会跟进。 TWT有一个集成SSPA替代品。 ADI公司提供一款最高8 kW的高功率放大器(HPA),其将许多SiC衬底GaN SSPA合并在单个单元中。 KHPA-0811采用小型十二面体封装,旨在兼顾大功率和小尺寸特性,同时覆盖宽带宽。

通过集成消除无用的“船锚”

这里所说的“船锚”是美国海军用语,当某种大型电子(或其他)设备因为过时而成为系统资源的负担时,便称之为“船锚”。 无论有人还是自主驾驶,空中平台都有许多形式的机载通信。 语音、导航、数据、机载传感器、雷达、弹 药追踪等都有自己的通信链路,随着天空越来越拥挤,战争舞台越来越复杂,链路名单变得越来越长。 过去,任何一个系统都需要相当多的面积、电源和支持子系统。 空中平台能够升空真是了不起。 每一盎司、每一耗瓦都要精打细算,物理系统设计必须与为其分配的空间相适应。 一定有更好的办法。

AD9361是一款高性能、高度集成的射频(RF) Agile Transceiver捷变收发器。AD9671同样出自ADI公司,具有低成本、低功耗、小尺寸等特性。集成电路(IC)设计、系统级封装(SiP)和系统化芯片(SoC)的进步,使得这些臃肿系统的“船锚”成为过去。 我们来看一个有关系统集成的好例子。 ADI公司已发布一款业界领先的收发器,其将大量高功耗的通信链路全部放入一个10 mm × 10 mm封装中。 原始设计本来是用于8通道超声方案,但许多商用和国防系统设计师希望使用COTS器件,因为其集成度高、成本低且容易获得。 超宽带、低功耗、低成本收发器ADF7242是集成设计的又一个例子,原始设计范围之外的系统也在考虑使用它。 丢掉“船锚”,用上SiP和SoC。

剪掉铜“脐带”

无论有人还是无人,商用和国防航空器都有成百上千的传感器,许多还有冗余和备用支持系统。 传感器种类五花八门,襟翼和副翼位置传感器、发动机振动传感器、制动温度传感器等等不一而足,而且在不断增多。 每个传感器及其相关冗余都通过又大又重的铜缆和不锈钢/铝制连接器连接到中央处理器。 问题是,相当多的平台资源被用来支撑这些电缆和互连。 RF技术进步同样能拯救SWaP,因为它可降低对此类电缆的依赖性。 许多主要机身制造商正在展开合作,对商用成品(COTS)技术进行认证,以求用低成本、可靠的方式取代铜互连。

ADuCRF101是一款针对低功耗无线应用而设计的完全集成式数据采集解决方案,例如,采用输出数据带宽要求低于数十kHz的惯性测量单元(IMU)传感器,并结合来自ADI公司的集成RF收发器的精密模拟微控制器ARM Cortex-M3。 其设计注重灵活性、稳定性、易用性和低功耗特性。 这种结合纯属假设,但会是航空电子传感器技术与COTS RF器件搭配使用的一个例子。 相信此类RF方案很快就会用来拯救SWaP。

结论

当今的社会、政治和经济环境要求空中平台设计者更加注重节约尺寸、重量和功耗。 降低系统资源负担可以延长航行时间,减少燃料要求,提高有效载荷效率。 节约SWaP的最重要且最有趣的进步直接来源于RF领域的技术进步。 最有利的进展得益于从TWT转向SSPA所带来的尺寸缩小、器件集成以及对铜缆互连依赖程度的降低。 RF技术有望使航空行业在未来许多年继续翱翔高空。 RF解决方案对降低SWaP功不可没。

SWaP:“翱翔高空”抑或“望空兴叹”可能取决于RF解决方案 (电子工程专辑)
图3. ADuCRF101

本文来自《电子工程专辑》2016年3月《微波及射频》特刊,拒绝转载。







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