SWaP的生死存亡和rfid有什么關(guān)系

航天飛機(jī)曾是美國航天計劃——十分坦率的說，也是全球航天探索和衛(wèi)星實(shí)施計劃——的主力運(yùn)載工具。航天飛機(jī)（也稱軌道飛行器或O V）于1969年開始設(shè)計，并于1981年抵達(dá)低軌道。具體來說，其中對電力系統(tǒng)（EPS）給予了特別考慮。EPS包括電源反應(yīng)物存儲和分配、燃料電池發(fā)電廠（電力產(chǎn)生）以及電力分配和控制。EPS為OV提供28 VDC和115 VAC供電軌，在這上面花費(fèi)了很多時間和精力。這些系統(tǒng)和子系統(tǒng)非常復(fù)雜、笨重和低效，但電力系統(tǒng)是整個有效載荷計算的一個重要部分。

飛行歷史

快進(jìn)到2015年，有多個無人飛行器項(xiàng)目正在開發(fā)階段，它們屬于一個特殊類別：高空長航時（HALE）。其中一個項(xiàng)目設(shè)定的目標(biāo)是飛行5年而不用加注燃料。單單環(huán)境、機(jī)身和電廠系統(tǒng)的挑戰(zhàn)就令人生畏，不僅如此，還要關(guān)注電力的產(chǎn)生、輸送和回收，這對此類項(xiàng)目的成功至關(guān)重要。在通信系統(tǒng)的設(shè)計中，尺寸、重量和效率也是最重要的考慮。幸運(yùn)的是，Analog Devices， Inc. （adi）對提供此類器件非常積極。

一個很好的例子是ADI公司的收發(fā)器系列，其種類多樣、覆蓋全頻譜并具有高集成度、低功耗和小尺寸特性。有關(guān)這些及其他器件解決方案的詳細(xì)討論將在本文中穿插進(jìn)行。

本文中的許多問題和解決方案都是結(jié)合空中平臺例子來說明，有些也適用船用平臺。讀者應(yīng)明白，空基和海基平臺的問題陳述和相關(guān)解決方案具有密切聯(lián)系，常常是同一系統(tǒng)的不同版本。

什么是SWaP？

可以說，尺寸、重量和功耗（SWaP）是新產(chǎn)品、新項(xiàng)目或新平臺定義中最重要的指標(biāo)。幾乎所有新開發(fā)任務(wù)，無論海上、空中、地面、便攜還是手持式，都有一個共同要求：做得更小，使用更少的資源，為整體系統(tǒng)功能作出更大貢獻(xiàn)。最近同一名雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)師有過交談，討論的是相控陣?yán)走_(dá)和有源電子掃描陣列（AESA），從50英尺到1000英尺鳥瞰，設(shè)計師提出了一些非常聰明的設(shè)想來提高系統(tǒng)精度、范圍和數(shù)據(jù)傳輸速度。但是，SWaP要求使他的所有精細(xì)計算變得無用。當(dāng)前的社會、經(jīng)濟(jì)、政治和全球環(huán)境更喜歡瘦小系統(tǒng)。這些年來，SWaP似乎已成為關(guān)鍵驅(qū)動因素，人們在系統(tǒng)性能改進(jìn)和多功能架構(gòu)方面不得不做出一些困難的取舍。

揪出禍?zhǔn)?/p>

討論SWaP問題的一些解決方案之前，我們先看看幾個引發(fā)問題的“禍?zhǔn)住薄?/p>

Cu！銅是電力傳輸?shù)氖走x導(dǎo)體。1000英尺無絕緣的AWG 5號銅線重量接近100磅（50 kg）。更糟糕的是，銅線的固有電阻會導(dǎo)致部分電流以熱的形式白白浪費(fèi)。另一個“壞蛋”是傳統(tǒng)器件的尺寸。以船用雷達(dá)本振（LO）為例，LO同時饋送至發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。LO必須產(chǎn)生具有低諧波的穩(wěn)定頻率，最高穩(wěn)定性要求必須考慮溫度、電壓和機(jī)械漂移。振蕩器必須產(chǎn)生足夠的輸出功率以有效驅(qū)動后續(xù)電路級，比如混頻器或頻率倍增器。其相位噪聲必須很低，因?yàn)?a target="_blank">信號時序至關(guān)重要。傳統(tǒng)上，LO是由獨(dú)立的專門設(shè)計的子系統(tǒng)產(chǎn)生和分配?？罩邢到y(tǒng)也是如此，固態(tài)器件組成導(dǎo)致其尺寸大、功耗高且笨重。

為系統(tǒng)提供高功率RF的傳統(tǒng)器件是行波管（TWT）。那好，既然還沒壞，為什么要修？什么是TWT？TWT是一種專用真空管，用在電子裝置中以放大微波范圍的射頻（RF）信號。寬帶TWT的帶寬可能高達(dá)一個倍頻程，不過調(diào)諧（窄帶）版本更常見;工作頻率范圍是300 MHz至50 GHz。此類TWT系統(tǒng)可以說是高效的，但它們是單點(diǎn)故障?？煽啃允荰WT的一個嚴(yán)重問題。微波管可靠性主要取決于三個因素。第一，制造過程中引入的缺陷會影響可靠性。生產(chǎn)問題、做工不佳、缺少過程控制是引起制造缺陷的主要原因。第二，行波管可靠性嚴(yán)重依賴于工作程序和處理。最后，為了實(shí)現(xiàn)可靠工作，工作點(diǎn)與管的終極設(shè)計能力之間必須存在足夠大的設(shè)計裕量。以上只是SWaP的眾多不利因素中的三個例子。

拯救SWaP的超級英雄

每個壞蛋都需要一位超級英雄來收拾。半導(dǎo)體技術(shù)和器件集成度的進(jìn)步對降低SWaP發(fā)揮了重要作用。本文接下來將介紹一些直接影響SWaP的重大成就，它們使當(dāng)今和可預(yù)見未來的技術(shù)大跨越成為可能。下面討論三種技術(shù)：固態(tài)功率放大器、器件集成和無線傳感器技術(shù)。

固態(tài)功率放大器（SSPA）并非新技術(shù)。GaAs （砷化鎵）和LDMOS（橫向擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體）用于高功率放大器已有許多年。硅基LDMOS FET廣泛用于基站RF功率放大器，因?yàn)槠湟蟾咻敵龉β?，相?yīng)的漏源擊穿電壓通常高于60 V。與GaAs FET等其他器件相比，它們的最大功率增益頻率較低。LDMOS FET在5 GHz以下工作時效率最高。砷化鎵場效應(yīng)晶體管（GaAsFET）是一種特殊類型的FET，用于微波射頻固態(tài)放大器電路。其頻譜是從大約30 MHz到毫米波頻段。

GaAsFET出名的原因是具有優(yōu)異的靈敏度，尤其是產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲非常低。功率密度受擊穿電壓限制。天氣好時，GaAsMESFET的擊穿電壓可以達(dá)到20 V?；仡櫼幌拢琓WT具有高頻率和高功率特性，但可靠性、重量和所需的支持子系統(tǒng)使其不受歡迎。LDMOS可提供高功率，但工作頻率低于5 GHz。GaAs MESFET的工作頻率非常高，但低擊穿電壓將其功率范圍限制在10 W左右。“英雄”在哪里？是否有跨越式SSPA技術(shù)來挽救危局？SWaP喜歡碳化硅襯底氮化鎵（SiC襯底GaN）。GaN和SiC均為寬帶隙材料，其組合擊穿電壓高達(dá)150 V。這樣就能實(shí)現(xiàn)更高的功率密度和更低的線路負(fù)載，阻抗匹配也更容易。SiC襯底GaN支持毫米波段的功率增益頻率（Ft ~ = 90 GHz，F(xiàn)max ~ 200 GHz）。

市場對SiC襯底GaN LED的歡迎幫助晶圓廠建立了信心并降低了晶圓成本。RF晶體管的器件結(jié)構(gòu)支持實(shí)現(xiàn)5 W/mm的功率密度。SiC襯底GaN的MSL等級接近或達(dá)到了業(yè)界認(rèn)可的額定值。SiC襯底GaN作為突破性技術(shù)已獲得廣泛的認(rèn)可，市場趨之若鶩。限制SiC襯底GaN性能的最大因素是傳熱，將熱量從器件導(dǎo)出是最后待解決的問題。在硅襯底GaN上獲得了一些成功，但較低的熱導(dǎo)率會將輸出功率限制在10 W左右。鉆石襯底GaN性能最佳?？茖W(xué)計算得出的功率密度要比當(dāng)今可用的SiC襯底GaN高出10倍。

雖然已展示過在單晶鉆石上直接生長GaN，但目前可用的單晶鉆石襯底的最大尺寸限制了此項(xiàng)技術(shù)的采用。政府和國防承包商是鉆石襯底GaN的唯一早期采用者。類似于1980年代的GaAs，鉆石襯底GaN將由這些政府機(jī)構(gòu)審查，隨著可靠性提高和相關(guān)成本降低，商用市場就會跟進(jìn)。TWT有一個集成SSPA替代品。ADI公司提供一款最高8 kW的高功率放大器（HPA），其將許多SiC襯底GaN SSPA合并在單個單元中。KHPA-0811采用小型十二面體封裝，旨在兼顧大功率和小尺寸特性，同時覆蓋寬帶寬。

通過集成消除無用的“船錨”

這里所說的“船錨”是美國海軍用語，當(dāng)某種大型電子（或其他）設(shè)備因?yàn)檫^時而成為系統(tǒng)資源的負(fù)擔(dān)時，便稱之為“船錨”。無論有人還是自主駕駛，空中平臺都有許多形式的機(jī)載通信。語音、導(dǎo)航、數(shù)據(jù)、機(jī)載傳感器、雷達(dá)等都有自己的通信鏈路，隨著天空越來越擁擠，鏈路名單變得越來越長。過去，任何一個系統(tǒng)都需要相當(dāng)多的面積、電源和支持子系統(tǒng)。空中平臺能夠升空真是了不起。每一盎司、每一耗瓦都要精打細(xì)算，物理系統(tǒng)設(shè)計必須與為其分配的空間相適應(yīng)。一定有更好的辦法。

AD9361是一款高性能、高度集成的射頻（RF） Agile Transceiver?捷變收發(fā)器。AD9671同樣出自ADI公司，具有低成本、低功耗、小尺寸等特性。集成電路（IC）設(shè)計、系統(tǒng)級封裝（SiP）和系統(tǒng)化芯片（SoC）的進(jìn)步，使得這些臃腫系統(tǒng)的“船錨”成為過去。我們來看一個有關(guān)系統(tǒng)集成的好例子。ADI公司已發(fā)布一款業(yè)界領(lǐng)先的收發(fā)器，其將大量高功耗的通信鏈路全部放入一個10 mm × 10 mm封裝中。原始設(shè)計本來是用于8通道超聲方案，但許多系統(tǒng)設(shè)計師希望使用COTS器件，因?yàn)槠浼啥雀?、成本低且容易獲得。超寬帶、低功耗、低成本收發(fā)器ADF7242是集成設(shè)計的又一個例子，原始設(shè)計范圍之外的系統(tǒng)也在考慮使用它。丟掉“船錨”，用上SiP和SoC。

剪掉銅“臍帶”

無論有人還是無人，航空器都有成百上千的傳感器，許多還有冗余和備用支持系統(tǒng)。傳感器種類五花八門，襟翼和副翼位置傳感器、發(fā)動機(jī)振動傳感器、制動溫度傳感器等等不一而足，而且在不斷增多。每個傳感器及其相關(guān)冗余都通過又大又重的銅纜和不銹鋼/鋁制連接器連接到中央處理器。問題是，相當(dāng)多的平臺資源被用來支撐這些電纜和互連。RF技術(shù)進(jìn)步同樣能拯救SWaP，因?yàn)樗山档蛯Υ祟愲娎|的依賴性。許多主要機(jī)身制造商正在展開合作，對商用成品（COTS）技術(shù)進(jìn)行認(rèn)證，以求用低成本、可靠的方式取代銅互連。

ADuCRF101是一款針對低功耗無線應(yīng)用而設(shè)計的完全集成式數(shù)據(jù)采集解決方案，例如，采用輸出數(shù)據(jù)帶寬要求低于數(shù)十kHz的慣性測量單元（IMU）傳感器，并結(jié)合來自ADI公司的集成RF收發(fā)器的精密模擬微控制器ARm? Cortex?-M3。其設(shè)計注重靈活性、穩(wěn)定性、易用性和低功耗特性。這種結(jié)合純屬假設(shè)，但會是航空電子傳感器技術(shù)與COTS RF器件搭配使用的一個例子。相信此類RF方案很快就會用來拯救SWaP。

結(jié)論

當(dāng)今的社會、政治和經(jīng)濟(jì)環(huán)境要求空中平臺設(shè)計者更加注重節(jié)約尺寸、重量和功耗。降低系統(tǒng)資源負(fù)擔(dān)可以延長航行時間，減少燃料要求，提高有效載荷效率。節(jié)約SWaP的最重要且最有趣的進(jìn)步直接來源于RF領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。最有利的進(jìn)展得益于從TWT轉(zhuǎn)向SSPA所帶來的尺寸縮小、器件集成以及對銅纜互連依賴程度的降低。RF技術(shù)有望使航空行業(yè)在未來許多年繼續(xù)翱翔高空。 RF解決方案對降低SWaP功不可沒。

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