飛行歷史

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

快進到2015年，有多個無人飛行器項目正在開發階段，它們屬于一個特殊類別：高空長航時(HALE)。其中一個項目設定的目標是飛行5年而不用加注燃料。單單環境、機身和電廠系統的挑戰就令人生畏，不僅如此，還要關注電力的產生、輸送和回收，這對此類項目的成功至關重要。在通信系統的設計中，尺寸、重量和效率也是最重要的考慮。幸運的是，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。有關這些及其他器件解決方案的詳細討論將在本文中穿插進行。

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

什么是SWaP？

可以說，尺寸、重量和功耗(SWaP)是新產品、新項目或新平臺定義中最重要的指標。幾乎所有新開發任務，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，為整體系統功能作出更大貢獻。最近同一名雷達系統架構師有過交談，討論的是相控陣雷達和有源電子掃描陣列(AESA)，從50英尺到1000英尺鳥瞰，設計師提出了一些非常聰明的設想來提高系統精度、范圍和數據傳輸速度。但是，SWaP要求使他的所有精細計算變得無用。當前的社會、經濟、政治和全球環境更喜歡瘦小系統。這些年來，SWaP似乎已成為關鍵驅動因素，人們在系統性能改進和多功能架構方面不得不做出一些困難的取舍。

揪出禍首

討論SWaP問題的一些解決方案之前，我們先看看幾個引發問題的“禍首”。

Cu！銅是電力傳輸的首選導體。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致部分電流以熱的形式白白浪費。另一個“壞蛋”是傳統器件的尺寸。以船用雷達本振(LO)為例，LO同時饋送至發射機和接收機。LO必須產生具有低諧波的穩定頻率，最高穩定性要求必須考慮溫度、電壓和機械漂移。振蕩器必須產生足夠的輸出功率以有效驅動后續電路級，比如混頻器或頻率倍增器。其相位噪聲必須很低，因為信號時序至關重要。傳統上，LO是由獨立的專門設計的子系統產生和分配。空中系統也是如此，固態器件組成導致其尺寸大、功耗高且笨重。

為系統提供高功率RF的傳統器件是行波管(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的帶寬可能高達一個倍頻程，不過調諧(窄帶)版本更常見；工作頻率范圍是300 MHz至50 GHz。此類TWT系統可以說是高效的，但它們是單點故障。可靠性是TWT的一個嚴重問題。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，行波管可靠性嚴重依賴于工作程序和處理。最后，為了實現可靠工作，工作點與管的終極設計能力之間必須存在足夠大的設計裕量。以上只是SWaP的眾多不利因素中的三個例子。

圖1. TWT效率、輸出功率和重量隨著時間推移而改進

拯救SWaP的超級英雄

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

固態功率放大器(SSPA)并非新技術。GaAs (砷化鎵)和LDMOS(橫向擴散金屬氧化物半導體)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，因為其要求高輸出功率，相應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。砷化鎵場效應晶體管(GaAsFET)是一種特殊類型的FET，用于微波射頻固態放大器電路。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異的靈敏度，尤其是產生的內部噪聲非常低。功率密度受擊穿電壓限制。天氣好時，GaAsMESFET的擊穿電壓可以達到20 V。回顧一下，TWT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150 V。這樣就能實現更高的功率密度和更低的線路負載，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，Fmax ~ 200 GHz)。

圖2. 不同工藝的功率與頻率的關系

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晶體管的器件結構支持實現5 W/mm的功率密度。SiC襯底GaN的MSL等級接近或達到了業界認可的額定值。SiC襯底GaN作為突破性技術已獲得廣泛的認可，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，但較低的熱導率會將輸出功率限制在10 W左右。鉆石襯底GaN性能最佳。科學計算得出的功率密度要比當今可用的SiC襯底GaN高出10倍。

圖3. KHPA-0811 8 kW HPA

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技術的采用。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將由這些政府機構審查，隨著可靠性提高和相關成本降低，商用市場就會跟進。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，當某種大型電子(或其他)設備因為過時而成為系統資源的負擔時，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載通信。

語音、導航、數據、機載傳感器、雷達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，任何一個系統都需要相當多的面積、電源和支持子系統。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算，物理系統設計必須與為其分配的空間相適應。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)設計、系統級封裝(SiP)和系統化芯片(SoC)的進步，使得這些臃腫系統的“船錨”成為過去。我們來看一個有關系統集成的好例子。ADI公司已發布一款業界領先的收發器，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。原始設計本來是用于8通道超聲方案，但許多系統設計師希望使用COTS器件，因為其集成度高、成本低且容易獲得。超寬帶、低功耗、低成本收發器ADF7242是集成設計的又一個例子，原始設計范圍之外的系統也在考慮使用它。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。傳感器種類五花八門，襟翼和副翼位置傳感器、發動機振動傳感器、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，相當多的平臺資源被用來支撐這些電纜和互連。RF技術進步同樣能拯救SWaP，因為它可降低對此類電纜的依賴性。許多主要機身制造商正在展開合作，對商用成品(COTS)技術進行認證，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用而設計的完全集成式數據采集解決方案，例如，采用輸出數據帶寬要求低于數十kHz的慣性測量單元(IMU)傳感器，并結合來自ADI公司的集成RF收發器的精密模擬微控制器ARM? Cortex?-M3。其設計注重靈活性、穩定性、易用性和低功耗特性。這種結合純屬假設，但會是航空電子傳感器技術與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。

結論

當今的社會、政治和經濟環境要求空中平臺設計者更加注重節約尺寸、重量和功耗。降低系統資源負擔可以延長航行時間，減少燃料要求，提高有效載荷效率。節約SWaP的最重要且最有趣的進步直接來源于RF領域的技術進步。最有利的進展得益于從TWT轉向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技術有望使航空行業在未來許多年繼續翱翔高空。 RF解決方案對降低SWaP功不可沒。

圖4. ADuCRF101