飛行的歷史

太空梭曾經是美國太空計畫的主力,而且,坦白說也是全球太空探索和衛星的執行計畫。太空梭或軌道飛行載具(OV)的設計始於1969年,並在1981年飛抵低軌道。具體來說,電力系統(EPS)是必須深入考慮的因素。EPS包括電源反應物的儲存和配送、燃料電池的動力設備(電力的產生),以及電力分配和控制。EPS為OV提供28 VDC和115 VAC電源軌,從而在電力系統上花費許多時間和精力。這些系統和子系統都很複雜、笨重且效率低,但電力系統是總體有效負載計算中重要的一部份。

時間快轉到2015年,有多個無人飛行載具(UAV)的計劃正處於開發階段,這些計劃都屬於一種特殊的類別︰高空長續航力(HALE)。特別的是,其中一項計劃設定的目標是:5年不補充燃料的(unreplenished)飛行。除了環境、機身和動力設備系統需求所面臨的挑戰令人生畏,還得將注意力放在讓這些計劃付諸成功的關鍵:電力的產生、輸送與回收(recapture)。因此,在通訊系統的設計時,就要將尺寸、重量和效率列為重要考慮事項。

什麼是SWaP?

尺寸、重量和功率(SWaP),可說是新產品、專案或平台定義中最重要的指標。無論是海上、空中、陸地、可供人攜帶(man carried)或是手持式的,所有新的開發計畫幾乎都有一個共同的要求:做得更小、使用更少的資源,以及對系統整體功能作出最大的貢獻。筆者曾經與一位雷達系統架構師討論有關相位陣列雷達以及50到1000英呎視野的主動電子掃描陣列(AESA)的問題,以及設計工程師如何讓一個聰明的構想提高系統的精度、範圍和資料傳輸。但SWaP的挑戰卻毀了他所有經過仔細考慮的計算。在當前社會、經濟、政治和全球環境的氛圍之下,精簡的系統才更合乎需求。近幾年來,SWaP經常被認為是關鍵的驅動因素,從而為改善系統性能和多功能架構的考量帶來了難以取捨的抉擇。

揪出罪魁禍首

在討論SWaP問題的一些解決方案之前,先來看看幾個引發這些問題的「禍首」。

那就是銅(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份電流以熱的形式耗散掉 。另一個不利的因素是固有元件的尺寸。以艦載雷達本地振盪器(LO)為例,LO同時饋送至發射機和接收機,因此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、電壓和機械漂移等。該振盪器必須產生足夠的輸出功率,才能有效地驅動後續電路級,如混頻器或頻率倍頻器等。其相位雜訊必須很低,其中訊號時序至關重要。傳統上,LO是由獨立且專門設計的子系統產生和分配。機載系統也是如此,所採用的固態元件組成導致其尺寸大、功耗高且笨重。

為系統提供高功率RF的傳統元件是行波管(TWT)。那太好了,既然還沒壞,為什麼要修?什麼是TWT?TWT是一種專用真空管,常用於電子裝置中以放大微波範圍的RF訊號。寬頻TWT的頻寬可能高達一個倍頻程,不過調諧(窄頻)版本更常見;其工作頻率範圍是300 MHz至50 GHz。此類TWT系統可以說是高效的,但都存在單點故障(single point of failure)。可靠性是TWT的一個嚴重問題。

微波管的可靠性主要取決於三個因素。第一,製造過程中導入的缺陷會影響可靠性。生產問題、做工不佳、缺少製程控制都是導致製造缺陷的主要原因。第二,行波管的可靠性在很大程度上取決於操作程序和處理能力。最後,為了實現可靠的運作,操作點與管的終極設計能力之間必須存在足夠的設計裕量。這些還只是影響SWaP的幾個不利因素。

20160913 ADI TA31P1 圖1:行波管的效率、輸出功率和重量隨著時間演進而改善

拯救SWaP的超級英雄

每個反派角色都需要有一位超級英雄來收拾。半導體技術和元件整合度的進展對於降低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展現跨越式的進步,這包括三種技術:固態功率放大器、元件整合和無線感測器技術。

固態功率放大器(SSPA)並非新技術。砷化鎵(GaAs)和橫向擴散金屬氧化物半導體(LDMOS)用於高功率放大器已有許多年。矽基LDMOS場效應電晶體(FET)已廣泛用於基地台RF功率放大器,因為它要求高輸出功率,相應的汲極擊穿電壓通常高於60V。相較於GaAs FET等其他元件,它們的最大功率增益頻率較低。LDMOS FET在5GHz以下作業時效率最高。GaAs FET是一種特殊類型的FET,用於微波RF固態放大器電路,橫跨從大約30MHz到毫米波頻段的頻譜。

GaAs FET具有優異的靈敏度,尤其是產生的內部雜訊非常低。功率密度受擊穿電壓限制。正常情況下,GaAs 金屬半導體場效電晶體(MESFET)的擊穿電壓可以達到20V。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,但工作頻率低於5GHz。 GaAs MESFET的工作頻率非常高,但低擊穿電壓將其功率範圍限制在10W左右。 那麼,「英雄」在哪裡?是否有跨越式SSPA技術來力挽汪瀾?SWaP喜歡碳化矽基氮化鎵(GaN on SiC)。GaN和SiC均為寬能隙材料,其組合擊穿電壓高達150V,這使其易於實現更高的功率密度和更低的線路負載,也更容易進行阻抗匹配。在毫米波波段(Ft~= 90GHz,Fmax~200GHz)下,GaN on SiC支援功率增益。

20160913 ADI TA31P2 圖2:不同製程的功率與頻率關係

市場對GaN on SiC LED的接受度有助於填補晶圓廠產能以及降低晶圓成本。RF電晶體的元件結構支援5W/mm的功率密度。GaN on SiC的MSL等級已接近或達到了業界認可的額定值。GaN on SiC已被廣泛視為一種突破性技術,國防和商業市場正趨之若鶩。限制GaN on SiC性能的最大因素是熱傳導,將熱量從元件導出是最後待解決的問題。目前已在矽基氮化鎵(GaN on Silicon)上獲得了一些成果,但較低的熱導率會將輸出功率限制在10W左右。目前,鑽石基底氮化鎵(GaN on diamond)性能最佳,科學計算出的功率密度比當今可用的GaN on SiC更高出10倍。

20160913 ADI TA31P3 圖3:KHPA-0811 8 kW HPA

雖然已展示過在單晶鑽石上直接生長GaN,但目前可用的單晶鑽石基底的最大尺寸限制了此項技術的採用。政府和國防承包商是鑽石基底GaN的唯一早期採用者。類似於1980年代的GaAs,鑽石基底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有一個整合的SSPA替代品。如亞德諾半導體(Analog Devices, Inc.,ADI)提供最高8kW的高功率放大器(HPA),將許多GaN on SiC SSPA結合在單一單元中。KHPA-0811採用小型十二面體封裝,旨在兼顧大功率和小尺寸特性,同時涵蓋寬廣的頻寬範圍。

以整合取代船錨

這裡所說的「船錨」(boat anchor)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」。無論是載人還是無人的載具,空中平台都有許多形式的機載通訊。這些通訊連結會因語音、導航、數據、機載感測器、雷達與軍用品追蹤而發生改變,隨著天空變得更加擁擠和戰爭的戰場變得更加複雜,此一列表中的項目也會變得更多。

在過去,任何一個這種系統都需很大的空間、電力資源和支援的子系統。空中平台實際上就是機載的這一事實著實令人驚訝。每一盎司、每一毫瓦都要精打細算,實體系統的設計更要充分考慮,才能適應被分配到的空間。應該有一種更好的方式可以完成這樣的設計工作。

IC設計的進步,再加上系統級封裝(SiP)和系統單晶片(SoC)技術的進步,讓以往那些笨重的大型系統成為「船錨」。例如,ADI提供的收發器產品組合。它們非常多樣化,具有完整的光譜覆蓋範圍,而且是高度整合的解決方案,適合低功耗與佔位面積小的元件。

高性能、高度整合的RF捷變收發器AD9361,在一個10 mm×10 mm的封裝中加進了大量高功耗的通訊鏈路。AD9671則是針對低成本、低功耗、小尺寸所設計的產品,原先設計是用於8通道超音波的建置,但由於其高整合度、更低成本和可用性,使其成為許多商業和國防系統設計師尋求使用的商用現成(COTS)元件。超寬頻、低功耗、低成本的收發器ADF7242也是整合設計的另一個例子,它甚至超越了原先設計範圍的系統應用。

剪掉銅「臍帶」

無論載人還是無人的載具,航空載具都有成千上百個感測器,許多還有冗餘和備用支援系統。感測器種類五花八門,包括襟翼和副翼定位感測器、引擎振動感測器、制動溫度感測器等等,而且還在不斷增加中。這些感測器及其相關冗餘都透過又大又重的銅纜和不銹鋼或鋁製連接器連接到中央處理器。問題是,相當多的平台資源被用來支援這些電纜和互連。RF技術的進步同樣能拯救SWaP,因為它可降低對此類電纜的依賴性。許多主要的飛機製造商正展開合作,對COTS技術進行認證,以便開發出低成本、可靠的方式取代銅互連。

以一款輸出資料頻寬要求小於數十kHz的慣性測量單元(IMU)感測器,並結合ADI整合ARM Cortex M3與RF收發器的精密類比微控制器(MCU)為例,這款精準的類比MCU ADuCRF101是一款完全整合的資料擷取解決方案,專為低功耗無線應用而設計。其設計在於強調靈活性、穩健性、易用性和低功耗。這樣的結合純粹只是假設,但卻是一個航空電子感測技術與現成RF元件搭配使用的例子。在不久的將來,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台設計者更加注重尺寸、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,以及提高有效負載效率。節約SWaP最重要且最有趣的進步直接源於RF領域的技術進步。最有利的進展得益於從TWT轉向SSPA所帶來的尺寸縮小、元件整合以及減少對銅纜互連的依賴。RF技術有望使航空產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。

20160913 ADI TA31P4 圖4:ADuCRF101方塊圖