航天飛機曾是美國(guó)航天計劃——十分坦率的說(shuō)，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(dào)飛行器或O V)于1969年開(kāi)始設計，并于1981年抵達低軌道(dào)。具體來說(shuō)，其中對(duì)電力系統(EPS)給予了特别考慮。EPS包括電源反應物存儲和分配、燃料電池發(fā)電廠(電力産生)以及電力分配和控制。EPS爲OV提供28 VDC和115 VAC供電軌，在這(zhè)上面(miàn)花費了很多時(shí)間和精力。這(zhè)些系統和子系統非常複雜、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(jìn)到2015年，有多個無人飛行器項目正在開(kāi)發(fā)階段，它們屬于一個特殊類别：高空長(cháng)航時(shí)(HALE)。其中一個項目設定的目标是飛行5年而不用加注燃料。單單環境、機身和電廠系統的挑戰就(jiù)令人生畏，不僅如此，還(hái)要關注電力的産生、輸送和回收，這(zhè)對(duì)此類項目的成(chéng)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(duì)提供此類器件非常積極。

　　一個很好(hǎo)的例子是ADI公司的收發(fā)器系列，其種(zhǒng)類多樣(yàng)、覆蓋全頻譜并具有高集成(chéng)度、低功耗和小尺寸特性。有關這(zhè)些及其他器件解決方案的詳細讨論將(jiāng)在本文中穿插進(jìn)行。

　　本文中的許多問題和解決方案都(dōu)是結合空中平台例子來說(shuō)明，有些也适用船用平台。讀者應明白，空基和海基平台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。

　　可以說(shuō)，尺寸、重量和功耗(SWaP)是新産品、新項目或新平台定義中最重要的指标。幾乎所有新開(kāi)發(fā)任務，無論海上、空中、地面(miàn)、便攜還(hái)是手持式，都(dōu)有一個共同要求：做得更小，使用更少的資源，爲整體系統功能(néng)作出更大貢獻。最近同一名雷達系統架構師有過(guò)交談，讨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、範圍和數據傳輸速度。但是，SWaP要求使他的所有精細計算變得無用。當前的社會(huì)、經(jīng)濟、政治和全球環境更喜歡瘦小系統。這(zhè)些年來，SWaP似乎已成(chéng)爲關鍵驅動因素，人們在系統性能(néng)改進(jìn)和多功能(néng)架構方面(miàn)不得不做出一些困難的取舍。

　　Cu!銅是電力傳輸的首選導體。1000英尺無絕緣的AWG 5号銅線重量接近100磅(50 kg)。更糟糕的是，銅線的固有電阻會(huì)導緻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)爲例，LO同時(shí)饋送至發(fā)射機和接收機。LO必須産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。振蕩器必須産生足夠的輸出功率以有效驅動後(hòu)續電路級，比如混頻器或頻率倍增器。其相位噪聲必須很低，因爲信号時(shí)序至關重要。傳統上，LO是由獨立的專門設計的子系統産生和分配。空中系統也是如此，固态器件組成(chéng)導緻其尺寸大、功耗高且笨重。

　　爲系統提供高功率RF的傳統器件是行波管(TWT)。那好(hǎo)，既然還(hái)沒(méi)壞，爲什麼(me)要修?什麼(me)是TWT?TWT是一種(zhǒng)專用真空管，用在電子裝置中以放大微波範圍的射頻(RF)信号。寬帶TWT的帶寬可能(néng)高達一個倍頻程，不過(guò)調諧(窄帶)版本更常見;工作頻率範圍是300 MHz至50 GHz。此類TWT系統可以說(shuō)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(guò)程中引入的缺陷會(huì)影響可靠性。生産問題、做工不佳、缺少過(guò)程控制是引起(qǐ)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。最後(hòu)，爲了實現可靠工作，工作點與管的終極設計能(néng)力之間必須存在足夠大的設計裕量。以上隻是SWaP的衆多不利因素中的三個例子。

　　每個壞蛋都(dōu)需要一位超級英雄來收拾。半導體技術和器件集成(chéng)度的進(jìn)步對(duì)降低SWaP發(fā)揮了重要作用。本文接下來將(jiāng)介紹一些直接影響SWaP的重大成(chéng)就(jiù)，它們使當今和可預見未來的技術大跨越成(chéng)爲可能(néng)。下面(miàn)讨論三種(zhǒng)技術：固态功率放大器、器件集成(chéng)和無線傳感器技術。

　　固态功率放大器(SSPA)并非新技術。GaAs (砷化镓)和LDMOS(橫向(xiàng)擴散金屬氧化物半導體)用于高功率放大器已有許多年。矽基LDMOS FET廣泛用于基站RF功率放大器，因爲其要求高輸出功率，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(shí)效率最高。砷化镓場效應晶體管(GaAsFET)是一種(zhǒng)特殊類型的FET，用于微波射頻固态放大器電路。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，尤其是産生的内部噪聲非常低。功率密度受擊穿電壓限制。天氣好(hǎo)時(shí)，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(jiāng)其功率範圍限制在10 W左右。“英雄”在哪裡(lǐ)?是否有跨越式SSPA技術來挽救危局?SWaP喜歡碳化矽襯底氮化镓(SiC襯底GaN)。GaN和SiC均爲寬帶隙材料，其組合擊穿電壓高達150 V。這(zhè)樣(yàng)就(jiù)能(néng)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)。

　　市場對(duì)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(chéng)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作爲突破性技術已獲得廣泛的認可，市場趨之若鹜。限制SiC襯底GaN性能(néng)的最大因素是傳熱，將(jiāng)熱量從器件導出是最後(hòu)待解決的問題。在矽襯底GaN上獲得了一些成(chéng)功，但較低的熱導率會(huì)將(jiāng)輸出功率限制在10 W左右。鑽石襯底GaN性能(néng)最佳。科學(xué)計算得出的功率密度要比當今可用的SiC襯底GaN高出10倍。

　　雖然已展示過(guò)在單晶鑽石上直接生長(cháng)GaN，但目前可用的單晶鑽石襯底的最大尺寸限制了此項技術的采用。政府和國(guó)防承包商是鑽石襯底GaN的唯一早期采用者。類似于1980年代的GaAs，鑽石襯底GaN將(jiāng)由這(zhè)些政府機構審查，随著(zhe)可靠性提高和相關成(chéng)本降低，商用市場就(jiù)會(huì)跟進(jìn)。TWT有一個集成(chéng)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(jiāng)許多SiC襯底GaN SSPA合并在單個單元中。KHPA-0811采用小型十二面(miàn)體封裝，旨在兼顧大功率和小尺寸特性，同時(shí)覆蓋寬帶寬。

　　這(zhè)裡(lǐ)所說(shuō)的“船錨”是美國(guó)海軍用語，當某種(zhǒng)大型電子(或其他)設備因爲過(guò)時(shí)而成(chéng)爲系統資源的負擔時(shí)，便稱之爲“船錨”。無論有人還(hái)是自主駕駛，空中平台都(dōu)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(dōu)有自己的通信鏈路，随著(zhe)天空越來越擁擠，鏈路名單變得越來越長(cháng)。過(guò)去，任何一個系統都(dōu)需要相當多的面(miàn)積、電源和支持子系統。空中平台能(néng)夠升空真是了不起(qǐ)。每一盎司、每一耗瓦都(dōu)要精打細算，物理系統設計必須與爲其分配的空間相适應。一定有更好(hǎo)的辦法。

　　AD9361是一款高性能(néng)、高度集成(chéng)的射頻(RF) Agile Transceiver™捷變收發(fā)器。AD9671同樣(yàng)出自ADI公司，具有低成(chéng)本、低功耗、小尺寸等特性。集成(chéng)電路(IC)設計、系統級封裝(SiP)和系統化芯片(SoC)的進(jìn)步，使得這(zhè)些臃腫系統的“船錨”成(chéng)爲過(guò)去。我們來看一個有關系統集成(chéng)的好(hǎo)例子。ADI公司已發(fā)布一款業界領先的收發(fā)器，其將(jiāng)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(dào)超聲方案，但許多系統設計師希望使用COTS器件，因爲其集成(chéng)度高、成(chéng)本低且容易獲得。超寬帶、低功耗、低成(chéng)本收發(fā)器ADF7242是集成(chéng)設計的又一個例子，原始設計範圍之外的系統也在考慮使用它。丢掉“船錨”，用上SiP和SoC。

　　無論有人還(hái)是無人，航空器都(dōu)有成(chéng)百上千的傳感器，許多還(hái)有冗餘和備用支持系統。傳感器種(zhǒng)類五花八門，襟翼和副翼位置傳感器、發(fā)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餘都(dōu)通過(guò)又大又重的銅纜和不鏽鋼/鋁制連接器連接到中央處理器。問題是，相當多的平台資源被(bèi)用來支撐這(zhè)些電纜和互連。RF技術進(jìn)步同樣(yàng)能(néng)拯救SWaP，因爲它可降低對(duì)此類電纜的依賴性。許多主要機身制造商正在展開(kāi)合作，對(duì)商用成(chéng)品(COTS)技術進(jìn)行認證，以求用低成(chéng)本、可靠的方式取代銅互連。

　　ADuCRF101是一款針對(duì)低功耗無線應用而設計的完全集成(chéng)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(chéng)RF收發(fā)器的精密模拟微控制器ARm? Cortex?-M3。其設計注重靈活性、穩定性、易用性和低功耗特性。這(zhè)種(zhǒng)結合純屬假設，但會(huì)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(jiù)會(huì)用來拯救SWaP。

　　當今的社會(huì)、政治和經(jīng)濟環境要求空中平台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(cháng)航行時(shí)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(jìn)步直接來源于RF領域的技術進(jìn)步。最有利的進(jìn)展得益于從TWT轉向(xiàng)SSPA所帶來的尺寸縮小、器件集成(chéng)以及對(duì)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翺翔高空。 RF解決方案對(duì)降低SWaP功不可沒(méi)。