什么是SWaP（一些直接影响SWaP的重大成就）

飞行历史

航天飞机曾经是美国航天计划——。坦率地说，它也是全球空间探索和卫星实施计划3354的主要运载工具。航天飞机(也称为轨道飞行器或O V)设计于1969年，并于1981年抵达低轨道。具体来说，动力系统(EPS)给予了特别的考虑。包括EPS反应物存储和分配、燃料电池发电设备(发电)以及电力分配和控制。为EPS OV提供28 VDC和115 VAC供电轨需要花费大量的时间和精力。这些系统和子系统非常复杂、庞大和低效，但动力系统是整个有效载荷计算的重要组成部分。

快进到2015年，有几个无人机项目处于研制阶段，它们属于一个特殊的类别：高空长航时(HALE)。其中一个项目设定了不加油飞行5年的目标。光是环境、机身、动力装置系统的挑战就让人望而生畏。不仅如此，还应关注电力的产生、传输和回收，这对这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因素。幸运的是，ADI公司非常积极地提供这种器件。

一个很好的例子是ADI s收发器系列，覆盖全频谱，具有高集成度、低功耗、小尺寸等特点。本文将详细讨论这些和其他设备解决方案。

文中的许多问题和解决方法都以空中平台为例进行了说明，其中一些也适用于海上平台。读者应该明白，天基和海基平台的问题陈述和相关解决方案是密切相关的，往往是同一系统的不同版本。

什么是SWaP？

可以说，尺寸、重量和功耗(SWaP)是新产品、项目或平台定义中最重要的指标。几乎所有的新研制任务，无论是海上、空中、地面、便携还是手持，都有一个共同的要求：体积更小，使用的资源更少，对整个系统功能的贡献更大。最近，同一位雷达系统架构师谈到了相控阵雷达和有源电子扫描阵列(AESA)。从50英尺到1000英尺，设计师提出了一些非常巧妙的想法，以提高系统精度、范围和数据传输速度。然而，互换要求使他所有的精细计算无用。当前的社会、经济、政治和全球环境更喜欢瘦系统。多年来，SWaP似乎已经成为一个关键的驱动因素，人们不得不在系统性能提升和多功能架构方面做出一些艰难的选择。

找到元凶

在讨论交换问题的一些解决方案之前，让让我们来看看几个罪犯导致了这个问题。

Cu！铜是电力传输的首选导体。1000英尺的非绝缘AWG号铜线重近100磅(50千克)。更糟糕的是，铜线的固有电阻会导致一些电流以热量的形式浪费掉。另一个坏蛋是传统设备的大小。以船用雷达的本振(LO)为例。LO同时馈入发射机和接收机。LO必须产生低谐波的稳定频率，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，如混频器或倍频器。相位噪声必须很低，因为信号的时序非常重要。传统上，LO是由一个独立的专门设计的子系统产生和分配的。机载系统也是如此，固态组件导致体积大、功耗高、重量重。

为系统提供高功率射频的传统器件是行波管。好吧，既然它它还没坏，为什么要修理？什么是行波管？行波管是一种特殊的真空管，用于电子设备中放大微波范围内的射频(RF)信号。宽带行波管的带宽可能高达一个倍频程，但调谐(窄带)版更常见；工作频率范围为300 MHz至50 GHz。这种行波管系统可以说是高效的，但它们是单点故障。可靠性是行波管的一个严重问题。微波管的可靠性主要取决于三个因素。首先，制造过程中引入的缺陷会影响可靠性。生产问题、工艺不良和缺乏过程控制是制造缺陷的主要原因。其次，行波管的可靠性很大程度上取决于工作程序和处理。最后，为了实现可靠的工作，在工作点和管道的最终设计能力之间必须有足够大的设计余量。以上只是SWaP诸多弊端的三个例子。

图一。行波管的效率、输出功率和重量都随着时间的推移而提高。

保存交换超级英雄

每个坏人都需要一个超级英雄来收拾。半导体技术和器件集成的进步在减少SWaP方面发挥了重要作用。接下来，本文将介绍一些直接影响SWaP的主要成就，它们使今天美国和可预见的未来技术飞跃。讨论了以下三种技术：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)并不是一项新技术。GaAs(砷化镓)和LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)已经用于高功率放大器很多年了。硅基LDMOS场效应管广泛应用于基站射频功率放大器中，因为它对输出功率要求较高，对应的漏源击穿电压通常高于60 V，与GaAs场效应管等其他器件相比，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。频谱从大约30 MHz到毫米波段。

GaAsFET以其出色的灵敏度而闻名，尤其是极低的内部噪声。密度受到击穿电压的限制。天气晴好时，GaAsMESFET的击穿电压可达20 V，回顾一下，行波管具有高频大功率的特点，但其可靠性、重量和所需的配套子系统使其不受欢迎。LDMOS可以提供高功率，但其工作频率低于5 GHz。GaAs MESFET的工作频率非常高，但其低击穿电压将其功率范围限制在10 W左右英雄？有没有一种跨越式的SSPA技术来拯救这场危机？SWaP就像碳化硅衬底上的氮化镓(SiC衬底上的GaN)。而GaN和SiC都是宽带隙材料，它们的综合击穿电压高达150 V，这样可以实现更高的功率密度和更低的线负载，阻抗匹配也更容易。SiC GaN衬底支持毫米波功率增益频率(Ft ~=90 GHz，Fmax ~ 200 GHz)。

2.不同过程的功率和频率的关系

SiC衬底GaN LED在市场上的普及有助于晶圆厂树立信心，降低晶圆成本。射频晶体管的器件结构支持5 W/mm功率密度的实现。SiC GaN衬底的MSL等级接近或达到业界公认的等级。SiC GaN衬底作为一项突破性技术，已经得到了广泛的认可，市场也在翘首以待。限制GaN在SiC衬底上性能的最大因素是传热，最终要解决的问题是将热量从器件中导走。在硅衬底GaN上已经取得了一些成功，但是低热导率将输出功率限制在大约10 W.金刚石衬底GaN的性能最好。科学计算的功率密度比现有的SiC衬底GaN高10倍。

图3。8千瓦百帕

尽管已经表明GaN可以直接在单晶金刚石上生长，但是目前可用的单晶金刚石衬底的最大尺寸限制了该技术的采用。政府国防承包商是唯一早期采用金刚石衬底GaN的公司。类似于20世纪80年代的GaAs，金刚石衬底GaN将由这些政府机构进行检查，随着可靠性的提高和相关成本的降低，商业市场将会跟进。TWT有一个集成的SSPA备选方案。ADI公司提供最大8 kW的高功率放大器(HPA ),将许多SiC衬底GaN SSPA集成到一个单元中。KHPA-0811采用小十二面体封装，设计上兼顾了高功率和小尺寸的特点，同时覆盖了很宽的带宽。

淘汰无用的船锚通过整合

术语船锚这里是美国海军使用的。当一些大型电子(或其他)设备由于过时而成为系统资源的负担时，它被称为船锚。在空中平台中有许多形式的空中通信，无论是有人驾驶的还是自主的。

语音、导航、数据、机载传感器、雷达等。都有自己的通信链路。随着天空越来越拥挤，链接列表变得越来越长。在过去，任何系统都需要相当大的面积、电源和支持子系统。它令人惊奇的是，这个平台可以在空中起飞。每一盎司和每一块瓷砖都必须仔细计算，物理系统设计必须适应分配的空间。一定有更好的办法。

AD9361是一款高性能、高度集成的射频(RF)捷变收发器。AD9671也来自ADI公司，具有低成本、低功耗和小尺寸的特点。随着集成电路(IC)设计、系统级封装(SiP)和片上系统(SoC)的发展主播这些臃肿的系统已经成为过去。让让我们看一个系统集成的好例子。ADI公司发布了业界领先的收发器，将大量高功率通信链路放入10 mm 10 mm封装中。最初的设计最初用于8通道超声方案，但许多系统设计人员希望使用COTS器件，因为它们集成度高、成本低且易于获得。ADF7242是一款超宽带、低功耗和低成本收发器，是集成设计的另一个例子，原设计范围之外的系统也在考虑使用它。丢掉主播并使用SiP和SoC。

切断铜脐带

无论是有人驾驶还是无人驾驶，飞机都有数百个传感器，其中许多都有冗余和备份支持系统。传感器有很多种，如襟翼和副翼位置传感器、发动机振动传感器、刹车温度传感器等。而且还在不断增加。每个传感器及其相关的冗余通过大而重的铜电缆和不锈钢/铝连接器连接到CPU。问题是相当多的平台资源被用来支持这些电缆和互连。射频技术的进步也可以节省SWaP，因为它可以减少对这种电缆的依赖。许多主要的机身制造商正在合作认证商用现货(COTS)技术，以便以低成本和可靠的方式取代铜互连。

ADuCRF101是一款完全集成的数据采集解决方案，专为低功耗无线应用而设计。例如，它使用输出数据带宽低于数十kHz的惯性测量单元(IMU)传感器，并与ARM Cortex -M3相结合，后者是一款集成ADI公司RF收发器的精密模拟微控制器。其设计注重灵活性、稳定性、易用性和低功耗。这种组合纯粹是假设，但它将是航空电子传感器技术与COTS射频设备结合使用的一个例子。相信这种射频方案很快就会被用来拯救SWaP。

结论

今天美国的社会、政治和经济环境要求高空作业平台的设计者更加注意节省尺寸、重量和功耗。减少系统资源负担可以延长航行时间，减少燃料需求，提高有效载荷效率。拯救SWaP最重要也最有趣的进展直接来自射频领域的技术进步。最有利的进展是由于行波管给SSPA带来的尺寸减小、器件集成化和对铜互连依赖的降低。射频技术有望使航空业在未来许多年内继续高速发展。RF解决方案有助于降低SWaP。

图4。ADuCRF101