SWaP越来越成为关键的驱动因素

国防和商业机载平台在许多方面有所不同：国防平台专注于多功能系统和电源管理，以实现电子战，火控，雷达等关键任务功能，而商用飞机则高度重视安全性和系统冗余。两者共同关注的一个领域是最大限度地提高有效载荷效率。每一盎司的重量，立方厘米的空间和毫瓦时的功率都经过精心策划，因为两者都专注于平衡尺寸，重量和功率（SWaP）。射频技术的进步可以为两个市场的有人驾驶和无人驾驶飞机提供跨越式的优势。

SWaP可以说是新产品，项目或平台定义中最重要的规范，从电子战到航空电子设备。几乎所有的新开发项目——无论是舰载、机载、陆地、载人还是手提——都有一个共同的要求：让它变得更小，使用更少的资源，让它对整体系统功能做出更大的贡献。在当前的社会、经济、政治和全球环境中，精益系统更可取。最近，SWaP似乎越来越成为关键的驱动因素，在系统性能增强和多功能架构之间提供了艰难的权衡。

罪魁祸首鉴定

让我们来看看一些歹徒，丑闻罪犯和大量繁重的角色。

铜是电力传输的首选导体。一千英尺的 AWG 5 号铜线没有绝缘层，重近 100 磅（50 千克）。雪上加霜的是，导线的固有电阻导致电流以散热的形式被浪费。阵容中的下一个肇事者是传统组件尺寸。考虑舰载雷达本振（LO）的情况;LO 同时为发射器和接收器供电。LO必须产生具有低谐波的稳定频率，而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，以有效地驱动电路的后续级，如混频器或倍频器。它必须具有低相位噪声，其中信号的时序至关重要。从历史上看，LO是由单独和专门设计的子系统生成和分发的。机载系统也是如此：由于固态组件含量，体积大，耗电且笨重。

为系统提供高功率射频（RF）的传统组件是行波管（TWT），它是一种专用的真空管，用于电子学中放大微波范围内的RF信号（图1）。宽带TWT的带宽可以高达一个八度，尽管调谐（窄带）版本更常见;工作频率范围为 300 MHz 至 50 GHz。这些TWT系统有些效率，但它们是单点故障;微波管的可靠性很大程度上取决于三个因素。首先，在制造过程中引入的缺陷对可靠性产生不利影响，担心生产问题，工艺差和缺乏过程控制。其次，管子的可靠性在很大程度上取决于操作程序和操作。最后，在工作点和管子的最终设计能力之间必须有足够的设计裕量，以便可靠运行。这些只是SWaP的众多敌人中的三个例子。

图 1：TWT在效率、输出功率和重量方面随时间变化的改进图示。

斯瓦普的超级英雄

半导体技术和组件集成的进步在降低SWaP方面发挥了重要作用。固态功率放大器（SSPA）并不是一项新技术。砷化镓（砷化镓）和LDMOS（横向扩散金属氧化物半导体）多年来一直用于高功率放大器。事实上，硅基LDMOS FET广泛用于基站的RF功率放大器中，因为要求是高输出功率，其相应的漏极到源极击穿电压通常高于60 V。砷化镓场效应晶体管（GaAsFET）是一种特殊类型的FET，用于微波射频的固态放大器电路中。这跨越了从大约30 MHz到毫米波波段的频谱（图2）。

图 2：每个进程的功率级别。

GaAsFET以其灵敏度和产生的内部噪声非常小而闻名。功率密度受击穿电压的限制;您可以使用GaAs MESFET在美好的一天获得20 V故障。

让我们回顾一下：TWT具有高频和高功率，但可靠性，重量和所需的支持子系统使它们不受欢迎。GAAs MESFET以非常高的频率工作，但低击穿电压将其限制在10 W功率范围内。

是否有 SSPA 跳跃式技术可以挽救这一天？SWaP喜欢碳化硅上的氮化镓（碳化硅上的氮化镓）。GaN和SiC均为宽带隙材料，这意味着组合击穿电压高达150 V。这样可以实现更高的功率密度以及更低的负载线，从而更容易进行阻抗匹配。碳化硅上的氮化镓可在毫米波段（英尺~=90 GHz，最大温度~200 GHz）的频率下获得功率增益。

GaN在SiC LED上的市场接受度有助于填补晶圆厂并降低晶圆成本。RF晶体管的器件结构可以达到5 W/mm的功率密度。SiC上GaN的MSL水平接近或达到行业可接受的评级。SiC上的GaN被广泛认为是中断性技术，国防和商业市场对它的要求越来越高。GaN在SiC上的性能受到热传递的限制最大;让热量从设备中带走是最后一个要解决的问题。硅基氮化镓取得了一些成功，但导热系数的降低将输出功率限制在接近10 W。最佳性能来自金刚石上的GaN，一些计算表明功率密度比GaN高10倍。

虽然GaN在单晶金刚石上的直接生长已被证明，但目前可用的单晶金刚石基板具有最大尺寸，这限制了该技术的采用。政府和国防承包商是GaN钻石联盟的唯一早期采用者。与20世纪80年代的GaAs类似，Diamond上的GaN将通过这些政府机构进行审查，随着可靠性的提高和相关成本的降低，商业市场也将随之而来。

台湾世界贸易中心有一个集成的 SSPA 替代品。ADI公司提供高达8 KW的高功率放大器（HPA），将SiC SSPA上的许多氮化镓组合成一个单元。KHPA-0811 采用小型十二面体封装，可在小尺寸和宽带宽范围内提供大量功率。

集成使船锚沉没

一些背景：在美国海军中，当大型电子（或其他）设备过时并对系统资源造成负担时，它被称为“船锚”。机载平台，无论是载人还是自主的，都将有许多形式的通信。这些通信链路各不相同，语音，导航，数据链路，机载传感器链路，雷达，弹药跟踪以及随着天空变得更加拥挤和战场变得更加复杂而不断。过去，这些系统中的任何一个都需要大量的空间、电源资源和支持子系统。机载平台实际上是空中的，这一事实是惊人的。每盎司都被计算在内，每一毫瓦都被计算在内，物理系统设计相当可观，以适应分配的空间。必须有更好的方法。集成电路（IC）设计的进步，以及系统级封装（SiP）和片上系统（SoC）的进步，使昨天那些臃肿的系统成为船锚。

切断铜脐带

国防和商用飞机，有人驾驶和无人驾驶，有数百个，如果不是数千个，从电子战到雷达再到温度传感器;许多都有冗余和备份支持系统。这些传感器包括控制襟翼和副翼位置、导航和定位、发动机振动、制动温度等的传感器。这些传感器中的每一个 - 以及它们的相关冗余 - 都通过由铜线和不锈钢或铝连接器组成的重型电缆连接到中央处理器。支持这些电缆和互连会消耗大量平台资源。射频技术进步将通过减少对这些电缆的依赖性再次节省SWaP。许多主要的机身制造商正在共同努力，使商用现货（COTS）技术成为铜互连的低成本，可靠的替代品。

例如：输出数据带宽要求小于数十 KHz的惯性测量单元（IMU）传感器，结合带RF收发器的精密模拟微控制器ARM Cortex M3，如ADI公司的ADuCRF101，这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。虽然现在这种结合纯粹是假设的，但这将是航空电子传感器技术与COTS RF组件配对的一个例子。在不久的将来，您可以随时待命进行这种类型的RF实现，以节省SWaP。

什么是有希望的

当前的社会、政治和经济环境要求机载平台设计人员更加注重节省尺寸、重量和功耗。系统资源负载的降低允许更长的飞行时间，更低的燃料需求和更有效的有效载荷余量。节省SWaP的最重要和最有趣的进步直接来自RF社区的技术进步。最有希望的是关于从TWT到SSPA的尺寸减小，组件集成以及减少对铜电缆互连的依赖。提供降低 SWaP 的解决方案拼写为“RF”。

审核编辑：郭婷