什么是SWaP，一些直接影响SWaP的重大成就

很多朋友对什么是SWaP，一些直接影响SWaP的重大成就不是很了解，六月小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

飞行历史

航天飞机曾是美国太空计划——。坦率地说，它也是全球空间探索和卫星实施计划——的主要工具。航天飞机(也叫轨道飞行器)设计于1969年，1981年到达低轨道。具体来说，动力系统(EPS)给予了特别的考虑。EPS包括电源反应物存储和分配、燃料电池发电厂(发电)和电力分配和控制。EPS为OV提供28 VDC和115 VAC电源轨，花费了大量的时间和精力。

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，有很多无人机项目处于研制阶段，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五年的目标。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非常重要。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。

ADI公司的收发器系列就是一个很好的例子，该系列产品种类多样，覆盖整个频谱，具有高集成度、低功耗和小尺寸的特点。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，有些也适用于海上平台。读者要明白，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，它们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、新项目或新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：做得更小，用更少的资源，为整个系统功能做出更大的贡献。

最近，我和一位雷达系统架构师讨论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，互换要求使得他所有的精细计算都毫无用处。当前的社会、经济、政治和全球环境更喜欢精简和精简系统。

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。

在找出罪魁祸首并讨论交换问题的一些解决方案之前，我们先来看看导致该问题的几个“罪魁祸首”。

Cu！铜是电力传输的首选导体。1000英尺的非绝缘AWG-5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“坏家伙”是传统设备的尺寸。以船用雷达本振为例，本振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。它的相位噪声必须很低，因为信号时序非常重要。传统上，LO是由独立和专门设计的子系统产生和分配的。航空系统也是如此，由于固态器件的组成，体积大，功耗高，重量大。

为系统提供高功率射频的传统器件是行波管。嗯，既然没坏，为什么要修？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，行波管的可靠性在很大程度上取决于工作程序和加工。最后，为了实现可靠的工作，在工作点和管道的极限设计能力之间必须有足够的设计余量。这只是互换交易诸多弊端的三个例子。

图一。行波管效率、输出功率和重量随着时间的推移而提高。拯救SWaP的超级英雄。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，这些成就使今天和可预见的未来的技术跨越成为可能。下面讨论三种技术：固态功率放大器、设备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。它的频谱从大约30兆赫到毫米波段。

GaAsFET以其出色的灵敏度，尤其是低内部噪声而闻名。功率密度受到击穿电压的限制。天气好的时候，GaAsMESFET的击穿电压可以达到20 V，回过头来看，行波管具有高频大功率的特点，但其可靠性、重量和所需的支撑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，但是低击穿电压将其功率范围限制在大约10 W

“英雄”在哪里？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)。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衬底GaN支持毫米波功率增益频率(Ft ~=90 GHz，Fmax ~ 200 GHz)。

图2. 不同工艺的功率与频率的关系

市场对SiC衬底GaN LED的欢迎帮助晶圆厂建立了信心并降低了晶圆成本。RF晶体管的器件结构支持实现5 W/mm的功率密度。SiC衬底GaN的MSL等级接近或达到了业界认可的额定值。SiC衬底GaN作为突破性技术已获得广泛的认可，市场趋之若鹜。限制SiC衬底GaN性能的最大因素是传热，将热量从器件导出是最后待解决的问题。

在硅衬底GaN上获得了一些成功，但较低的热导率会将输出功率限制在10 W左右。钻石衬底GaN性能最佳。科学计算得出的功率密度要比当今可用的SiC衬底GaN高出10倍。

图3. KHPA-0811 8 kW HPA

虽然已展示过在单晶钻石上直接生长GaN，但目前可用的单晶钻石衬底的最大尺寸限制了此项技术的采用。政府和国防承包商是钻石衬底GaN的唯一早期采用者。类似于1980年代的GaAs，钻石衬底GaN将由这些政府机构审查，随着可靠性提高和相关成本降低，商用市场就会跟进。TWT有一个集成SSPA替代品。

ADI公司提供一款最高8 kW的高功率放大器(HPA)，其将许多SiC衬底GaN SSPA合并在单个单元中。KHPA-0811采用小型十二面体封装，旨在兼顾大功率和小尺寸特性，同时覆盖宽带宽。

通过集成消除无用的“船锚”

这里所说的“船锚”是美国海军用语，当某种大型电子(或其他)设备因为过时而成为系统资源的负担时，便称之为“船锚”。无论有人还是自主驾驶，空中平台都有许多形式的机载通信。

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，链路名单变得越来越长。过去，任何一个系统都需要相当多的面积、电源和支持子系统。空中平台能够升空真是了不起。每一盎司、每一耗瓦都要精打细算，物理系统设计必须与为其分配的空间相适应。一定有更好的办法。

AD9361是一款高性能、高度集成的射频(RF) Agile Transceiver捷变收发器。AD9671同样出自ADI公司，具有低成本、低功耗、小尺寸等特性。集成电路(IC)设计、系统级封装(SiP)和系统化芯片(SoC)的进步，使得这些臃肿系统的“船锚”成为过去。我们来看一个有关系统集成的好例子。ADI公司已发布一款业界领先的收发器，其将大量高功耗的通信链路全部放入一个10 mm 10 mm封装中。

原始设计本来是用于8通道超声方案，但许多系统设计师希望使用COTS器件，因为其集成度高、成本低且容易获得。超宽带、低功耗、低成本收发器ADF7242是集成设计的又一个例子，原始设计范围之外的系统也在考虑使用它。丢掉“船锚”，用上SiP和SoC。

剪掉铜“脐带”

无论有人还是无人，航空器都有成百上千的传感器，许多还有冗余和备用支持系统。传感器种类五花八门，襟翼和副翼位置传感器、发动机振动传感器、制动温度传感器等等不一而足，而且在不断增多。每个传感器及其相关冗余都通过又大又重的铜缆和不锈钢/铝制连接器连接到中央处理器。问题是，相当多的平台资源被用来支撑这些电缆和互连。

RF技术进步同样能拯救SWaP，因为它可降低对此类电缆的依赖性。许多主要机身制造商正在展开合作，对商用成品(COTS)技术进行认证，以求用低成本、可靠的方式取代铜互连。

ADuCRF101是一款针对低功耗无线应用而设计的完全集成式数据采集解决方案，例如，采用输出数据带宽要求低于数十kHz的惯性测量单元(IMU)传感器，并结合来自ADI公司的集成RF收发器的精密模拟微控制器ARM Cortex-M3。其设计注重灵活性、稳定性、易用性和低功耗特性。这种结合纯属假设，但会是航空电子传感器技术与COTS RF器件搭配使用的一个例子。

相信此类RF方案很快就会用来拯救SWaP。

结论

当今的社会、政治和经济环境要求空中平台设计者更加注重节约尺寸、重量和功耗。降低系统资源负担可以延长航行时间，减少燃料要求，提高有效载荷效率。节约SWaP的最重要且最有趣的进步直接来源于RF领域的技术进步。最有利的进展得益于从TWT转向SSPA所带来的尺寸缩小、器件集成以及对铜缆互连依赖程度的降低。RF技术有望使航空行业在未来许多年继续翱翔高空。

RF解决方案对降低SWaP功不可没。

图4. ADuCRF101

以上就是关于什么是SWaP，一些直接影响SWaP的重大成就的知识，希望能够帮助到大家！