軍事傳感和通信系統的未來(lái) - 共封裝光學(xué)器件實(shí)現融合射頻相控陣

  由于半導體和傳感器的進(jìn)步，現代戰爭正在迅速演變。為單一項目提供大量預算，花幾十年時(shí)間生產(chǎn)幾百臺設備的傳統軍備模式正面臨巨大的壓力。隱形、無(wú)人機和精確制導導彈的大批量制造正在迅速改變國防力量的構建。目前，最先進(jìn)的軍隊有幾十或幾百架戰斗機和轟炸機，但是卻有有數萬(wàn)架無(wú)人機和導彈。以現有的能力，現代軍隊是否能夠對抗，甚至可靠地追蹤這些新式武器的高密度蜂群，還是個(gè)未知數。

  AyarLabs和洛克希德-馬丁公司發(fā)表了一篇關(guān)于利用硅基光電子技術(shù)進(jìn)行通信的射頻(RF)融合相控陣天線(xiàn)(converged phased array antennas)的精彩論文。這個(gè)解決方案可以回答這個(gè)問(wèn)題。今天，我們想解釋一下目前的傳感器和國防系統的通信架構，這些架構的成本和性能問(wèn)題、數字波束成形、MIMO、射頻相控陣和硅基光電子技術(shù)的國防應用。

  首先，讓我們討論一下現代傳感器和通信架構。上圖是一架現代噴氣式戰斗機的示意圖，如F-22猛禽或F-35閃電。這些飛機使用復雜的傳感器陣列進(jìn)行瞄準、跟蹤、通信等等。例如，F-35是使用紅外傳感器系統的先驅。該系統利用許多紅外光電天線(xiàn)陣列，使其對飛機周?chē)?60度的視野。這大大提高了戰斗機在搜索和跟蹤目標方面的能力。但這個(gè)系統最大的缺陷是其靈活性相當有限。整個(gè)子系統生活在自己的氣泡中(in its own bubble)，有自己的處理管道。

  每個(gè)孔徑都與相應的射頻器件緊密結合在一起，如果不對平臺進(jìn)行物理上的重新布線(xiàn)，或者不對現有系統進(jìn)行重新培訓以適應另一個(gè)系統的需要，就不能被用于其它的系統。--- 洛克希德-馬丁公司

  在國防應用中部署這些傳感器，需要大量的定制工作，從物理光電紅外傳感器的開(kāi)發(fā)，到處理和算法。開(kāi)發(fā)這一系統的成本高得驚人，涉及許多學(xué)科，必須長(cháng)期合作才能開(kāi)發(fā)出完整的系統。光電紅外系統與另一個(gè)射頻傳感或通信系統是完全分開(kāi)的。

  在許多情況下，每個(gè)傳感器都為該特定的使用情況進(jìn)行了優(yōu)化。一支現代軍隊必須擁有旨在探測、跟蹤、連接，和與各種飛機、無(wú)人機、導彈、直升機、衛星、地基武器系統、艦艇、潛艇等進(jìn)行通信的射頻系統。隨著(zhù)更多的射頻子系統被創(chuàng )造出來(lái)，用于與戰場(chǎng)上的這些不同情景，無(wú)論是朋友還是敵人，其復雜性和成本都在急劇上升。

  這些先進(jìn)的軍事應用開(kāi)始需要幾十個(gè)不同的子系統，而且成本在不斷膨脹。此外，單一子系統的延遲意味著(zhù)整個(gè)平臺會(huì )被延遲。F-35經(jīng)常因為這些延誤和成本而受到抨擊。雖然各種延誤的確切原因不明了，但創(chuàng )建這樣一個(gè)復雜的系統所涉及的單體規劃和復雜性是罪魁禍首?，F在，F-35正在工作和部署，它被認為領(lǐng)先于世界上任何其他戰斗機，而射頻子系統是其中的一個(gè)重要部分。

  想象一下：如果這些許多不同的射頻子系統能夠以分解的方式被開(kāi)發(fā)和部署，取而代之的是為每個(gè)特定任務(wù)建立傳感器、射頻處理和應用空間的單體子系統，解決方案的空間將被重新規劃。一些主要類(lèi)別的傳感器可以針對射頻增益、噪聲和其他屬性進(jìn)行優(yōu)化，而不是針對具體的使用情況進(jìn)行調整。射頻處理算法可以以更快的節奏進(jìn)行更新，以便根據這些射頻元件傳入和傳出的數據，引入新的傳感和通信能力。應用算法也可以以單獨的節奏進(jìn)行更新，以應對不斷變化的戰場(chǎng)。與昂貴的20年計劃相比，引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)的時(shí)間表將大大縮短。

  上面是一個(gè)只有兩種類(lèi)型傳感器的NGAD戰斗機的示意圖：一種高性能相控陣天線(xiàn)陣列(PAA)和一種光電紅外天線(xiàn)陣列(EOIR)。與F-22/F-35戰斗機的示意圖相比，傳感器的類(lèi)型明顯減少。盡管傳感器的類(lèi)型減少了，但將傳感器從處理過(guò)程中分離出來(lái)，對于追蹤更多更小和更隱蔽的目標的能力將得到加強。

  在處理之前，各種射頻傳感器將被融合。利用MIMO和數字波束成形等技術(shù)，可以獲得更高的數據率和更小的噪聲信號。

  數字波束成形和MIMO(多輸入、多輸出)是過(guò)去一直利用的技術(shù)，但更復雜的算法和技術(shù)在繼續提升射頻系統的性能。我們還沒(méi)有在公開(kāi)報告中解釋過(guò)波束成形或MIMO，所以我們將提供一個(gè)快速入門(mén)：請注意我們是過(guò)度簡(jiǎn)化了，因為關(guān)于這些主題已經(jīng)有很多書(shū)了。

  MIMO是指一個(gè)發(fā)射和接收設備有多個(gè)輸入和多個(gè)輸出。對總數據吞吐量的好處是巨大的。作為參考，每個(gè)5G的小單元的范圍以?xún)?，?4個(gè)發(fā)射和64個(gè)接收對。鑒于消費市場(chǎng)已經(jīng)證明了這種技術(shù)，下一代飛機的大量數據進(jìn)出的路徑是顯而易見(jiàn)的。

  MIMO不太直觀(guān)的方面是關(guān)于射頻傳感應用。想象一下，如果發(fā)射方是一架無(wú)人機或隱形飛機，那個(gè)敵人并沒(méi)有積極嘗試向戰斗機發(fā)出信號，他們正試圖掩蓋其雷達和紅外信號;想象一下，從被雷達吸收材料覆蓋的低雷達信號的戰斗人員身上接收到發(fā)射或輻射的信號是多么困難。傳感應用需要知道敵人的位置、航向、速度和做出機動(dòng)的速度。戰斗的反應將有所不同，這取決于傳感系統探測到的不明物體是鳥(niǎo)類(lèi)、無(wú)人機、隱形戰斗機、隱形轟炸機，還是導彈。

  關(guān)于傳感的MIMO可以在更大的有效區域內接收到更廣泛的輸出信號。這也是數字波束成形技術(shù)的作用所在。就像MIMO一樣，它已經(jīng)在商業(yè)應用中使用，但在軍事上的應用是獨特的。由于傳播延遲，所有的接收天線(xiàn)陣列將收到略有不同的相位和振幅的信號。

  當有多個(gè)方向的物體和信號時(shí)，數字波束成形使系統能夠匯聚在一個(gè)特定的信號上。各個(gè)接收天線(xiàn)將把它們的時(shí)間，引入納秒級的延遲，同步到這個(gè)首先收到特定方向和距離的信號的天線(xiàn)上。一旦所有天線(xiàn)的信號都與該特定距離和方向的天線(xiàn)的信號完美同步，來(lái)自各接收天線(xiàn)的輸出信號就可以加在一起。這些天線(xiàn)聚焦點(diǎn)的信號將被放大，而所有其他物體將是噪音，可以被過(guò)濾掉。

  波束成形可以是模擬或數字的。數字波束成形的優(yōu)點(diǎn)是，每個(gè)處理元件接收原始數據并使用數字信號處理，通過(guò)對數據集的分析來(lái)引導波束。這種處理可以同時(shí)發(fā)生在許多不同的焦點(diǎn)上，使其能夠探測到更小的物體群，如成千上萬(wàn)的無(wú)人機或導彈蜂群。

  向融合架構的轉變，要求飛機周?chē)奶炀€(xiàn)陣列能夠集中處理，而不是在每個(gè)天線(xiàn)陣列單獨處理。下面兩張圖，比較和對比了當前一代架構(第一張)和下一代架構(第二張)的差別。

  下一代架構對IO的要求是非常高的。所有來(lái)自傳感器的100多GB/s的數據在進(jìn)入各種處理類(lèi)型之前必須被送到一個(gè)中央交換機，這對網(wǎng)絡(luò )IO速度的要求是一個(gè)爆炸。

  這個(gè)想法的核心是，與獨立地建立孤立的系統相反，而是做一個(gè)寬泛的網(wǎng)絡(luò )，可以共同完成每一個(gè)任務(wù)，這只有在極高速和高效的網(wǎng)絡(luò )下才有可能。

  這就是AyaLabs的共封裝光學(xué)技術(shù)的作用。作為復習，請查看我們之前關(guān)于該公司的報告，其中詳細介紹了他們?yōu)閿祿行奶峁┑?A href="http://joq5k4q.cn/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e5%85%b1%e5%b0%81%e8%a3%85&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">共封裝光學(xué)解決方案。光學(xué)IO的效率遠遠高于電氣IO。AyarLabs和洛克希德-馬丁公司正在研究將TeraPHY共封裝光學(xué)IO芯片與RFIC整合，以構建具有這些功能的先進(jìn)封裝。傳感器、開(kāi)關(guān)和處理元件理論上可以使用這種光學(xué)IO，以便大幅降低功耗和提高帶寬。

  利用共封裝的光學(xué)IO，除了更低的功率和更高的帶寬外，還有許多好處。首先，電磁干擾(EMI)大大降低?；阢~的電氣互連必須處理來(lái)自更高的輻射水平、地球磁場(chǎng)或戰斗人員的反干擾措施。這種干擾會(huì )導致正在傳輸的信號出現錯誤。在航空航天應用中部署的銅基布線(xiàn)，就需要大量的屏蔽來(lái)防止這些問(wèn)題。

  此外，對于銅線(xiàn)上的高速信號，存在傳播和信號損失問(wèn)題，因此布線(xiàn)的長(cháng)度是有限的。這些與損失有關(guān)的問(wèn)題是通過(guò)采用較低的線(xiàn)規、較粗的電線(xiàn)來(lái)補償的。這就給航空應用帶來(lái)了問(wèn)題：因為飛機全身有數百或數千條電纜布線(xiàn)。如果每條布線(xiàn)都是帶EMI屏蔽的粗線(xiàn)，那么這些布線(xiàn)將占用大量的空間和重量分配。

  這兩個(gè)問(wèn)題與共封裝的光學(xué)IO不那么相關(guān)。玻璃纖維光纜需要最小的屏蔽，因為它們不受大多數EMI的影響。玻璃纖維更薄、更輕、更靈活。這些特性使其能夠在更狹小的空間內進(jìn)行布線(xiàn)。

  AyarLabs和洛克希德-馬丁公司將共封裝的光學(xué)IO與現有的最先進(jìn)的中板(mid-board)光學(xué)收發(fā)器進(jìn)行了比較。比較結果顯示，共封裝光學(xué)器件的功率更低，面積更小，錯誤率更低，性能更高。中板收發(fā)器目前在一些軍事應用中使用，盡管我們不確定在哪里。供應商都有一個(gè) "國防" 應用的標簽。

  這項研究的另一個(gè)有趣的方面是，它會(huì )與AyarLabs目前對數據中心的推動(dòng)產(chǎn)生協(xié)同效應。由于脆弱性和可靠性問(wèn)題，數據中心一直不愿意采用共封裝的光學(xué)器件。AyarLabs將會(huì )在更高要求的應用中證明其技術(shù)。濕度、G重力、激光器壽命和溫度波動(dòng)仍然是重大挑戰，但進(jìn)展是有希望的。其中一些經(jīng)驗可以應用于更大的數據中心通信市場(chǎng)。