軍事傳感和通信系統(tǒng)的未來 - 共封裝光學(xué)器件實現(xiàn)融合射頻相控陣

  由于半導(dǎo)體和傳感器的進(jìn)步，現(xiàn)代戰(zhàn)爭正在迅速演變。為單一項目提供大量預(yù)算，花幾十年時間生產(chǎn)幾百臺設(shè)備的傳統(tǒng)軍備模式正面臨巨大的壓力。隱形、無人機(jī)和精確制導(dǎo)導(dǎo)彈的大批量制造正在迅速改變國防力量的構(gòu)建。目前，最先進(jìn)的軍隊有幾十或幾百架戰(zhàn)斗機(jī)和轟炸機(jī)，但是卻有有數(shù)萬架無人機(jī)和導(dǎo)彈。以現(xiàn)有的能力，現(xiàn)代軍隊是否能夠?qū)?，甚至可靠地追蹤這些新式武器的高密度蜂群，還是個未知數(shù)。

  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(converged phased array antennas)的精彩論文。這個解決方案可以回答這個問題。今天，我們想解釋一下目前的傳感器和國防系統(tǒng)的通信架構(gòu)，這些架構(gòu)的成本和性能問題、數(shù)字波束成形、MIMO、射頻相控陣和硅基光電子技術(shù)的國防應(yīng)用。

  首先，讓我們討論一下現(xiàn)代傳感器和通信架構(gòu)。上圖是一架現(xiàn)代噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)的示意圖，如F-22猛禽或F-35閃電。這些飛機(jī)使用復(fù)雜的傳感器陣列進(jìn)行瞄準(zhǔn)、跟蹤、通信等等。例如，F(xiàn)-35是使用紅外傳感器系統(tǒng)的先驅(qū)。該系統(tǒng)利用許多紅外光電天線陣列，使其對飛機(jī)周圍有360度的視野。這大大提高了戰(zhàn)斗機(jī)在搜索和跟蹤目標(biāo)方面的能力。但這個系統(tǒng)最大的缺陷是其靈活性相當(dāng)有限。整個子系統(tǒng)生活在自己的氣泡中(in its own bubble)，有自己的處理管道。

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

  在國防應(yīng)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發(fā)，到處理和算法。開發(fā)這一系統(tǒng)的成本高得驚人，涉及許多學(xué)科，必須長期合作才能開發(fā)出完整的系統(tǒng)。光電紅外系統(tǒng)與另一個射頻傳感或通信系統(tǒng)是完全分開的。

  在許多情況下，每個傳感器都為該特定的使用情況進(jìn)行了優(yōu)化。一支現(xiàn)代軍隊必須擁有旨在探測、跟蹤、連接，和與各種飛機(jī)、無人機(jī)、導(dǎo)彈、直升機(jī)、衛(wèi)星、地基武器系統(tǒng)、艦艇、潛艇等進(jìn)行通信的射頻系統(tǒng)。隨著更多的射頻子系統(tǒng)被創(chuàng)造出來，用于與戰(zhàn)場上的這些不同情景，無論是朋友還是敵人，其復(fù)雜性和成本都在急劇上升。

  這些先進(jìn)的軍事應(yīng)用開始需要幾十個不同的子系統(tǒng)，而且成本在不斷膨脹。此外，單一子系統(tǒng)的延遲意味著整個平臺會被延遲。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)建這樣一個復(fù)雜的系統(tǒng)所涉及的單體規(guī)劃和復(fù)雜性是罪魁禍?zhǔn)住，F(xiàn)在，F(xiàn)-35正在工作和部署，它被認(rèn)為領(lǐng)先于世界上任何其他戰(zhàn)斗機(jī)，而射頻子系統(tǒng)是其中的一個重要部分。

  想象一下：如果這些許多不同的射頻子系統(tǒng)能夠以分解的方式被開發(fā)和部署，取而代之的是為每個特定任務(wù)建立傳感器、射頻處理和應(yīng)用空間的單體子系統(tǒng)，解決方案的空間將被重新規(guī)劃。一些主要類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(diào)整。射頻處理算法可以以更快的節(jié)奏進(jìn)行更新，以便根據(jù)這些射頻元件傳入和傳出的數(shù)據(jù)，引入新的傳感和通信能力。應(yīng)用算法也可以以單獨(dú)的節(jié)奏進(jìn)行更新，以應(yīng)對不斷變化的戰(zhàn)場。與昂貴的20年計劃相比，引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)的時間表將大大縮短。

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

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

  數(shù)字波束成形和MIMO(多輸入、多輸出)是過去一直利用的技術(shù)，但更復(fù)雜的算法和技術(shù)在繼續(xù)提升射頻系統(tǒng)的性能。我們還沒有在公開報告中解釋過波束成形或MIMO，所以我們將提供一個快速入門：請注意我們是過度簡化了，因為關(guān)于這些主題已經(jīng)有很多書了。

  MIMO是指一個發(fā)射和接收設(shè)備有多個輸入和多個輸出。對總數(shù)據(jù)吞吐量的好處是巨大的。作為參考，每個5G的小單元的范圍以內(nèi)，有64個發(fā)射和64個接收對。鑒于消費(fèi)市場已經(jīng)證明了這種技術(shù)，下一代飛機(jī)的大量數(shù)據(jù)進(jìn)出的路徑是顯而易見的。

  MIMO不太直觀的方面是關(guān)于射頻傳感應(yīng)用。想象一下，如果發(fā)射方是一架無人機(jī)或隱形飛機(jī)，那個敵人并沒有積極嘗試向戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)出信號，他們正試圖掩蓋其雷達(dá)和紅外信號;想象一下，從被雷達(dá)吸收材料覆蓋的低雷達(dá)信號的戰(zhàn)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(yīng)用需要知道敵人的位置、航向、速度和做出機(jī)動的速度。戰(zhàn)斗的反應(yīng)將有所不同，這取決于傳感系統(tǒng)探測到的不明物體是鳥類、無人機(jī)、隱形戰(zhàn)斗機(jī)、隱形轟炸機(jī)，還是導(dǎo)彈。

  關(guān)于傳感的MIMO可以在更大的有效區(qū)域內(nèi)接收到更廣泛的輸出信號。這也是數(shù)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(yīng)用中使用，但在軍事上的應(yīng)用是獨(dú)特的。由于傳播延遲，所有的接收天線陣列將收到略有不同的相位和振幅的信號。

  當(dāng)有多個方向的物體和信號時，數(shù)字波束成形使系統(tǒng)能夠匯聚在一個特定的信號上。各個接收天線將把它們的時間，引入納秒級的延遲，同步到這個首先收到特定方向和距離的信號的天線上。一旦所有天線的信號都與該特定距離和方向的天線的信號完美同步，來自各接收天線的輸出信號就可以加在一起。這些天線聚焦點(diǎn)的信號將被放大，而所有其他物體將是噪音，可以被過濾掉。

  波束成形可以是模擬或數(shù)字的。數(shù)字波束成形的優(yōu)點(diǎn)是，每個處理元件接收原始數(shù)據(jù)并使用數(shù)字信號處理，通過對數(shù)據(jù)集的分析來引導(dǎo)波束。這種處理可以同時發(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，如成千上萬的無人機(jī)或?qū)椃淙骸?

  向融合架構(gòu)的轉(zhuǎn)變，要求飛機(jī)周圍的天線陣列能夠集中處理，而不是在每個天線陣列單獨(dú)處理。下面兩張圖，比較和對比了當(dāng)前一代架構(gòu)(第一張)和下一代架構(gòu)(第二張)的差別。

  下一代架構(gòu)對IO的要求是非常高的。所有來自傳感器的100多GB/s的數(shù)據(jù)在進(jìn)入各種處理類型之前必須被送到一個中央交換機(jī)，這對網(wǎng)絡(luò)IO速度的要求是一個爆炸。

  這個想法的核心是，與獨(dú)立地建立孤立的系統(tǒng)相反，而是做一個寬泛的網(wǎng)絡(luò)，可以共同完成每一個任務(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(fù)習(xí)，請查看我們之前關(guān)于該公司的報告，其中詳細(xì)介紹了他們?yōu)閿?shù)據(jù)中心提供的共封裝光學(xué)解決方案。光學(xué)IO的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(gòu)建具有這些功能的先進(jìn)封裝。傳感器、開關(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自更高的輻射水平、地球磁場或戰(zhàn)斗人員的反干擾措施。這種干擾會導(dǎo)致正在傳輸?shù)男盘柍霈F(xiàn)錯誤。在航空航天應(yīng)用中部署的銅基布線，就需要大量的屏蔽來防止這些問題。

  此外，對于銅線上的高速信號，存在傳播和信號損失問題，因此布線的長度是有限的。這些與損失有關(guān)的問題是通過采用較低的線規(guī)、較粗的電線來補(bǔ)償?shù)?。這就給航空應(yīng)用帶來了問題：因為飛機(jī)全身有數(shù)百或數(shù)千條電纜布線。如果每條布線都是帶EMI屏蔽的粗線，那么這些布線將占用大量的空間和重量分配。

  這兩個問題與共封裝的光學(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(shù)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(nèi)進(jìn)行布線。

  AyarLabs和洛克希德-馬丁公司將共封裝的光學(xué)IO與現(xiàn)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(jié)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(yīng)用中使用，盡管我們不確定在哪里。供應(yīng)商都有一個 "國防" 應(yīng)用的標(biāo)簽。

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