射频器件|ADI、NXP、Mercury公司：电子战系统发展对射频和微波器件提出更高功率、更高集成度、更快数模转换等需求
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模拟器件（ADI）公司航空航天和国防部门主任Sean D'Arcy
恩智浦（NXP）射频功率业务线市场经理Gavin Smith
Mercury高级总监和总经理Ken Hermanny
需求增加
对抗性电子战（EW）威胁已变得相当复杂，美国国防部（DoD）已将对抗这些威胁作为经费的优先考虑项。这些对抗和探测系统在很大程度上依赖于射频（RF）和微波技术，还必须满足严苛的尺寸、重量和功率（SWaP）要求。
模拟器件（ADI）公司航空航天和国防部门主任Sean D'Arcy说：“美国和盟国的国防市场对射频/微波电子战组件、子系统和全套产品的需求将呈大幅上升趋势，在过去的20年里，成熟的和新兴的对手已变得极其复杂，并呈现出新威胁，需要用点式解决方案迅速解决。”
电子战已经不再单纯是在战场上甚至战区层面的频谱管控，已经扩展到全球范围，甚至进入太空。D'Arcy说：“这需要更多的资源来应对和减少，同时保持美国和盟国的频谱优势和行动”。
自COVID-19大流行以来，射频组件的电子战市场一直保持相当稳定。恩智浦（NXP）射频功率业务线市场经理Gavin Smith说：“去年，基于整个市场趋势出现了下滑，但我们已经看到关注度和机会重新到来，与市场上的其他客户一样，终端客户和设计公司在COVID-19大流行的前几个月暂停了一下，现在继续设计和研究下一代解决方案。我们看到人们对L波段以及宽带通信的兴趣越来越大。”
ADI公司看设计趋势
据D'Arcy称，威胁正变得更加灵活，并向更高频移动，从而给为电子战系统精心设计射频和微波解决方案的设计人员带来了压力。“跳频系统现在更加复杂，对手用于军事地面和在轨系统的移动频率大于130GHz。此外，有必要将更复杂的数字方法纳入电子攻击或国防系统中，这就要求在对感兴趣信号进行模数转换时需要有更高的速度和效率。”
ADI公司的客户正在推动三大领域的设计转变。D'Arcy说：“第一个是继续创造高性能的射频和微波产品，具有更宽的带宽，能以更高效率支持更高频谱区域，这需要氮化镓（GaN）放大器、上变频器和下变频器、滤波器、驱动器和激励器领域的发展。”(图1)
图1 ADI公司的基于ADAR1000的4通道波束成形器评估板
第二个领域是对具有更多位数的高速转换器的需求。D'Arcy说：“对于高速模数（ADC）和数模（DAC）转换器，推动力的是增加输出和输出位数以实现超过20 Gsamples/秒及以上的直接采样。同样重要的是，由于要能够击败具有可测量处理延迟的系统，要求减少在转换器和现场可编程门阵列（FPGA）上的延迟，这些延迟是在数据到达数字骨干网之前引起的。弯管（bent pipe）或数字控制模拟由于其最小的延迟，仍有重要的用途。”
为了减少这种延迟和管理更大规模数据，他补充说：“第三个领域是将更多处理结构纳入模数转换器，这使得广泛的数字衰减和环回控制可在更靠近ADC信号链的天线处完成。同样，用于实现数字数据扩展和波束成形的结构正被纳入其相关信号链的DAC中。”
Mercury公司看设计趋势
Mercury高级总监和总经理Ken Hermanny说，正在出现的设计趋势是，随着对手开发新的电子战能力，国防部对可信射频和微波解决方案的需求越来越大。“要开发一个在战场上使用10年的单一系统，如果不能进行定期的现代化改造，这种做法已不再被接受，我们利用从芯片到系统的开放标准，将最先进的技术纳入其中，并使我们的航空航天和国防客户能够获得这些技术。”
另一个趋势是双重用途的解决方案。Smith指出：“过去，我们利用蜂窝基础设施设备提供基于使用频带的解决方案。作为蜂窝基础设施市场内的一个关键组件供应商，我们许多用于通信的相同设备也具有电子战的双重用途。在这两个应用中，我们看到了更多在封装内进行集成的需求，以节省空间和整个系统设计的复杂性。在进一步集成的同时，许多客户还希望获得更大的功率和更宽的工作带宽，以便用单个设备覆盖多个频段。”
解决方案-开放架构
随着新的电子威胁扩展到更高的频段并增加了复杂性，终端用户要求微波电子战硬件能够在宽广的频率范围内运行，同时也要足够小，以便在一个紧凑的系统中支持多个通道。Hermanny说：“为了快速部署这些先进的功能，我们的客户越来越多地要求符合开放架构标准的产品，如OpenVPX和SOSA”。
像传感器开放系统架构（SOSA）这样的开放架构项目，D'Arcy说：“对推动调整很有帮助，这也是与DARPA CHIPS等项目一起考虑的因素之一，目前，面临的挑战是如何让终端用户和主承包商走向标准。”美国国防高级研究计划局（DARPA）在2017年推出了“通用异构集成和IP重用策略”（CHIPS），以帮助降低与先进片上系统相关的设计成本。
Smith指出，像SOSA这样的持续举措和趋势正在帮助“推动更多不受某些限制的商用现货器件”。
Hermanny指出：“随着行业转向SOSA等标准，需要开发与SOSA相一致的射频和微波硬件，采用这些标准有机会彻底改变电子战系统的设计和维护方式。通过利用标准模块，可以减少设计时间和维护成本。Mercury公司提供了一系列符合SOSA的微波收发器和转换器，如RFM3111，这是一款符合SOSA的6～8-GHz收发器。”（图2）。
图2：Mercury系统公司的RFM3111
难以同时满足电子战与雷达需求
D’Arcy表示，独特的作战概念和不同的上市时间要求，使得目前一个系统同时满足军事通信、电子战和雷达使用需求变得困难。“如果你对比历史和现在的雷达与电子战系统，设计发生了很大的改变，电子战分为监视、防御和攻击，而雷达本质上是一种主动传感器。较好的说法是电子战系统防御或攻击雷达。”
传统系统中的模拟内容占比巨大。D'Arcy表示：“较新的系统开始模糊信号链层面的差异，因为设计者们更多地向有源电子扫描阵列发展，并向全直接采样和数字波束成形系统发展，这些系统将具有从天线到数字背板的共性。ADC和DAC发展路径在单个通道级别上相似，在后端处理和数字侧的差异出现分歧。”
电子战和雷达需求之间的一个关键相似点是要求在单个晶体管内提高能力。Smith指出：“雷达的功率水平仍然比电子战或通信要求高得多，在许多情况下，雷达的关键指标是效率--总是试图突破极限，实现尽可能高的效率。在电子战系统内，效率也很重要，但它基于带宽和集成度。
虽然雷达和电子战都需要采用紧凑的SWaP优化封装的高性能解决方案，Hermanny指出，电子战有其独特的挑战。“与雷达不同的是，在雷达上系统的发射端和接收端都是确定的，电子战系统必须在以前未知的信号上运行。”
例如，一个电子战系统可能需要接收对手的雷达信号，对其进行处理，并重新发送该信号。Hermanny说：“由于电子战系统设计者无法预测该雷达信号的频率，因此他们需要设计电子战系统在一个非常宽的频率范围内工作，这种未知因素要求电子战系统可以动态配置，并在非常宽的频率范围内工作。”
解决方案--GaN
D'Arcy说，尺寸的缩小“主要是由缩小天线几何形状和缩短信号路径的需求所驱动，虽然重量增加是一个问题，但行业面临的最大挑战是功耗和效率。而这与热挑战直接相关。解决这些挑战的方法有两个方面。基于GaN的射频和微波产品持续向更高的效率迈进，是提高功率和一定程度上提高尺寸效率的关键因素。另一个是在模数转换器中加入更多的处理结构。”
恩智浦（NXP）在亚利桑那州开设了一座射频GaN晶圆厂，专门用于制造射频功率放大器。Smith说：“除了我们的横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）产品外，还可以利用自己内部GaN晶圆厂的相关性能优势，如更宽的工作带宽、更高的频率范围能力、提高效率等。(图3.)
解决方案—实现SWAP
SWaP是NXP在国防和航空航天领域的一个重要方面，由于其重要性，公司将继续在器件中增加更多的集成度。Smith表示：“我们通过改进分立器件产品来实现这一目标，将更多的功率装入封装，同时也优先考虑热性能，通过拉伸我们分立产品内的功能，客户能够使用一个器件，而不是考虑不同的工作带。我们还在继续对雷达和电子战的集成电路（IC）产品进行改进。这些多级器件使客户能够因为封装内集成而缩小电路板周围的元器件。”
恩智浦进行SWaP改进的另一种方式是通过多芯片模块。Smith说：“这些器件与IC类似，因为它们是多级的，但也有50欧姆输出输出多级匹配。增加的集成度在实现必要性能的同时，还能减少空间和重量。
Hermanny说：“在射频和微波方面，SWaP优化的挑战之一是管理高密度电路设计所产生的复杂电磁相互作用，为了解决这些挑战，我们开发了使用非线性电路模型以及先进的电磁场求解技术进行复杂电路建模的专业知识，使我们能够最大限度地减少设计时间，并实现紧凑的硬件，而无需依赖多个设计匹配。”