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太空电子设计的变化趋势

时间:2019-09-12 作者:Rajan Bedi 阅读:
传统的卫星转发器采用模拟、RF弯管式结构,适用于电信和广播电视应用,它们接收上行链路信息,然后将其载波频率转换而用于下行链路。如今的有效载荷要高级得多,可提供星上解调再生方案来改善信噪比,提供数字波束成形技术来控制和优化性能以满足不断变化的链路需求,并能用直接数字化和重构IF/RF载波取代传统的频率转换。

全球57%的人口,即地球上超过40亿人至今仍无法使用宽带互联网,商业卫星运营商瞄准这一利润丰厚的市场,发射了数千个小型近地轨道(LEO)航天器,为传统的互联网巨头提供了巨大的掘金机会。

在亚洲、南美洲和非洲的发展中国家及新兴市场正寻找低成本地球观测能力来促进国家能力建设,它们希望能够自主采集数据来满足当地的社会需求,例如监测环境,检测气候变化、全球变暖、森林砍伐,灾害管理、用成像定位石油和天然气等自然资源,以及观测地质构造等。

预计到2050年,全球人口将增加至接近100亿,届时粮食产量需求将增加70%。与此同时,种植作物的土地面积却迅速减少,而全世界95%的食物都是在土壤中种植。因此,要保障粮食的供给和长期可持续性,需要尽可能有效地利用现有的土地资源。

地球观测卫星越来越多地使用高光谱光学和合成孔径雷达(SAR)成像仪来测量绿色植物反射的阳光、荧光(每种植物的生产率/生长率)和土壤质量以提高产量。这些观测结果,配合地面上物联网传感器提供的土壤湿度、pH值和叶片湿度等数据,使种植者能够接近实时地了解土地耕作状态。如果数据显示作物需要灌溉、施肥或杀虫,种植者可以根据此结果及GPS数据,指挥拖拉机在每个耕种点以特定的速度进行作业,从而实现真正的精耕细作。

要确保粮食供给的长期可持续性,海上情况同样不容乐观:据估计,全球捕获的鱼类多达20%属于非法捕捞,这种情况正在耗尽全世界珍贵的海洋资源。如今,发展中国家有10多亿人口都依赖鱼类作为主要的蛋白质来源,而卫星可以在所有天气条件下及夜间使用光学、红外和SAR传感器实时监测船只、捕捞方法和可疑行为。

目前大约有500亿台设备连接到互联网,基于M2M卫星的物联网中也开始接入偏远地区的一些重要系统,并对这些系统进行连续实时的监控,例如,检查陆运货物物流、海运识别和位置跟踪、观察动物和设备的移动以及资产监督。

卫星导航可以为紧急服务以及运输、农业、渔业、土木工程和银行业提供实时位置监测和精确定时服务,而实现多种应用。

太空技术和基于卫星的应用已经无处不在,摩根士丹利最近预测,到2040年,太空经济规模将达到1万亿美元。

随着发射成本持续下降,传统和新兴私营卫星运营商开始考虑利用低成本太空接入提供基于太空的解决方案,以满足上述种种社会需求。为了抓住这些机遇,过去十年全球已成立了数千家商业航天公司。

太空电子产品历经发展,早已不是阿波罗任务中使用的定制、抗辐射制导计算机和手工编织存储器。今天的航空电子技术比当年登月使用的技术强大数百万倍!

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图1:阿波罗制导计算机和手工编绳存储器。

传统的卫星转发器采用模拟、RF弯管式结构,适用于电信和广播电视应用,它们接收上行链路信息,然后将其载波频率转换而用于下行链路,如图2所示。

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图2:弯管式模拟转发器。

如今的有效载荷要高级得多,可提供星上解调再生方案来改善信噪比,提供数字波束成形技术来控制和优化性能以满足不断变化的链路需求,并能用直接数字化和重构IF/RF载波取代传统的频率转换。传统的卫星通信变得越来越拥塞,运营商正在向Ku、K、Ka、O和V波段等更高频率迈进,以利用更宽的带宽提供最新的高吞吐量服务,如实时、高清观测地球。

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图3:数字卫星转发器。

严苛的太空环境可能对未采取保护措施的电子设备造成严重损坏,如果设备持续暴露在高能粒子下,则性能会逐渐降低,最终导致元器件损坏。在太空中快速穿过的宇宙射线会击中设备敏感部位,即刻引起单粒子效应(SEE)。而重离子、中子和质子会使原子散射在半导体晶格中,从而带来噪声和误差源。

真空是太空的固有特性,会引起材料升华并释放气体:太空微电子产品采用塑料或陶瓷封装,以满足不同类型任务的可靠性需求。

太空电子产品的可靠性

航天器电子产品会受太阳所发射的电离带电粒子和宇宙射线的影响,这些粒子受地球磁场约束形成磁气圈(图4)。一方面,由于正电荷持续积累,太空电子产品会遭受长期总辐射剂量的影响而性能降低,这最终可能阻止晶体管开关;另一方面,太空电子产品会因短期辐射而引起单粒子效应,如逻辑电路和存储器的单粒子翻转效应、模拟和组合数字电路的单粒子瞬态效应、单粒子锁定效应和功能中断。功率MOSFET在制造中采用不同于小信号晶体管的掺杂度,可能出现单粒子烧毁和栅穿效应。

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图4:地球磁气圈和SEE图示(图片来源:Aerospace Corp)。

航天工业希望充分利用超深亚微米微电子器件拥有的更高集成度、更快处理速度和更低功耗的优势。与商业晶圆厂相比,专门的抗辐射代工厂的数量和处理能力都已下降,因此太空级集成电路的设计人员纷纷转向消费级半导体技术,以应对其星上处理需求。

商业半导体工艺通常针对陆地环境中的消费类应用做了优化,而为其生产具有高密度、高速率和低功耗的电路,例如其寿命通常为5至10年,工作温度范围通常为0至+ 80℃。卫星则要求电子产品在-55至+ 125℃的军用级别温度范围内工作——由于大多数超深亚微米故障模式都是发热引起的,因此无法保证产品在+80℃时的可靠性适用于+125℃情况。而且由于热载流子效应,如果器件的温度降低,其使用寿命也会减短,因而同样无法保证0℃时的可靠性在-55℃时有效。

为提供更高的可靠性,一些新太空(NewSpace)公司正在采用具有-40到+ 110℃扩展温度范围的工业或汽车级半导体。为了进一步给太空领域的用户提供产品保障和可追踪性,增强塑料(Enhanced Plastic)产品可保证其元器件的温度范围为-55到+125℃,并提供良好的批次管理,确保元器件不会因代工厂、批次和晶圆的不同而有任何差别。一些芯片供应商还提供量化商用现货(QCOTS)和COTS+器件,它们经过筛选而具有更高的可靠性,如进行老化测试来识别和清除废品,检查湿度和气体释放,并利用X射线和C型扫描声学显微镜(C-SAM)检查来检验微芯片结构的完整性,排除了常见的塑料器件故障。

与专门的抗辐射代工厂不同,商业晶圆厂不生产MIL-PRF-38535或ECSS 2269000中分别定义的合格QML或ESCC器件。现在是由半导体供应商对工艺和封装进行把关,对批次进行辐照、测试和鉴定,然后交付给最终客户。

通常,CMOS器件的缩小改善了太空级微电子器件的总剂量和锁定灵敏度。栅极氧化物越薄,捕获的正电荷就越少;更低的电源电压和更小的寄生双极型硅控整流器增益也分别改善了抗总剂量和锁定能力。由于电路密度增加,扰乱多个敏感位置所需的总电荷减少,解决SEE问题变得更具挑战性。

半导体供应商使用绝缘硅(SOI)、外延层和/或沟道隔离技术制造,而从工艺级加固器件。通过晶体管的布局设计可以降低器件对电离辐射的敏感度,OEM可以手动将逻辑/电路扩展三倍,将检错纠错(EDAC)添加到存储器,并使用擦洗技术来提高性能。Mentor, a Siemens Business提供的软件还可用于自动化局部、分布式和全局三模冗余。

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图5:EDA软件添加的三倍逻辑方案。

COTS器件和测试挑战

SiGe、GaAs和GaN微电子产品以及功率MOSFET等器件,可以以某种方式使用或加偏置来满足多种太空任务的可靠性要求。

如果800美元的工业FPGA可以满足任务的可靠性需求,为什么要花费8万美元购买合格的太空级器件呢?对某些航天器制造商而言,使用COTS器件是满足任务性能和成本需求的唯一选择。对许多OEM而言,完全合格的元器件价格较高,交付周期较长,这是无法承受的。如今,许多COTS器件已成功在轨道上运行。

使用COTS器件必须是整个设计流程不可分割的一部分,即从最初选择器件、评估其是否适合在太空中使用,到一旦到货应如何处理和储存器件,以及最坏情况分析、器件测试和硬件设计,后者反映了系统可靠性。在开发周期的早期进行原型设计及老化测试有助于排除早期失效故障,从而在正常运行阶段能更可靠地使用元器件。如同单个器件本身,选择COTS器件也就是考虑如何使用一个器件。例如,最近有人让我评估一款具有双极性ADC和体硅CMOS配置逻辑的COTS BiCMOS ADC。作为风险评估的一部分,我担心未做抗辐射处理的配置电路容易发生软错误。辐射测试证实该逻辑会不断重置(多次单粒子功能中断,SEFI),因此该器件根本无法在太空中使用。

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图6:带软错误配置逻辑的COTS ADC。

如今,太空中已有成千上万颗小型卫星,它们可以促进未来的太空经济。为满足运营商的价格点、紧迫的面市时间和/或投资者快速获得投资回报的要求,制造商面临着设计、测试和交付低成本航天器的主要压力。 因此,OEM通常会使用较便宜的COTS器件,以保持市场竞争力,同时它们也在寻找实惠的测试方案来有效验证功能。

开发小型卫星电子产品时,测试是贯穿整个开发阶段的重要工作:从最初建立系统架构期间的COTS模拟器件、数字逻辑、RF电路和天线的性能测试,到硬件演示器功能检验,以及原型设计(工程模型,EM)阶段的概念验证。接下来是资格认证(工程资格模型,EQM)阶段,需要在代表性环境中使用热真空室测量全部有效载荷子系统的性能,并进行整个航天器的验证。升空之前,通常在发射现场进行最终的集成测试,而在整个操作过程中则会定期在轨检查传输链路,以监控和确认服务质量。在每一个开发阶段,小型卫星制造商都面临不同的测试与测量挑战。

太空技术和卫星应用影响着我们日常生活的方方面面,人类因此拥有可持续发展的未来。

本文为《电子技术设计》2019年9月刊杂志文章。

 

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