军事传感和通信系统的未来 - 共封装光学器件实现融合射频相控阵

  由于半导体和传感器的进步，现代战争正在迅速演变。为单一项目提供大量预算，花几十年时间生产几百台设备的传统军备模式正面临巨大的压力。隐形、无人机和精确制导导弹的大批量制造正在迅速改变国防力量的构建。目前，最先进的军队有几十或几百架战斗机和轰炸机，但是却有有数万架无人机和导弹。以现有的能力，现代军队是否能够对抗，甚至可靠地追踪这些新式武器的高密度蜂群，还是个未知数。

  AyarLabs和洛克希德-马丁公司发表了一篇关于利用硅基光电子技术进行通信的射频(RF)融合相控阵天线(converged phased array antennas)的精彩论文。这个解决方案可以回答这个问题。今天，我们想解释一下目前的传感器和国防系统的通信架构，这些架构的成本和性能问题、数字波束成形、MIMO、射频相控阵和硅基光电子技术的国防应用。

  首先，让我们讨论一下现代传感器和通信架构。上图是一架现代喷气式战斗机的示意图，如F-22猛禽或F-35闪电。这些飞机使用复杂的传感器阵列进行瞄准、跟踪、通信等等。例如，F-35是使用红外传感器系统的先驱。该系统利用许多红外光电天线阵列，使其对飞机周围有360度的视野。这大大提高了战斗机在搜索和跟踪目标方面的能力。但这个系统最大的缺陷是其灵活性相当有限。整个子系统生活在自己的气泡中(in its own bubble)，有自己的处理管道。

  每个孔径都与相应的射频器件紧密结合在一起，如果不对平台进行物理上的重新布线，或者不对现有系统进行重新培训以适应另一个系统的需要，就不能被用于其它的系统。--- 洛克希德-马丁公司

  在国防应用中部署这些传感器，需要大量的定制工作，从物理光电红外传感器的开发，到处理和算法。开发这一系统的成本高得惊人，涉及许多学科，必须长期合作才能开发出完整的系统。光电红外系统与另一个射频传感或通信系统是完全分开的。

  在许多情况下，每个传感器都为该特定的使用情况进行了优化。一支现代军队必须拥有旨在探测、跟踪、连接，和与各种飞机、无人机、导弹、直升机、卫星、地基武器系统、舰艇、潜艇等进行通信的射频系统。随着更多的射频子系统被创造出来，用于与战场上的这些不同情景，无论是朋友还是敌人，其复杂性和成本都在急剧上升。

  这些先进的军事应用开始需要几十个不同的子系统，而且成本在不断膨胀。此外，单一子系统的延迟意味着整个平台会被延迟。F-35经常因为这些延误和成本而受到抨击。虽然各种延误的确切原因不明了，但创建这样一个复杂的系统所涉及的单体规划和复杂性是罪魁祸首。现在，F-35正在工作和部署，它被认为领先于世界上任何其他战斗机，而射频子系统是其中的一个重要部分。

  想象一下：如果这些许多不同的射频子系统能够以分解的方式被开发和部署，取而代之的是为每个特定任务建立传感器、射频处理和应用空间的单体子系统，解决方案的空间将被重新规划。一些主要类别的传感器可以针对射频增益、噪声和其他属性进行优化，而不是针对具体的使用情况进行调整。射频处理算法可以以更快的节奏进行更新，以便根据这些射频元件传入和传出的数据，引入新的传感和通信能力。应用算法也可以以单独的节奏进行更新，以应对不断变化的战场。与昂贵的20年计划相比，引进先进技术的时间表将大大缩短。

  上面是一个只有两种类型传感器的NGAD战斗机的示意图：一种高性能相控阵天线阵列(PAA)和一种光电红外天线阵列(EOIR)。与F-22/F-35战斗机的示意图相比，传感器的类型明显减少。尽管传感器的类型减少了，但将传感器从处理过程中分离出来，对于追踪更多更小和更隐蔽的目标的能力将得到加强。

  在处理之前，各种射频传感器将被融合。利用MIMO和数字波束成形等技术，可以获得更高的数据率和更小的噪声信号。

  数字波束成形和MIMO(多输入、多输出)是过去一直利用的技术，但更复杂的算法和技术在继续提升射频系统的性能。我们还没有在公开报告中解释过波束成形或MIMO，所以我们将提供一个快速入门：请注意我们是过度简化了，因为关于这些主题已经有很多书了。

  MIMO是指一个发射和接收设备有多个输入和多个输出。对总数据吞吐量的好处是巨大的。作为参考，每个5G的小单元的范围以内，有64个发射和64个接收对。鉴于消费市场已经证明了这种技术，下一代飞机的大量数据进出的路径是显而易见的。

  MIMO不太直观的方面是关于射频传感应用。想象一下，如果发射方是一架无人机或隐形飞机，那个敌人并没有积极尝试向战斗机发出信号，他们正试图掩盖其雷达和红外信号;想象一下，从被雷达吸收材料覆盖的低雷达信号的战斗人员身上接收到发射或辐射的信号是多么困难。传感应用需要知道敌人的位置、航向、速度和做出机动的速度。战斗的反应将有所不同，这取决于传感系统探测到的不明物体是鸟类、无人机、隐形战斗机、隐形轰炸机，还是导弹。

  关于传感的MIMO可以在更大的有效区域内接收到更广泛的输出信号。这也是数字波束成形技术的作用所在。就像MIMO一样，它已经在商业应用中使用，但在军事上的应用是独特的。由于传播延迟，所有的接收天线阵列将收到略有不同的相位和振幅的信号。

  当有多个方向的物体和信号时，数字波束成形使系统能够汇聚在一个特定的信号上。各个接收天线将把它们的时间，引入纳秒级的延迟，同步到这个首先收到特定方向和距离的信号的天线上。一旦所有天线的信号都与该特定距离和方向的天线的信号完美同步，来自各接收天线的输出信号就可以加在一起。这些天线聚焦点的信号将被放大，而所有其他物体将是噪音，可以被过滤掉。

  波束成形可以是模拟或数字的。数字波束成形的优点是，每个处理元件接收原始数据并使用数字信号处理，通过对数据集的分析来引导波束。这种处理可以同时发生在许多不同的焦点上，使其能够探测到更小的物体群，如成千上万的无人机或导弹蜂群。

  向融合架构的转变，要求飞机周围的天线阵列能够集中处理，而不是在每个天线阵列单独处理。下面两张图，比较和对比了当前一代架构(第一张)和下一代架构(第二张)的差别。

  下一代架构对IO的要求是非常高的。所有来自传感器的100多GB/s的数据在进入各种处理类型之前必须被送到一个中央交换机，这对网络IO速度的要求是一个爆炸。

  这个想法的核心是，与独立地建立孤立的系统相反，而是做一个宽泛的网络，可以共同完成每一个任务，这只有在极高速和高效的网络下才有可能。

  这就是AyaLabs的共封装光学技术的作用。作为复习，请查看我们之前关于该公司的报告，其中详细介绍了他们为数据中心提供的共封装光学解决方案。光学IO的效率远远高于电气IO。AyarLabs和洛克希德-马丁公司正在研究将TeraPHY共封装光学IO芯片与RFIC整合，以构建具有这些功能的先进封装。传感器、开关和处理元件理论上可以使用这种光学IO，以便大幅降低功耗和提高带宽。

  利用共封装的光学IO，除了更低的功率和更高的带宽外，还有许多好处。首先，电磁干扰(EMI)大大降低。基于铜的电气互连必须处理来自更高的辐射水平、地球磁场或战斗人员的反干扰措施。这种干扰会导致正在传输的信号出现错误。在航空航天应用中部署的铜基布线，就需要大量的屏蔽来防止这些问题。

  此外，对于铜线上的高速信号，存在传播和信号损失问题，因此布线的长度是有限的。这些与损失有关的问题是通过采用较低的线规、较粗的电线来补偿的。这就给航空应用带来了问题：因为飞机全身有数百或数千条电缆布线。如果每条布线都是带EMI屏蔽的粗线，那么这些布线将占用大量的空间和重量分配。

  这两个问题与共封装的光学IO不那么相关。玻璃纤维光缆需要最小的屏蔽，因为它们不受大多数EMI的影响。玻璃纤维更薄、更轻、更灵活。这些特性使其能够在更狭小的空间内进行布线。

  AyarLabs和洛克希德-马丁公司将共封装的光学IO与现有的最先进的中板(mid-board)光学收发器进行了比较。比较结果显示，共封装光学器件的功率更低，面积更小，错误率更低，性能更高。中板收发器目前在一些军事应用中使用，尽管我们不确定在哪里。供应商都有一个 "国防" 应用的标签。

  这项研究的另一个有趣的方面是，它会与AyarLabs目前对数据中心的推动产生协同效应。由于脆弱性和可靠性问题，数据中心一直不愿意采用共封装的光学器件。AyarLabs将会在更高要求的应用中证明其技术。湿度、G重力、激光器寿命和温度波动仍然是重大挑战，但进展是有希望的。其中一些经验可以应用于更大的数据中心通信市场。