低溫芯片可增強衛(wèi)星系統(tǒng)的性能
出處：赤鑄 發(fā)布于：2008-09-11 17:23:23
超導電路與器件對于多種行業(yè)都具有重要的意義，包括軍用、民用、測試與測量、醫(yī)療電子系統(tǒng)等。盡管人們已經(jīng)在這一技術領域進行了數(shù)十年的探索，但長期以來，由于需要保持接近零度(0K)的溫度以實現(xiàn)超導電路的零電阻特性，因此超導技術的發(fā)展始終受到了限制。如今，Hypres公司通過將其的SME(superconducting microelectronic，超導微電子)技術與一種微型商用冷卻器相結(jié)合，研制出了一種微波接收器前端原型系統(tǒng)，并已證實該系統(tǒng)能夠大大提高軍用衛(wèi)星通信(satcom)系統(tǒng)測試的性能，同時不需要配置任何常規(guī)的前端硬件。
Hypres努力將其低溫冷卻電子技術應用于通信系統(tǒng)的小型化，這符合下一代DSCS(Defense Satellite Communications System，國防衛(wèi)星通信系統(tǒng))衛(wèi)星終端的發(fā)展需求。大多數(shù)這類終端都采用大型的拋物面天線，以增強電平相對較低的接收信號的增益-熱噪比(G/T)。但是，衛(wèi)星通信系統(tǒng)(PD SCS)技術部的退休產(chǎn)品主管、國防通信與軍用傳輸系統(tǒng)(PM DCATS)——負責為美國軍方采購和安裝衛(wèi)星終端——的兼職項目經(jīng)理John Deewall認為，當前要優(yōu)先發(fā)展小型衛(wèi)星通信終端：“各地普遍缺乏衛(wèi)星終端基站。我們已經(jīng)認識到縮小這些高達18m的‘恐龍’的必要性。”衛(wèi)星通信終端采用傳統(tǒng)的超外差接收器下變頻方法，將衛(wèi)星通信終端天線接收到的X波段信號轉(zhuǎn)換為可以處理和數(shù)字化的低頻中頻(IF)信號。
這種傳統(tǒng)的方法需要采用一系列基于混頻器的下變頻電路，將微波頻率轉(zhuǎn)換為寬帶中頻，進而通過數(shù)字化處理捕捉調(diào)制信息。軍用系統(tǒng)的研制人員始終在尋求一種真正的數(shù)字接收器，在前端直接對微波信號進行數(shù)字化處理，從而取消為實現(xiàn)高G/T比所需的混頻器和LAN(低噪聲放大器)。
Hypres開發(fā)的基于SME的元件和子系統(tǒng)是軍用衛(wèi)星通信和其他通信終端小型化的一種潛在解決方案。Hypres近演示了款用于PM DCATS的X波段全數(shù)字接收器(ADR)原型，該項目來源于多項SBIR(Small Business Innovation Research)合同和PM DCATS的基金支持。通過衛(wèi)星通信信號的直接數(shù)字化處理，去掉了原來很多衛(wèi)星通信終端的模擬前端電子部件，例如LAN、下變頻器、線纜和連接器(及其相應的信號損耗)，從而為小型終端天線的應用鋪平了道路。另一方面，在軍用衛(wèi)星通信終端中使用超導ADR還能夠大大降低功耗。Hypres目前正在研發(fā)針對特定工作需求的原型ADR系統(tǒng)。
利用Hypres研發(fā)的超導芯片(如圖1所示)已經(jīng)使ADR接收器的出現(xiàn)成為可能。該芯片以Hypres公司的鈮襯底材料為基礎，內(nèi)含大約11000個JJ(Josephson junction)，構(gòu)成了超導RSFQ(Rapid Single Flux Quantum)邏輯電路。它采用Hypres公司的4.5kA/cm2 SME工藝制成。超導的零電阻優(yōu)勢以及可忽略的信號損耗使得該芯片在高達40GHz的非交叉時鐘速率下仍可用作高速ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)。
當然，在任何應用中使用超導電路的障礙在于需要對電路進行冷卻，以發(fā)揮其應有的性能優(yōu)勢。根據(jù)電路的類型和所需的冷卻溫度，冷卻系統(tǒng)通常需要使用高杜瓦的液氮或液氦，以應對相對較快的熱量消散和泄漏損耗。Hypres的ADR設計大大不同于基于杜瓦的設計，因為它在實現(xiàn)所需的冷卻溫度的同時，采用Sumitomo電子的兩級冷卻器(SRDK- 101D-A11)實現(xiàn)了COTS(commercial-off-the-shelf)封裝。
這種緊湊式冷卻器采用了一個風冷式壓縮機實現(xiàn)了冷卻所需的內(nèi)部氣壓，具有出色的接地與磁屏蔽性能，以及很高的熱電可靠性。Hypres推出的封裝了冷卻器的ADR芯片已經(jīng)成功應用于PM-DCATS和美國軍方CERDEC(Communications-Electronics Research, Development, and Engineering Center，通信電子研發(fā)開發(fā)與工程中心)的X波段全數(shù)字射頻(TM)接收機原型(XADR)的設計之中。該芯片用作帶通二階delta-sigma ADC和數(shù)字信道器電路，二者使用一個公共的高頻時鐘。
X波段的輸入信號被直接轉(zhuǎn)換成一個過采樣單位數(shù)據(jù)流。信道器電路使用一個四分之一時鐘頻率的本地振蕩器，對該數(shù)字射頻數(shù)據(jù)進行數(shù)字化下變頻和濾波，生成一對具有較慢(經(jīng)過抽取的)輸出時鐘速率的數(shù)字同相(I)和正交(Q)數(shù)據(jù)字。然后，抽取濾波器的多位數(shù)字I和Q輸出信號通過一組片上激勵放大器被放大到2mV左右。該ADR芯片的功耗約為4mW；用于維持4K芯片溫度的冷卻器在標準交流電源|穩(wěn)壓器提供的1.2kW基本功率下，大約消耗200mW的功率。Hypres將繼續(xù)研發(fā)一種小型的冷卻器，消耗的基本功率將不足500mW。
數(shù)字接收機的毫伏級I、Q輸出信號以及相應的時鐘信號被一組專用的放大器增強到3.3V左右。然后，使用一塊帶FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)的pcb(printed-circuit board，印制電路板)采集這些信號。除了采集數(shù)字I、Q數(shù)據(jù)之外，該接口電路板還能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)饺我獾暮蠖颂幚砥髦小?BR>
為了評估其實際性能，去年來自Hypres、PM DCATS和CERDEC的工程技術人員在位于新澤西州伏特蒙默思的美國軍方JSEC(Joint Satcom Engineering Center，聯(lián)合衛(wèi)星通信工程中心)對這款X波段ADR(如圖2所示)進行了測試。測試內(nèi)容包括，通過一臺AN/GSC-39衛(wèi)星終端將一些數(shù)據(jù)和視頻信號傳送給一顆XTAR衛(wèi)星，然后再返回地面由同一臺AN/GSC-39終端接收，由XADR進行處理。XADR的輸出信號再發(fā)送給一臺由L3通信公司(www.l- 3com.com)提供的3501-01型調(diào)制解調(diào)器，構(gòu)成整個測試的一部分。該項目的JSEC主管、CERDEC的Rick Dunnegan指出，“它的工作狀態(tài)好于預期。這款X波段ADR能夠采集下行鏈路頻段(7.676GHz)上的信號，我們能夠直接在X波段上對數(shù)據(jù)進行數(shù)字化和處理，直接在X波段上進行解調(diào)。這是一個巨大的進步?！?BR>
全數(shù)字射頻產(chǎn)品線上的工作得益于與軍、民雙方的多項合作。ADR的研發(fā)是Hypres構(gòu)建全數(shù)字收發(fā)器三項計劃中的一項。其他兩項包括設計并生產(chǎn)全數(shù)字發(fā)射器，然后將接收器和發(fā)射器集成為一臺完整的全數(shù)字收發(fā)器。要想了解有關Hypres的超導技術以及該公司在低溫ADC和數(shù)字接收器方面的工作，歡迎訪問該公司的網(wǎng)站。
Hypres努力將其低溫冷卻電子技術應用于通信系統(tǒng)的小型化，這符合下一代DSCS(Defense Satellite Communications System，國防衛(wèi)星通信系統(tǒng))衛(wèi)星終端的發(fā)展需求。大多數(shù)這類終端都采用大型的拋物面天線，以增強電平相對較低的接收信號的增益-熱噪比(G/T)。但是，衛(wèi)星通信系統(tǒng)(PD SCS)技術部的退休產(chǎn)品主管、國防通信與軍用傳輸系統(tǒng)(PM DCATS)——負責為美國軍方采購和安裝衛(wèi)星終端——的兼職項目經(jīng)理John Deewall認為，當前要優(yōu)先發(fā)展小型衛(wèi)星通信終端：“各地普遍缺乏衛(wèi)星終端基站。我們已經(jīng)認識到縮小這些高達18m的‘恐龍’的必要性。”衛(wèi)星通信終端采用傳統(tǒng)的超外差接收器下變頻方法，將衛(wèi)星通信終端天線接收到的X波段信號轉(zhuǎn)換為可以處理和數(shù)字化的低頻中頻(IF)信號。
這種傳統(tǒng)的方法需要采用一系列基于混頻器的下變頻電路，將微波頻率轉(zhuǎn)換為寬帶中頻，進而通過數(shù)字化處理捕捉調(diào)制信息。軍用系統(tǒng)的研制人員始終在尋求一種真正的數(shù)字接收器，在前端直接對微波信號進行數(shù)字化處理，從而取消為實現(xiàn)高G/T比所需的混頻器和LAN(低噪聲放大器)。
Hypres開發(fā)的基于SME的元件和子系統(tǒng)是軍用衛(wèi)星通信和其他通信終端小型化的一種潛在解決方案。Hypres近演示了款用于PM DCATS的X波段全數(shù)字接收器(ADR)原型，該項目來源于多項SBIR(Small Business Innovation Research)合同和PM DCATS的基金支持。通過衛(wèi)星通信信號的直接數(shù)字化處理，去掉了原來很多衛(wèi)星通信終端的模擬前端電子部件，例如LAN、下變頻器、線纜和連接器(及其相應的信號損耗)，從而為小型終端天線的應用鋪平了道路。另一方面，在軍用衛(wèi)星通信終端中使用超導ADR還能夠大大降低功耗。Hypres目前正在研發(fā)針對特定工作需求的原型ADR系統(tǒng)。
利用Hypres研發(fā)的超導芯片(如圖1所示)已經(jīng)使ADR接收器的出現(xiàn)成為可能。該芯片以Hypres公司的鈮襯底材料為基礎，內(nèi)含大約11000個JJ(Josephson junction)，構(gòu)成了超導RSFQ(Rapid Single Flux Quantum)邏輯電路。它采用Hypres公司的4.5kA/cm2 SME工藝制成。超導的零電阻優(yōu)勢以及可忽略的信號損耗使得該芯片在高達40GHz的非交叉時鐘速率下仍可用作高速ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)。
當然，在任何應用中使用超導電路的障礙在于需要對電路進行冷卻，以發(fā)揮其應有的性能優(yōu)勢。根據(jù)電路的類型和所需的冷卻溫度，冷卻系統(tǒng)通常需要使用高杜瓦的液氮或液氦，以應對相對較快的熱量消散和泄漏損耗。Hypres的ADR設計大大不同于基于杜瓦的設計，因為它在實現(xiàn)所需的冷卻溫度的同時，采用Sumitomo電子的兩級冷卻器(SRDK- 101D-A11)實現(xiàn)了COTS(commercial-off-the-shelf)封裝。
這種緊湊式冷卻器采用了一個風冷式壓縮機實現(xiàn)了冷卻所需的內(nèi)部氣壓，具有出色的接地與磁屏蔽性能，以及很高的熱電可靠性。Hypres推出的封裝了冷卻器的ADR芯片已經(jīng)成功應用于PM-DCATS和美國軍方CERDEC(Communications-Electronics Research, Development, and Engineering Center，通信電子研發(fā)開發(fā)與工程中心)的X波段全數(shù)字射頻(TM)接收機原型(XADR)的設計之中。該芯片用作帶通二階delta-sigma ADC和數(shù)字信道器電路，二者使用一個公共的高頻時鐘。
X波段的輸入信號被直接轉(zhuǎn)換成一個過采樣單位數(shù)據(jù)流。信道器電路使用一個四分之一時鐘頻率的本地振蕩器，對該數(shù)字射頻數(shù)據(jù)進行數(shù)字化下變頻和濾波，生成一對具有較慢(經(jīng)過抽取的)輸出時鐘速率的數(shù)字同相(I)和正交(Q)數(shù)據(jù)字。然后，抽取濾波器的多位數(shù)字I和Q輸出信號通過一組片上激勵放大器被放大到2mV左右。該ADR芯片的功耗約為4mW；用于維持4K芯片溫度的冷卻器在標準交流電源|穩(wěn)壓器提供的1.2kW基本功率下，大約消耗200mW的功率。Hypres將繼續(xù)研發(fā)一種小型的冷卻器，消耗的基本功率將不足500mW。
數(shù)字接收機的毫伏級I、Q輸出信號以及相應的時鐘信號被一組專用的放大器增強到3.3V左右。然后，使用一塊帶FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)的pcb(printed-circuit board，印制電路板)采集這些信號。除了采集數(shù)字I、Q數(shù)據(jù)之外，該接口電路板還能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)饺我獾暮蠖颂幚砥髦小?BR>
為了評估其實際性能，去年來自Hypres、PM DCATS和CERDEC的工程技術人員在位于新澤西州伏特蒙默思的美國軍方JSEC(Joint Satcom Engineering Center，聯(lián)合衛(wèi)星通信工程中心)對這款X波段ADR(如圖2所示)進行了測試。測試內(nèi)容包括，通過一臺AN/GSC-39衛(wèi)星終端將一些數(shù)據(jù)和視頻信號傳送給一顆XTAR衛(wèi)星，然后再返回地面由同一臺AN/GSC-39終端接收，由XADR進行處理。XADR的輸出信號再發(fā)送給一臺由L3通信公司(www.l- 3com.com)提供的3501-01型調(diào)制解調(diào)器，構(gòu)成整個測試的一部分。該項目的JSEC主管、CERDEC的Rick Dunnegan指出，“它的工作狀態(tài)好于預期。這款X波段ADR能夠采集下行鏈路頻段(7.676GHz)上的信號，我們能夠直接在X波段上對數(shù)據(jù)進行數(shù)字化和處理，直接在X波段上進行解調(diào)。這是一個巨大的進步?！?BR>
全數(shù)字射頻產(chǎn)品線上的工作得益于與軍、民雙方的多項合作。ADR的研發(fā)是Hypres構(gòu)建全數(shù)字收發(fā)器三項計劃中的一項。其他兩項包括設計并生產(chǎn)全數(shù)字發(fā)射器，然后將接收器和發(fā)射器集成為一臺完整的全數(shù)字收發(fā)器。要想了解有關Hypres的超導技術以及該公司在低溫ADC和數(shù)字接收器方面的工作，歡迎訪問該公司的網(wǎng)站。
版權(quán)與免責聲明
凡本網(wǎng)注明“出處：維庫電子市場網(wǎng)”的所有作品，版權(quán)均屬于維庫電子市場網(wǎng)，轉(zhuǎn)載請必須注明維庫電子市場網(wǎng)，http://m.58mhw.cn，違反者本網(wǎng)將追究相關法律責任。
本網(wǎng)轉(zhuǎn)載并注明自其它出處的作品，目的在于傳遞更多信息，并不代表本網(wǎng)贊同其觀點或證實其內(nèi)容的真實性，不承擔此類作品侵權(quán)行為的直接責任及連帶責任。其他媒體、網(wǎng)站或個人從本網(wǎng)轉(zhuǎn)載時，必須保留本網(wǎng)注明的作品出處，并自負版權(quán)等法律責任。
如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)等問題，請在作品發(fā)表之日起一周內(nèi)與本網(wǎng)聯(lián)系，否則視為放棄相關權(quán)利。
相關技術資料
- 什么是氫氧燃料電池,氫氧燃料電池的知識介紹2025/8/29 16:58:56
- SQL核心知識點總結(jié)2025/8/11 16:51:36
- 等電位端子箱是什么_等電位端子箱的作用2025/8/1 11:36:41
- 基于PID控制和重復控制的復合控制策略2025/7/29 16:58:24
- 什么是樹莓派?一文快速了解樹莓派基礎知識2025/6/18 16:30:52
技術分類
廣告
熱門技術資料
