【应用】Smiths Interconnect抗辐射光收发器SpaceABLE应对太空中的光互连设计挑战

时间： 2022-02-26 来源：Smiths Interconnect

技术问答

越来越多的航空航天应用正在将光纤技术纳入设计中，因为相较于铜其具有更多优势。更细的光纤解决方案在更长的距离上提供更快的速度，更为可靠以及更高的抗噪性，并且在许多情况下降低了成本。此外，对于相同的直径，光纤相较于铜线可以打包更多的数据。光纤比5类和6类铜缆快，更接近光速（慢31%），对于铜线来说，将速度推到1G以上就是一个挑战，但对于光纤来说，10G相当普遍。铜受距离限制，通常，使用铜线的信号衰减会在大约90米后发生（定制系统最大为2.7公里），而光纤可以毫无问题地达到1.5公里以上，并且可以根据传输信号质量传输超过80公里。

图1 太空耀斑

光纤最显着的优势可能是它不受电噪声的影响，因为传输使用光而不是电信号，光纤不会遇到影响铜缆的典型电磁干扰(EMI)。随着时间的推移，铜也会退化并具有更差的信噪比，与铜线相比，光纤系统可以非常有效。在基于光纤的以太网连接的情况下，超过 99.5%的信号可以传送到以太网集线器，不同类型的转换器可用于通过光纤电缆转换来自流行的非屏蔽双绞线 (UTP) 以太网连接的信号，因此可以组合许多低速 UTP 以实现例如 100/120 Gigabits。

太空光纤互连设计的挑战

根据美国国家航空航天局的说法，太空辐射由三种辐射组成：被困在地球磁场中的粒子、太阳耀斑期间射入太空的粒子（太阳粒子事件）以及银河宇宙射线，它们是来自太阳系外的高能质子和重离子（图 2），这增加了电离辐射、质子和伽马射线攻击。这些攻击对电子电路产生重大影响，被描述为总电离剂量 (TID) 效应，以拉德（辐射吸收剂量）为单位进行测量。请注意，1 rad = 0.01 J/kg 材料的吸收能量，1 gray = 100 rads，暴露于空间辐射的影响范围从性能下降到完全故障，在太空中，这可以想象会导致严重的后果。

太空环境恶劣，要求苛刻，商用现货(COTS)设备必须能够承受极端温度波动和持续振动，失败不是太空任务的选择。除此之外，还面临着以最小的尺寸、重量和功率(SWaP)、高平均故障间隔时间(MTBF)和可靠性提供最大性能的挑战。为航空设计与为地球环境设计有很大不同，航天器、卫星和军用飞机等航空应用更具挑战性，光纤互连解决方案的设计人员必须考虑应对这些挑战的具体要求。这三大挑战分别是：

• 空间辐射攻击

• 在恶劣环境下运行

• 满足空间、重量和功率要求(SWaP)和可靠性

图2 航天器不断受到来自磁场、太阳耀斑和银河宇宙射线的空间辐射的攻击

图3 SpaceABLE SM 是由 Reflex Photonics 创建的抗辐射光收发器

用抗辐射设计抵御辐射

满足上述要求的设计注意事项是什么？防御电离、伽马射线和其他攻击的辐射非常重要。有几种方法可以保护设备免受辐射，包括屏蔽、纠错和使用抗辐射组件，有些人将其称为辐射硬化。屏蔽适用于低水平辐射，如果辐射量仅暂时影响设备，则纠错工作有效。但是，大量纠错会降低设备的性能，越来越多的设计采用抗辐射组件来保护设备，抗辐射硅使用与典型半导体晶片不同的方法。常见的方法是绝缘体上硅晶片(SOI)和蓝宝石上硅晶片(SOS)，它们使抗辐射组件能够承受电离辐射的攻击，虽然商业级硅可以承受50~100格雷（5~10krad），但抗辐射解决方案可以承受5~1000倍以上，具体取决于所涉及的组件类型（图3）。

设计在恶劣环境中工作并遵循标准化

为了使互连设备能够在恶劣的环境中生存，除了抗辐射性之外，它们还必须包括商业级组件可能不需要的其他参数。这包括满足MIL-STD 883中规定的冲击和振动要求，强烈建议在很宽的工作温度范围（典型值为-40°C~100°C）内对设备进行密封以防潮和热冲击。请记住，当温度达到极限时，某些设备可能会变慢，因此测量在这些温度下的持续性能非常重要。

图4 SpaceABLE SM 光纤收发器的不同视图

设计或选择基于开放标准(VITA 66)的互连设备可确保解决方案遵循标准的生命周期并且不会像专有或定制设计中经常出现的那样被轻易淘汰，为确保设备符合最低标准，它们应符合但不限于以下行业标准：

• MIL-STD-883，方法2007.3（振动测试）

• MIL-STD-883，方法2002.4（机械冲击测试）

• MIL-STD-883，方法1011.9（热冲击测试）

• MIL-STD-202，方法103B（湿热测试）

• MIL-STD-810，方法502.5（冷藏测试）

• MIL-STD-883，方法1010.8（热循环测试）

• MIL-STD 883（冲击和振动）

• MIL-STD-883G，方法 1019.7（总电离剂量和钴60伽马射线测试）

• 总非电离剂量(TNID)测试

• 开放VITA 66标准

• ECSS-Q-ST-60-15空间保证

实现小型SWaP和可靠性

重量在空间运输和应用中变得越来越重要，发送1公斤的费用估计为50,000美元。设计产品以实现最佳SWaP和具有高MTBF的高可靠性始终是最终目标，在太空和军事任务中，不能容忍失败。卫星将在轨道上运行多年，修复故障部件不仅困难，而且成本很高，因此，针对紧凑尺寸、坚固性和高可靠性进行设计将有助于开发人员在太空竞赛中保持竞争力。例如，具有多通道的 SpaceABLE互连解决方案可以产生高达150Gbps的速度，就可靠性而言，密封、坚固性和抗辐射设计的结合有助于延长设备的使用寿命。它的寿命可以从几年到20多年不等，使用高可靠性设备可以将包括维护在内的总拥有成本保持在最低水平。

航空应用面临许多设计挑战，这些挑战是其预期环境所独有的。Smiths Interconnect用于空间应用的光互连设计的最佳实践包括使用抗辐射技术来抵御空间辐射，使用设计用于在恶劣环境中运行的组件和设备，以及满足小型SWaP和长期可靠性要求。最后，建议遵循VPX等开放标准，并寻找符合MIL和质量标准的解决方案。

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