חקר המגמות בפיתוח התקני Gallium Nitride
בשנים האחרונות התקנים מבוססי GaN, גם FETs וגם MMICs שוחררו ושימשו בהרחבה במערכות מגברי מיקרוגל בעלי הספק גבוה. התקנים אלה, הזמינים ממקורות יצרני שבבים אחדים, מיוצרים על שבבי SiC של 100 ממ’. GaN על תהליכי Si נמצאים גם כן בשיקול, אולם המוליכות התרמית והחשמלית הגרועה של ה-Si מבטלות את יתרונות העלות ביישומים בעלי איכות גבוהה ואמינות גבוהה. להתקנים אלה אורכי שער קטנים עד כדי 0.2 מיקרון ולכן תומכים בפעולה בתחומי התדר המילימטריים. התקנים מבוססי GaN החליפו עתה בהרבה את התקני ה-Gallium Arsenide ו-Lateral Diffusion Metal Oxide Semiconductor בכל היישומים מלבד הרגישים ביותר לעלות, בעלי תדר נמוך יותר.
איור 1. SSPA GaN 8 קילו-ואט בתחום X
התקני GaN מעוררים עניין אצל מתכנני מגברי ההספק RF משום שהם תומכים במתחי עבודה גבוהים ביותר (פי 3 עד 5 מאלה של GaAs) ובערך בכפול מהזרם המותר ליחידה של רוחב FET בהשוואה ל-GaAs. למאפיינים אלה השפעה חשובה עבור מתכנן מגברי ההספק, במיוחד בעכבת עומס גבוהה יותר עבור רמת הספק מוצא נתונה. לתכנונים קודמים מבוססי GaAs או LDMOS היו לעתים קרובות עכבות מוצא נמוכות ביותר ביחס לעכבות מערכות אופייניות של 50 עד 75 אוהם. עכבות התקן נמוכות מעמידות גבולות ברוחב הפס שניתן להשיג, כלומר ככל שיחס ההפיכה של העכבה הדרושה בין ההתקן המגביר בהגדלות העומס שלו עולה, מספר הרכיבים והפסד השילוב גדלים גם כן. בשל עכבות גבוהות אלה, משתמשים ראשונים של התקנים אלה יכלו במקרים מסוימים להשיג תוצאות חלקיות רק על-ידי התקנת אחד מהם בהתקן בדיקה לא תואם, הפעלת משוב DC ואות דוחף RF.
התקני GaN מוצאים גם את דרכם לתוך יישומי חלל אמינים ביותר, בשל מאפייני הפעולה האלה והאמינות היוצאת מן הכלל שלהם. נתוני בדיקת אורך החיים ממקורות אחדים של התקנים אלה חוזים זמן ממוצע לזמני כשל (עבור התקנים יחידים) מעל מיליון שעות בטמפרטורות
איור 2. דיאגרמת מלבנים של SSPA 8 קילו-ואט
צמד של 225 מעלות C או גבוהות יותר. אמינות יוצאת מן הכלל זו קיימת בשל ערך רווח הפס עבור (3.4 עבור GaN לעומת 1.4 עבור GaAs). דבר זה עושה אותם יותר מאשר רצויים עבור יישומים בעלי אמינות גבוהה.
המכשול העיקרי לשימוש הרחב יותר של GaN ביישומי הספק גבוה היה עלות הייצור הגבוהה יחסית, אופיינית 2 עד 3 פעמים זו של GaAs ו-5 עד 7 פעמים מזו של התקנים מבוססי LDMOS. דבר זה היווה בד”כ מחסום לעסקאות ביישומים רגישים מאוד לעלות דוגמת תשתית אלחוטית ומערכות-יד לצריכה. GaN על תהליכי מצע Si הם זמינים, אם כי עם סוגיות ביצועים כמצוין לעיל, והם מתאימים ביותר עבור יישומים רגישים לעלות אלה. בעתיד הקרוב, צפויות הורדות מחירים בסדר גודל של 50%, בשל המעבר לממדי שבבים גדולים יותר, 150 ממ’ ויותר, עתה בתהליך במקורות מובילים אחדים של התקני GaN.
טבלה 1. ביצועים אופייניים של SSPA בעל 8 קילו-ואט
מגברי מצב מוצק כחלופות של Traveling Wave Tube
מערכות מכ”ם פרוסות כיום למטרות תחזית מזג האוויר, רכישת/זיהוי מטרות משתמשות במגברי הספק בתדר רדיו מבוססי TWT הפועלים בתחום C ו-X. מגברים אלה משתמשים במתחי פעולה (10 עד 100 קילו-וולט) וטמפרטורות מאוד גבוהים והם חשופים לנזק מרעידות והלם מוגזמים. אמינות שדה מעשית אופיינית היא 1200 עד 1500 שעות והיא גורמת לתחזוקה גבוהה, חיסכון בשימוש ועלויות אכסון.
כדי לטפל ביישום זה, ADI פיתחה מגבר הספק במצב מוצק של 8 קילוואט, מבוסס על טכנולוגיית GaN. התכנון משתמש בגישה חדשנית, בעלת שכבות/ערבל כדי לסכם את הספק ה-RF של 256 MMIC’s, כאשר כל אחת מהן מפתחת כ-10 ואט. המתודולוגיה המשלבת יוצרת הפחתת ביצועים נעימה במקרה של כשל של MMIC בודד. זהו בניגוד לכשלים ב-TWT, הנוטים להיות הרי אסון מטבעם.
ארכיטקטורת השילוב של RF צריכה להציג מאזן זהיר בין הבידוד הדרוש של ה-MMICs והפסד השילוב RF של הרשת הכוללת. טופולוגיית המגבר של 8 קילו-ואט היא מודולרית, ומורכבת מעד ארבעה מערכי מגבר של 3 קילו-ואט המשולבים תוך שימוש במבני גלבו. צילום של המגבר מוצג באיור 1. ניתן להרכיב את המגבר בזיווד כונן תקני של 19 אינטש.
איור 3. הספק מוצא כנגד תדר
המגבר מעוצב כיום עבור קירור מים. גרסאות של קירור אוויר נמצאות בפיתוח. דיאגרמה מלבנית של המגבר 8 קילו-ואט מוצגת באיור 2. מפרטי ביצועים אופייניים עבור ה-SSPA 8 קילו-ואט רשומים בטבלה 1.
ניתן לשלב את ה-SSPAs 8 קילו-ואט המתוכננים כדי ליצור רמות הספק אף גבוהות יותר. ADI מפתחת כיום מודול שישלב שלוש מיחידות אלו כדי ליצור רמת הספק שיא של 24 קילו-ואט. תצורות אחרות המגיעות לרמות הספק של עד 32 קילו-ואט ניתנות לביצוע ונמצאות בשלבי שיקול לשם הערכה נוספת.
ADI מפתחת כעת מודול הספק מתקדם, מבוסס גם על טכנולוגיית GaN אשר יכפיל את הספק המוצא RF של המודולים השוטפים. המודולים מיועדים להיות סגורים הרמטית כדי לעמוד בפעולה בסביבות קיצוניות. זאת, ביחד עם מבנים משלבים מהדור הבא בעלי הפסד שילוב מופחת בהשוואה לשוטפים, ירחיבו את הספקי המוצא לרמות המתקרבות ל-75 עד 100 קילו-ואט. SSPAs מתקדמים, בעלי הספק גבוה יכללו פונקציונליות של בקרה ועיבוד כדי לאפשר בדיקת כשלים מובנית, בדיקת אבחון מרחוק ובקרה של מעגלי משוב מהירים, בזמן אמת עבור התקני MMIC.
טבלה 2.
מגברי פס רחב, גל רציף, הספק גבוה עבור הלוחמה האלקטרונית
הצורך של התעשייה בכיסוי מאוד רחב-פס, ברמות הספק מוצא גבוהות מטופל על-ידי ADI בשורה של מגברי מצב מוצק מבוססי GaN. חלק מהמערכות שואפות למלא דרישות אלה תוך שימוש במגברים “מתועלים” או מרובים, כאשר כל אחד מכסה חלק מהספקטרום הדרוש תוך הזנת מרבב. דבר זה מוביל לעלות מוגברת, מורכבות וגורם למרווחים בכיסוי בנקודות הצטלבות התדר של המרבב. בפרק זה אנחנו מציגים שני מגברים, אחד המכסה את ה-VHF המלא עד לתחום ה-L, והאחר מכסה את ספקטרום המיקרוגל עד 18 גיגה-הרץ.
Analog Devices פיתחה מגבר קטן ביותר, עשיר בתכונות, מרובה-אוקטאבות, בעל הספק גבוה, לשם פעולה בתחומי הספקטרומים VHF עד S. מגבר הספק זה מציע רמות הספק גבוהות של +46dBm (40 ואט אופייני) מאות מבוא נומינלי של 0dBm, עם כיסוי מלא בין 115 מגה-הרץ עד 2000 מגה-הרץ. מזווד במתקן קומפקטי בעל גיאומטריות פיסיקליות של מגבר זה מכיל פונקציונליות של בדיקה מובנית (built-in-test BIT) לשם הגנה תרמית ושל עומס-יתר בזרם, דיווח טלמטריה וממיר DC-DC משולב לשם ביצועי RF ללא פשרות בעלי הספקות מבוא +26 וולט עד +30 וולט.
איור 4. הספק מוצא כנגד תדר במגבר 2-18 גיגה-הרץ
נתוני מדידה אופייניים עבור המגבר בתחום VHF עד L מוצגים באיור 3. כדי לטפל ביישומי פס-רחב מעל 2 גיגה-הרץ ADI מציעה מגבר המפיק 50 ואט בתוך כל התחום בין 2 ל-18 גיגה-הרץ. מגבר זה משתמש ב-MMICs GaN של 10 ואט הזמינים מסחרית, משולבים תוך שימוש במעגל ערבל (combiner) בעל פס רחב והפסד נמוך.
ניתן לשלב בתורם מגברים רבים כדי לפתח הספקי מוצא גבוהים עד כדי 200 ואט. שרשרת המגבר המניע מבוסס גם על GaN. המגבר פועל מ-48 וולט DC ומכיל מווסת מתח פנימי ומעגלי מיתוג מהירים כדי לאפשר פעולה בפולסים עם נאמנות פולסים וזמני עלייה ונפילה טובים. מפרטים של מגבר זה מוצגים בטבלה 2.
ביצועי הספק מוצא כנגד תדר עבור מגבר זה מוצגים באיור 4. מגבר זה של 50 ואט הוא אחד מתוך משפחה של מגברים המכסים את התחום 2-18 גיגה-הרץ. ADI מציעה גם מגבר שולחני קומפקטי המפיק 12 ואט, המוצג באיור 5 , ויחידה מורכבת על כונן המפתחת 100 ואט. מגברים אחרים המציעים כיסוי בין 2-6 ו-6-18 גיגה-הרץ נמצאים בשלבי פיתוח.
ADI גם פועלת להגדלת הספק המוצא של מגברים רחבי-פס אלה מהרמות הנוכחיות לרמות הספק של 200 ואט ויותר, ומפתחת מודולים בעלי הספק מוצא מוגדל כמו גם ערבלי הספק RF רחבי-פס המציעים יעילות שילוב משופרת ביותר ופחות הפסדים מאשר אלה המשמשים במוצרים שוטפים.
איור 5. מגבר 2-18 גיגה-הרץ, 12 ואט
הכוח של GaN
במאמר זה סקרנו דוגמאות אחדות של מערכות מגברים מבוססות GaN. כל המוצרים האלה מציעים שיפורים משמעותיים בהספק המוצא, היעילות והאמינות לעומת אלה של מוצרים המוצעים בצורה שוטפת.
עלויות חוזרות ליחידה אמורות להמשיך ולצלול בשעה שיותר יצרני GaN עוברים לממדי שבב גדולים יותר.
מערכות הפועלות בתדרים של גלים מילימטריים יראו יותר שימושים של התקני GaN בשעה שאורך השער מוקטן, המאפשר פעולה בתדרים גבוהים יותר. ברור שהמגמות המעלות ביצועים ומפחיתות עלויות בנושא יימשכו בעתיד.
