מהפיכה בגלים קצרים

הטכנולוגיות בתחום ה-RF והמיקרוגלים מתפתחת בקצב תזזיתי. שמואל אוסטר עושה סדר בדברים, לקראת עוד כמה יישומים מפתיעים שצפויים בעתיד

מערכות תקשורת וגילוי משחקות תפקיד חשוב בחיינו מבלי שרבים יודעים כי הבסיס לפעולתן הוא טכנולוגיות המיקרוגל. שידור חי בטלוויזיה בסיוע תקשורת לוויינית, פעילות התעופה אזרחית וצבאית בכל מזג אויר ותעבורה טלפונית בין עירונית הן רק חלק מהיישומים של מערכות אלו. תעשיית המיקרוגל צמחה בעיקר מיישומים צבאיים, הודות להשקעות עתק שביצע משרד ההגנה האמריקאי בקידום מואץ של ההנדסה, הטכנולוגיה, הייצור והמדידות של התקנים, מעגלים ורכיבים אלקטרונים לתדר גבוה. השקעות, שמאוחר יותר אפשרו את הזמינות של שרשרות אספקה מהטרנזיסטור והשבב ועד מערכות המכ"ם, התקשורת הניידת וה- GPS המשמשות עד היום את המגזר המסחרי, הצבאי ואת תעשיית החלל.

טכנולוגיה בת 60 שנה

תנור המיקרוגל המסחרי הראשון פותח ונבנה בחברת Raytheon שבארה"ב בשנת 1954. משקלו היה כ- 340 ק"ג, גובהו כמטר וחצי, והוא עלה כ- 5000 דולר. כדי להתקין אותו היה צורך בחיבור אינסטלציה של צינור מים לקירור שפופרת המגנטרון. עם השנים השתפרו ביצועי התנור. הגודל, המשקל והמחיר קטנו וקירור המים הוחלף במפזר חום.

השימוש המסחרי לצריכה המונית במערכות מיקרוגל החל בתחילת שנות ה- 70 לאחר הופעתם של התקני מצב מוצק זולים. התקנים אלו אפשרו מעבר לייצור המוני של מוצרי מיקרוגל כמו טלפונים ניידים, אזעקות נגד גנבים, מערכות מניעת תאונות לרכב וטלמטריה של מידע רפואי.

הדרישות ממערכות המיקרוגל המודרניות הופכות להיות תובעניות מתמיד. תחומי תדר עד 350 גה"צ, יישומים רחבי פס, גישות מערכת קוגניטיביות, ליניאריות גבוהה, שיפור יעילות בהספקים הגבוהים, מקלטים דלי רחש, הוזלה, מזעור, הקטנת משקל ושיפור אמינות בתנאים קשים הן רק חלק מהרשימה. כדי להשיג מטרות אלו, נדרש מאמץ רב תחומי במגוון טכנולוגיות המיקרוגל. החל בחומר, ההתקן האלקטרוני, העיבוד, ההרכבה, הזיווד, ארכיטקטורה המערכתית ועיבוד האות הדיגיטלי.

יישום של טכנולוגיות מיקרוגל

החל משנת 2005, נחשבים טרנזיסטורי הספק RF של גליום ניטריד (GaN) ומאוחר יותר ה- GaN MMICs, ל'דבר הגדול הבא" בחצאי מוליכים מורכבים לשימושי RF ומיקרוגל. ההתחלה של פיתוחים אלו הייתה ביוזמתו של משרד ההגנה האמריקאי (DOD) שהחליט להשתמש בטרנזיסטורים החדשים בייצור מגברי חסימה נגד מטעני נפץ מאולתרים שנועדו למלחמה בעיראק ואפגניסטן. הדחיפות המבצעית גרמה לכך כי המעבר משלב הפיתוח לשלב הייצור התבצע בזמן קצר מהמתוכנן ולכן נתוני האמינות ושאר הערכות הביצועים היו רחוקים מהוכחה בזמן השימוש הראשוני בשטח. אף על פי כן, ההצלחה של תוכניות הRCIED והCREW בארצות הברית איפשרה את השימוש בטרנזיסטורי הGaN ביישומים אחרים כדוגמת מערכת מכ"ם מסוג AESA (מכ"ם מערך מופע אקטיבי).

מערכת זו יכולה לייצר מספר רב של אלומות משנה בתחום תדרים רחב כדי לציין מטרות רבות, מצד אחד, וגם לרכז את כל האלומות לייצור מופע של מפתח בודד, מאידך. כתוצאה מכך, מודול T/R יחיד אינו צריך לספק יציאה עם הספק RF גבוה מאד כיוון שהשבח של הרבה אלמנטים באנטנה (שבכל אחד מהם נמצא מודול (T/Rיוצר את ה- ERP הנדרש. היות והמגמה היא להגדיל את הספק הRF ביציאה של אלמנט בודד, יש צורך במגברים רחבי פס מבוססי GaN בעלי צפיפות הספק גבוהה.

ההתפתחויות הטכנולוגיות בתחומי הטרזיסטורים, MMICs ו- RFICs, הגדילו את היקף היישומים של טכנולוגיית המיקרוגל. החל בתחום הטלקומוניקציה (תקשורת רחק) אלחוטית, תשתיות אלחוטיות, שידור (broadcast), תקשורת לוויינית, מערכות לרכב, מערכות למטוסים, תצפית מלוויינים, רדיו-אסטרונומיה, חיישנים תעשייתיים לעיבוד ולבקרת איכות, מערכות בטיחות ובטחון, שמירת הבריאות (אבחון וטיפול), מערכות הגנה צבאיות, ציוד בדיקה ומדידות, מערכות קרקע לחיזוי מזג אוויר, מערכות גבייה, מערכות תו
בלה/> אינטליגנטיות, מערכות ניווט
GPS, RFID ועד מלאכת הבישול במטבח בבית הפרטי.

GaN לעומת GaAs

ה- PAE (Power-added efficiency) של הGaN דומה לזה של הGaAs אבל צפיפות ההספק שלו היא פי 10 לערך בפריפריה של הgate. מגבר הספק מבוסס GaN יכול לספק יותר מ-100W עם יעילות של 50 אחוז או יותר. נתונים אלו תומכים ברעיון של השגת מערך  1KW CW דרך מסכם הספק של 4 או 8, לפי רמת ההספק של הרכיב הבודד (אבן הבניין) במערך.     

מחיר צפיפות ההספק הגבוהה של ה- GaN בא לידי ביטוי בכמויות החום הגדולות שהוא מייצר ומפזר ברמת ההתקן, המכלול והמערכת. עם אלפי האלמנטים השזורים במערכת מכ"ם שבכל אחד מהם מגבר הספק GaN, פעולת פיזור החום איננה פשוטה ונדרשות טכנולוגיות חדשות ומתקדמות שיעשו זאת. אחת המבטיחות שבהן, היא השימוש במטריצה מרוכבת של מתכת אלומיניום-יהלום המחליפה את הנחושת-מולי-נחושת או חומרים אחרים המקובלים היום בתחום. כל מערכת מכ"ם, ל"א (חוסמי הדור הבא) או תקשורת המפעילה מגברי הספק גבוה על בסיס GaN תידרש לפיתוח או ליישום טכנולוגיות קירור מתקדמות לפיזור עומסי החום הגבוהים שהם יוצרים.

ל- GaN יש יתרון נוסף - היכולת לעבוד בתחום תדר רחב, במקביל להשגת שטיחות (flatness) משופרת בתחום התדר. יכולת זו מאפשרת שימוש במספר קטן יותר של מגברים, משפרת את היעילות ההנדסית ומביאה לשילוב מתח הפעלה גבוה עם צפיפות הספק גדולה יותר. כל אלה מאפשרים להגביר את ההספק בלי לשנות את הגודל פיזי (גורם הצורה) של הרכיב.

ל-GaN על SiC העברת חום טובה יותר למצע והוא מהווה שילוב מצוין לייצור MMIC. למרות זאת, יש המעדיפים GaN על סיליקון בשל מחירו הזול, גם אם מדובר על העברת חום נמוכה מאד יחסית ל-SiC. ללא קשר לסוג המצע, אין ספק כי ה- GaN מהווה חומר מפתח לדור הבא של טרנזיסטורים להספק גבוה בתדר גבוה. היעילות הגבוהה בשילוב עמידות בטמפרטורות גבוהות, מאפשר הקטנת דרישות קירור, הקטנת מפזר החום והגדלת תוחלת החיים יחסית ל-GaAs עם אותו הספק מוצא.

RFICs

אין ספק כי אנו מתקדמים לעידן בו מרבית הקישוריות הופכת לאלחוטית ויותר חברות המייצרות ציוד רפואי, התקני בקרה אלחוטיים וחיישני תשתית, משלבות במוצרים שלהן מקמ"שים (טרנסיברים) אלחוטיים בצורת מעגל מוכלל מסוג Radio Frequency Integrated Circuit (RFIC). רבים מהיישומים החדשים משלבים חיישנים עם העברה אלחוטית של נתונים, וכיוון שהתקני החיישן וה-RFIC יכולים להיות זעירים, זולים ומוכללים יחד, ניתן להשתמש בהם בכמויות גדולות וברשתות של חיישנים אלחוטיים. 

כדי ליצור מגברים, מערבלים ומקורות תדר הקיימים בכל טרנסיבר אלחוטי (מקלט/משדר) נדרשים המתכננים לטכניקות מעגל חכמות שיאיצו את הביצועים. 'אבני הבניין' האלחוטיים הללו מתחברים לאחר מכן בארכיטוקטורות שונות של מערכת, על מנת לקבל את הביצועים הנדרשים. באותו IC ניתן לשלב RF יחד עם פונקציות אנלוגיות ופונקציות עיבוד (דיגיטליות) באותו סיליקון, כאשר המטרה הסופית היא להגיע לשבב רדיו בודד שיתחבר ישירות לאנטנה.

הביקוש להגדלת רוחבי הפס ומהירות קצבי העברת מידע מאיץ את המעבר לתדרים גבוהים. יישומים מסחריים של RFICs ב-60 גה"צ בטכנולוגיית CMOS מתחילים להיות זמינים לציבור הרחב והשימוש בטכנולוגיות סיליקון לתדרים גבוהים הופך למציאות עם דחיפת תדרי המעבר FT  של ההתקנים ל- -400300 גה"צ ואף יותר.  

טכנולוגיות RF / מיקרוגל

מכשירי טלפון תאי הפועלים בתחומים הקרובים ל-1 ול- 2 גה"צ כוללים ראשי רדיו בכמה תדרים ובריבוי אופנים באותו גורם צורה או גודל כמו מודל חד אופן (Single-mode) מהעבר. כיום, מנצלת יחידת RF אופיינית של מכשיר מסוג זה מקמ"ש (טרנסיבר) מוכלל בסיליקון CMOS או BiCMOS המצומד למגברי הספק, מתגים, מסננים או דיפלקסרים ותערובת של טכנולוגיות GaAs HBT, GaAs PHEMT וגלי שטח אקוסטיים (SAW) אופיינית בשימוש הפונקציות שהוזכרו. מגמת הפיתוח של פונקציות אלו היא שילוב מהיר שלהן במודולים זעירים בהרכבה משטחית (surface mount) המאפשרים הקטנה של המכשירים, גם כאשר כמות הפונקציות ברדיו עולה.

טכנולוגיות גלים מילימטריים

פריסת תקשורות רדיו מנקודה לנקודה מתפתחת במהירות לצורך קישוריות בין תחנות בסיס של טלפוניה תאית והעברת נתונים (data) ברחבי פס גבוהים. מערכות אלו עובדות בתחומי התדר הגבוה, מרביתן ב- 23 ו- 38 גה"צ ומיושמות גם במגברי הספק ממיק בטכנולוגית GaAs PHEMT. בעבר שבבי MMIC HPA נבנו במודול היברידי רב שבבי על מצע קרמי יחיד ואילו היום משתמשים בהרכבת מארז ממיק משטחי (surface mount) על מעגל רב שכבתי (כמו LTCC). מגמת הפיתוח בתחום זה שואפת להגיע לשבב ממיק יחיד המשלב כמה פונקציות, כולל מגבר דל רחש ומגבר הספק עם מיתוג והמרת תדר שיציגו ספרת רחש נמוכה, צפיפות הספק גבוהה וליניאריות טובה. 

בתחום ה-77 ו-81 גה"צ צפויות להופיע בעשור הקרוב מערכות מכ"ם לרכב עם ריבוי פונקציות הכולל בקרת שיוט מסתגלת, אזהרה למניעת תאונה, סיוע בשינוי נתיב וסיוע בחנייה. טכנולוגיות GaAs מספקות פתרונות לפיתוח שבבים לכל אחת מהפונקציות שהוזכרו וביניהן GaAs VPIN למטריצות מיתוג, GaAs PHEMT למגברים ולמכפלים, InGaP HBT MMIC לשבבי ה- VCO והערבל. בתחום ה- 80 ועד 100 גה"צ מפותחות מערכות רדיומטריה פסיבית להדמיה מהיבשה והחלל, כאשר טכנולוגיית MHEMT מאפשרת מעגלים מוכללים דלי רעש בתחום תדרים זה. את הטכנולוגיה המתאימה ליישום בוחרים על פי רוב בהתאם לדרישות המפרט (ספרת רעש, הספק, בידוד) ובהתאמה לתדר.

עתיד המיקרוגל

אין ספק כי בעשורים האחרונים עבר תחום המיקרוגל מהפכה ומספרן של הטכנולוגיות הייחודיות תחת המעטפת RF ומיקרוגל, בתחום שבין רכיבים זעירים בדידים ועד למערכות מוכללות, גדל. פותחו חומרים, התקנים, פונקציונליות, זיווד, רכיבים ואנטנות. כל אלו קיבלו ביטוי ביישומים חדשים בתחומי הרפואה, התחבורה, הבידור, התקשורת, הבית החכם והמערכות האזרחיות והצבאיות. הצפי הוא כי מגמת חדשנות זו בתחום המיקרוגל תמשך והטכנולוגיות המתקדמות שאנחנו מפתחים היום, ישמשו בעתיד את ילדינו ביישומים חדשים ומפתיעים. 

הכתבה פורסמה לראשונה בגילון הראשון של ישראל דיפנס טק


אולי יעניין אותך גם

דעה | ישראל הרסה את השם של מערכות ההגנ״א הרוסיות - וזה פוגע במכירות 

הצבא הרוסי התחיל להלל את מערכות ההגנ״א שלו בסוריה ללא הוכחות להצלחות. למה עכשיו? פשוט. המערכות הרוסיות לא עוצרות את הישראליות והאמריקאיות ולקוחות התעשייה הרוסית מתחילים לשאול שאלות