ריק קורי, סקייוורקס

האם עברו רק 20 שנה מאז ש-:
• כמעט כל רכיבי ה-RF היו התקנים דיסקרטיים בעלי פונקציה יחידה?
• ניתן היה להזמין כמעט כל רכיבי ה-RF המזוודים בכל סוג מארז שרצית, בתנאי שמה שרצית היו מארזים מתכת-קרמיים יקרים?
• מעגלים משולבים ל-RF לא יקרים היוו מושג הזוי?
מצב הטכנולוגיה באלקטרוניקה התקדם בקצב מואץ, ותחום ה-RF/מיקרוגל איננו יוצא מן הכלל. אנחנו דנים בטכנולוגיה זו מידי יום, ורבים מקוראינו מעורבים ישירות ואחראים לשינויים מהירים אלה. אנחנו כה שקועים בהתקדמות זו שלעתים איננו יכולים להבחין בעץ בגלל היער. אם נצעד לרגע אחורנית ונחשוב כמה רחוק  התעשייה שלנו  הגיעה בפרק זמן כה קצר, אנחנו עשויים להימנע מהתחושה שיש לנו הרבה משותף עם הדמות הקלאסית Rip Van Winkle של Washington Irving.
Van Winkle היה שוטה-הכפר החביב, וחייו התנהלו בין התקופה הקולוניאלית המאוחרת והרפובליקנית המוקדמת של ארה”ב. יום אחד הוא נסע לצייד בהרי Catskill, אם כי יש לשער שהוא הונע יותר על-ידי הצורך בהימנעות ממבטיה והצקותיה הביקורתיים של אשתו מאשר מהרצון להביא הביתה משהו לארוחת הערב. בהיותו ביער, הוא פגש את רוחו של Hendrick Hudson והוכשף על-ידו, ושתה ממשקה הקסם שלו אשר גרם ל-Rip לצלול לתוך שינה של 20 שנה. כאשר הוא התעורר בדיוק במקום בו נרדם, לא היה לו מושג כמה זמן עבר, עד שלבסוף הוא מצא את דרכו לכפר שלו, רק כדי להיות המום מהמידה בה הכפר, התושבים שלו והתרבות שלהם השתנו.
זאת מבלי להזכיר את העובדה שהוא נרדם כנתין של מלך בריטניה והתעורר כאזרח של הרפובליקה החדשה של ארצות הברית.
אנחנו נוטים להתבונן במצבם של רכיבי ה-RF בטלפונים החכמים של היום ויישומים אחרים, כגון מחשבי טבלט, מבלי לחוש אהדה יתירה ל-Rip. לפני עשרים שנה, התקני RF דיסקרטיים היו כמעט ללא יוצא מן הכלל פריטים גדולים, יקרים ובעלי פונקציה יחידה. לדוגמה, מעגלי מגברים היו מורכבים מטרנזיסטורים, נגדים, קבלים וסלילים דיסקרטיים שניתן היה להבחין בהם מבלי להזדקק לזכוכית מגדלת או למיקרוסקופ! כיום מגברי RF של טלפונים חכמים כלולים כמעט כולם במעגלים משולבים או מודולים מרובי-פונקציות המסוגלים לבצע גם תפקידים כמו מיתוג RF, סינון, גילוי הספק והכנות לבקרת שבח אוטומטית – והכול במארז שהוא רק 25% מגודל הרכיבים שב”ימים עברו”, ובחלק קטן ממחירם.
מתגי מצב מוצק single-pole-ten-throw (SP10T) היו קיימים, אך הם היו כמעט במלואם בנויים מדיודות PIN דיסקרטיות המותקנות בתושבות מתכת מחולקות לערוצים ומיוצרות במכונה,ומיועדים לשוק ציוד אמצעי-הנגד. כיום אנחנו מוצאים SP10Ts מטרנזיסטורי FET (field effect transistors), ומתגים בעלי מספר אף גבוה יותר של מצבים, במארזים זעירים מורכבים על השטח לשימוש בין אנטנה יחידה ומקלטים שונים (לדוגמה GPS) ומקמ”שים (לדוגמה EDGE, GSM, WCDMA, LTE, Bluetooth, WLAN ועוד) הכלולים בתוך מסופי הנתונים הידניים המשמשים בעיקר לצורכי שירותי אינטרנט בעל חיבור רציף, ורק לעתים עבור תקשורת קולית.
אף אם RFICs חכמים מציעים פונקציות אנלוגיות, קיים דמיון חשוב בהשוואה למיקרו-מעבד הנפוץ, הדיגיטלי במלואו – היכולות של הRFICs- שפותחו עבור יישומים חכמים הורחבו בצורה אקספוננציאלית, בשל הרמה הגוברת של אינטגרציה, בהשוואה לדורות הקודמים, בדומה למה שחוק Moore מנבא עבור התפתחות מעגלים סיליקון דיגיטליים בהם מספר הטרנזיסטורים לפיסה מוכפל בערך כל שנתיים.
נעיין במתג RFIC SPDT  פשוט משדר/קולט. בצורתו הפשוטה ביותר, ה-RFIC מכיל רק שני FETs. גרסה בעלת ביצועי בידוד RF משופרים מאוד הנפוצה כיום מכילה ארבעה FETs ענקיים: זוג טורי-מקבילי בצד המשדר ותמונת הראי שלו בצד הקולט של המתג. מתג SP10T חדיש, הממוקם במארז יחיד 3×3.8 ממ’, כולל: פיסת מתג GaAs RF עם למעלה מ-40 FETs, פיסת סיליקון מפענח/מניע עם כמה אלפי FETs, ופיסה שלישית הכוללת זוג מסננים פסיביים מעבירים-נמוכים לשם הקטנת השידורים ההרמוניים ממגברי ההספק GSM, המזינים שתיים מפיתחות המבוא של המתג. התקדמנו מהשלב של גאוות-טווס על IC בעל פונקציה יחידה, כאשר את ההתקנים הפעילים שלו ניתן למנות על יד אחת (עם אצבע אחת רזרבית!) עד המציאות של היום עם מוצרים הרבה יותר משולבים, בעלי פונקציות מרובות, מצטיינים ובעלי ערך באותה המידה, אך גם מוצגים של צעד-ביניים טכנולוגי אל מוצרים עוד יותר עוצמתיים.
היבט חשוב של חוק Moore, כפי שהוא תיאר אותו ב-1965, מתייחס לעלות הייצור כנגד מספר הרכיבים לכל מעגל משולב. הוא קבע שקיים מספר אופטימלי של התקנים לפיסה הגורמים לעלות הייצור המינימלית, וכי מספר אופטימלי זה עולה ככל שטכנולוגיית השילוב משתפרת. למרבה המזל, עקרון זה תקף גם לגבי ה-RFICs, בין אם הם מיוצרים בסיליקון או ב-GaAs. הכפיל המודרני של חברנו Mr. Van Winkle עשוי להיות מופתע מהעובדה שעל-אף שרמת הפונקציה של RFIC עבור טלפון חכם עלתה דרמטית, מחירו צנח באותה המידה.

בסיפורו של Irving, Rip חי עד גיל מבוגר ומכובד תחת טיפולה של בתו לאחר שהוא התאים עצמו לעולם החדש ואף אימץ אותו. אם כי בהחלט יותר קשה לחזות במדויק את עתידנו מאשר לספר על תולדות Rip, תחזית אחת מהווה הימור בטוח: בתחום ההתקדמות לטכנולוגיית רכיבי ה-RF המונהגת על-ידי מהפיכת הטלפון החכם, המיטב עדיין עתיד לבוא – אף עם יותר פונקציונליות במארזים קטנים יותר ובעלות נמוכה יותר.

אינטגרציה היתה תהליך קריטי לגבי אלקטרוניקת ה- RF בשפופרות טלפון ניידות, אם כי נוקשה לשילובו בציוד תשתית. הפשרה הקלאסית בהשגת אינטגרציה הייתה הבחירה בין השימוש ברכיבים דיסקרטיים, בעלי הביצועים המעולים יותר שלהם, או מעגלים משולבים בעלי הממדים הזעירים שלהם. לאחרונה, Analog Devices פיתחה סדרה של מעגלי phase-lock-loop (PLL) המשלבים גם אפננים במופע/ניצבים (I/Q), מתנדים מקומיים (local oscillators- LOs) ובלוּני מוצא (output baluns) בתוך מארז של6×6  ממ’. ה-RFICs משתמשים בטכנולוגיית SiGe BiCMOS כדי להשיג ממדים קטנים מבלי לפגוע בביצועים החשמליים. שמונת ההתקנים במשפחות ADRF660X ו-ADRF670X מספקים מוצאי RF מ-300 עד 3600 מגה-הרץ התומכים במגוון רחב של תקני תקשורת אלחוטית. (המשך…)

במהלך שני העשורים האחרונים חלה תמורה לא מעודנת במיוחד באופן בו מתכננים מעגלי RF. התחום התחלק בפועל לשתי התמחויות-משנה: משלב (integrator) מערכות ומתכנן רכיבי RF. מהנדסי יישומי RF מתבקשים יותר ויותר למלא את הפער בין שני המחנות.
מתכנן ה-RF העמל ליצור מערכת פעילה או מוצר סופי, דוגמת מקמ”ש רדיו בטלפון סלולרי או נתב נקודת גישה ב-WLAN, הפך למשלב “קופסה שחורה” המזווג במומחיות מעגלים משולבים נפרדים ורכיבים דיסקרטיים מיצרנים שונים לתוך מוצר הפועל בצורה חלקה, והוא גם בעל בעלות-תועלת טובה. אולם מומחיות זו באה על-חשבון ההזדמנות לרכוש ניסיון בתכנון ברמת הרכיבים הדיסקרטיים. (המשך…)

הדרישה לתקשורת אלחוטית ממשיכה לעלות עם מספר הולך וגדל של משתמשים ושירותים חדשים.  כמו כן תנועת התקשורת האלחוטית נעה מתקשורת קולית למידע הצורך קצבים מהירים יותר. (המשך…)

ברבים מבין תקני הנתונים הטוריים של הדור הבא יש צורך מעתה לבצע במקלט השוואת ערכים (Equalization), על מנת לפצות על הפסדי הנפיצה (Dispersion) בשידור מלוח האם. בדרך כלל, האות שעבר השוואת ערכים קיים רק בתוך שבב המקלט, ואין אפשרות לבדוק אותו באמצעות גשוש [Probe]. על מנת לאמת את האות הפנימי הזה, יש להשתמש בשיטה המאפשרת צפייה באות הזה בתוך המקלט. כתוצאה מהפסדים בערוץ, אותות בתדירות גבוהה נפגעים, ולעומתם אותות בתדירות נמוכה יותר נותרים ללא פגע. בדיקה בפיני המארז של המקלט והשוואת ערכים בתוך מערכת המדידה יגבירו את הרעש בתדירות הגבוהה ויגרמו לאפיון לא מדויק של ההתקן. נוצר אם כן הצורך בשיטה לבדיקה וירטואלית בתוך שבב המקלט.
הצורך בהשוואת ערכים מבוסס על השפעות של קו השידור על אותות נתונים טוריים מהירים. באיור 1 ניתן לראות את תבניות העין (eye) שהתקבלו בפיני המארז במקלט, לאחר שידור לאורך לוח אם של 61 ס"מ. ב–2.51 ג'יגה–סיביות בשנייה, תבנית העין בקצה הרחוק של לוח האם תציג איכות אות מצוינת. כאשר במוצא של אותו משדר יש אות של 5.1 ג'יגה–סיביות בשנייה, תבנית העין תתעוות ויופיעו הפרעות בין–סמליות (Inter–symbol) רבות. ב–9.75 ג'יגה–סיביות בשנייה עם שימוש באותו מקלט, אותו משדר ואותו לוח אם, תבנית העין תהיה סגורה לגמרי בצד המקלט. וכאשר שפות צורת הגל אינן מוגדרות בבירור, אין אפשרות לבצע מדידת ריצוד (Jitter) באות זה.

איבוד שלמות האותות בלוח האם הוביל לא פעם את המתכננים העוסקים בנתונים טוריים מהירים לכלול בתוך שבב המקלט מעגל השוואה (Equalizer). מאחר שמעגל ההשוואה נתון במארז פלסטי, לא קיימת גישה אל האות. לפעמים האות בקצה המרוחק של לוח האם, בפיני המקלט, אינו תואם לאות שבתוך שבב המקלט. במקרה של 10 ג'יגה–סיביות בשנייה, אפשר לראות שתבנית העין אינה שמישה כלל בצד המרוחק של לוח האם. ועם זאת, בתוך שבב מעגל השוואה של המקלט תבנית העין תהיה תקינה. למתכננים של נתונים טוריים מהירים יש צורך לעתים לאמת את שלמות האותות במעגל ההשוואה שבמקלט. נוצר הצורך לצפות באות בדרך אחרת.
תקני אותות רבים, שנמצאים כיום בפיתוח, מגיעים ואף עוברים קצבים של 5 ג'יגה–סיביות בשנייה. ההפסדים בערוץ גורמים לפגיעה באותות בתדירות גבוהה ואינם פוגעים באותות בתדירות נמוכה. ערך אופייני להפסדי נפיצה באות NRZ מהיר, המשודר על פני לוח אם של 76 ס"מ בשרת, הוא –4 dB ב–1.25 ג'יגה–הרץ. ההפסד מגיע ל––8 dB באותו לוח אם עם 2.5 ג'יגה–הרץ (5 ג'יגה–סיביות בשנייה) גודל ההפסד גורם לעיוות משמעותי באות בקצה המרוחק של לוח האם. הפסד של –25 dB נגרם ב–5 ג'יגה–הרץ (10 ג'יגה–סיביות בשנייה) והופך את האות לבלתי שמיש אם אין מבצעים בו השוואת ערכים במקלט.
שימוש באמולציה של מעגל השוואה אידיאלי מאפשר אמולציה של מעגל השוואה בקונפיגורציות שונות, בהן גם FFE (feed-forward equalizer) ו–DFE (Decision Feedback Equalizer). רכיב מעגל ההשוואה יכול להפיק את צורת הגל לאחר ההשוואה, את צורת הגל של הנתונים המפוענחים ביציאה, ואת צורת הגל ביציאת אות השעון המשוחזר. על צורות גל אלו אפשר לבצע באופן ישיר השוואה ומדידה כדוגמת מדידת תבנית עין, הערכת קצב שגיאות הסיביות והפקת ריצוד אקראית ובתכנון מראש.
 
בדיקת גשוש וירטואלית מאפשרת למשתמש לבדוק באופן פיסי צומת אחד במעגל תוך כדי מדידה של תגובה במיקום אחר. בבדיקה נכללת היכולת לבצע הרכשה של צורות גלים שהיו קיימות בקונפיגורציות מעגל שונות מהקונפיגורציה המשמשת בפועל למדידה. אפשר ליצור מודל של רכיבים פסיביים ליניאריים באמצעות פרופילי העכבה [אימפדנס] בפרמטר S. על ידי יצירת רשימת רכיבים ברשת ושילוב של נתוני פרמטרי S, המערכת יכולה לגזור מסנן שמייחס את האות הנמדד הרצוי לצורת הגל שנרכשה. לדוגמה, אפשר לבצע מדידות כאשר קיים האות הנקי ביותר האפשרי, בדרך כלל, בצד המשדר, ואפשר לקבל סימולציה של האות המעוות בקצה המרוחק תוך כדי הסרת רעש גשוש הבדיקה והמכשור מהמדידה. המסנן שנגזר לוקח בחשבון את פעולות הגומלין בתוך המערכת, כולל המרה ממצב הפרשי למצב מיוחס וערב דיבור [Crosstalk] בקצה הקרוב ובקצה המרוחק.

אפשר להשתמש בבדיקת גשוש וירטואלית לצורך אמולציה של לוח אם. אפשר לתכנן מודל של לוח אם באמצעות תוכנת תכנון ולשמור אותו כמודל פרמטר S. על ידי הוספת מודל זה למשקף תנודות [אוסצילוסקופ] ושימוש באותות אמיתיים, המתכננים יכולים לקבוע במהירות את ההשפעה של תכנונים שונים הרבה לפני יצירת אב טיפוס. אותות חיים המוזרמים מהמשדר אל לוח האם הווירטואלי מאפשרים לבצע מדידות בצד המרוחק של מודל הערוץ הווירטואלי.
בשלב התכנון אפשר לבצע סימולציה של עשרות או של מאות תכנונים אפשריים כמודלים. אפשר לייצא את התכנון מכלי הדמיה (לדוגמה, ממודל SPICE) ולשמור אותו כאבן בוחן של פרמטרי S. אפשר להוסיף קובץ בסיומת .s4p כמודל בדיקת גשוש וירטואלי, ולאחר מכן, במדידה בצד המשדר בלבד עם אותות אמיתיים, אפשר לבצע בדיקת גשוש וירטואלית בקצה המרוחק של לוח האם, מבלי להשתמש בלוח אם ממשי. ניתן לטעון כל מודל לתוך קובץ התיאור של המערכת ואת התוצאות של מודל לוח האם שנבדק באמצעות אותות אמיתיים. בשלב התכנון הבא, אפשר יהיה ליצור אבות טיפוס ולקבל את פרמטרי S עבור כל אב טיפוס באמצעות נתח רשת וקטורי [VNA] או באמצעות מדידת החזרות במישור הזמן [TDR]. לאחר מכן, יוחזר המודל אל תוך המערכת כדי לאפשר בדיקה של כל אחד מאבות הטיפוס, מבלי שיידרש לגשת לחומרה. בשלב התכנון האחרון אפשר לייצר לוחות אם במיקום אחד ולבדוק אותם במיקום אחר, מבלי שיהיה צורך בהובלה פיסית של חומרה כלשהי. יש לשים לב שלעולם לא יהיה צורך לחבר לוח אם ממשי אל המשדר במהלך אחד משלבי התכנון האלו.
בדיקת גשוש וירטואלית אינה דורשת שימוש בגשושים והיא נפוצה למדי בשימוש במערכות עם כבלים. לדוגמה, אפשר לחבר משדר המצויד ביציאות SMA הפרשיות לקצה הקרוב של לוח אם אמיתי. בעת השוואה של הקצה הקרוב של לוח האם, אשר נבדק בגשוש באופן פיסי, עם תוצאות של בדיקת גשוש וירטואלית בצד הרחוק של לוח האם, צורות הגלים הנרכשות בקצות המודל של לוח האם הנבדק בגשוש באופן פיסי ושל אלו הנבדקות באופן וירטואלי יהיו תואמות באופן מדויק, כמעט. אפשר להפוך את המודל למדויק עוד יותר על ידי הוספה של פרמטרי S עבור הכבלים בצד המרוחק בטור למודל לוח האם.
 
בדיקת גשוש וירטואלית יכולה גם לשמש לביטול השיבוץ של גשושים. כאשר גשושים והתקני בדיקה יוצרים מגע עם יחידה הנמצאת בבדיקה, הנוכחות שלהם במעגל משפיעה על ההעמסה הקיבולית וההשראותית של היחידה, ובנוסף הם תורמים לתופעת העמסה על צורת הגל המוצגת במשקף התנודות. באיור 3 ניתן לראות תבנית עין של התקן המועמס בגשוש ושל ההתקן כאשר עומס הגשוש מוסר. כאשר השהית ההצגה במצב מופעל, הפרש העומס נראה בקלות בשפה העולה של תבנית העין. בדיקת גשוש וירטואלית מאפשרת למשתמש לבטל את ההשפעה של העמסת הגשוש, כשהיא מסירה את השפעת הגשוש מהמדידה. יצירת דיאגרמת רשת והוספה של פרמטרי S למערכת יאפשרו למשקף התנודות לפענח את תגובת המערכת, במצב שבו יש השפעה להעמסת הגשוש ובמצב שבו אין השפעה. כך מתאפשר למשתמש לבצע בדיקת גשוש במערכת ולקבוע את תגובת המערכת הקבועה שהייתה מתקיימת ללא חיבור גשוש.

בנוסף, אפשר להשתמש בטכניקה זו למדידת הפחתת רעש. כפי שמוצג באיור 4, עבור אותות הנתונים הטוריים המהירים, הערוץ מנחית לעתים את התדירות הגבוהה אל מתחת לרצפת רעש המדידה של המערכת המשמשת לאפיון. לכן, בדיקת גשוש בפיני המארז של המקלט, ולאחר מכן, ביצוע השוואת ערכים באות הצד המרוחק בתוך מערכת המדידה יגביר באופן משמעותי את רמות הרעש בתדירות הגבוהה ויביא לאפיון לא מדויק של ההתקן. במטרה למנוע בעיה זו, בדיקת גשוש וירטואלית מאפשרת בדיקת גשוש פיסית בפיני מארז המשדר וביצוע הדמיה של השפעות לוח האם לאחר מכן. כדי למנוע את ההשפעה של רעש המדידה במקלט, אפשר לבדוק בגשוש את המשדר ולקבל יחס מצוין של אות לרעש, ולאחר מכן, לבצע בדיקת גשוש וירטואלית בתוך שבב המקלט כדי לצפות באות, לאחר השוואת הערכים. במצב זה הרכשת האות נעשית בסביבה שבה החוזק שלו גדול בהרבה מרמת הרעש והוא אינו נתון למגבלות רעש המדידה שהיו קיימות בבדיקה פיסית בפיני המקלט. כעת אפשר לבצע השוואת ערכים באות המדויק הזה, למען קבלת אמולציה אידיאלית של מעגל ההשוואה, כדי להציג את תגובת מעגל ההשוואה האידיאלי בתוך המקלט.

לסיכום, טכניקות אלו יכולות לבטל או לפצות על צורות רבות של עיוותים ובכך להגדיל את יחס האות לרעש, לפתוח את תבנית העין, להגדיל את זמן העלייה, לבטל את תגובות הגשושים והתקני הבדיקה המשובצים, ולבטל את רעש המדידה. גורמים אלו מאפשרים מדידות מדויקות בתוך צמתים שאליהם אין גישה, וכן הפחתת ריצוד ושיקום של רוחב פס ונאמנות של אותות שאבדו, באמצעות שילוב של השוואת ערכים במקלט ובדיקת גשוש וירטואלית.

מהנדסי RF  מסתמכים על VNA (נתח רשתות וקטורי) על מנת למדוד פרמטרי-S של רכיבי ה-RF שלהם לצורך אפיון ושימוש עוקב בתכנון. בעיה אחת במדידה היא שהרכיבים הללו הינם מיועדים לעיתים קרובות להתקנה עילית (SMD) ואינם מתחברים ל-VNA ישירות. (המשך…)