מגברי הספק טרנזיסטוריים מתואמים לתחום תדר–L
מערכות המכ”ם האזרחיות והצבאיות מסתמכות כיום על מגברי שפופרות ריק (VAD), ועל מגברי מוליכים למחצה מהסוגים גאליום–ארסן (GaAs) וסיליקון, כדי לספק אותות בפולסים או של גלים רציפים בהספקים מוואטים בודדים ועד עשרות קילו–וואטים בתדירויות של גלי–מיקרו וגלים מלימטריים. למערכות מכ”ם אלו נדרשים מגברים מתקדמים עם יתרונות בהספק, ברוחב הפס, בנצילות ובגודל הפיסי הקטן.
מגברי GaN מתאימים עד מאוד כדי להחליף את הטכנולוגיה הקיימת. להקטנה המשמעותית של הגודל יש חשיבות רבה למערכות מכ”ם, מאחר שכדי להשיג את דרישות הספק המוצא, יש לצרף עשרות התקנים המאכלסים מקום רב. עובדה זו מקשה על מערכות ניידות המשתמשות במערך מופע (phased array) לעמוד במגבלות המשקל והגודל.
באמצעות טכנולוגיית GaN אפשר לפתח מגברים לתחום–L עם הפחתה משמעותית של הגודל. באיור 9 מופיע התקן המספק פולסים בהספק 500 וואט. בדוגמה נכללים טרנזיסטור הספק מתואם, רשת ביטול צימוד ממתח ורכיבי תיאום על המעגל והמעגל מספק פתרון של 50 אוהם מקצה לקצה. הפונקציונליות המלאה מושגת במעגל בגודל 5 x 5 ס”מ.
מארז הטרנזיסטור המתואם מכיל את שבבי טרנזיסטור GaN, רשתות פיצול ושילוב, מעגל תיאום וייצוב בטופולוגיה שכבר פורסמה. איורים 10 עד 12 מציגים ביצועי פולסים מדודים במתח drain של 65 וולט ופולס של 100 מיקרו–שנייה עם מחזור עבודה של 10%. מגבר ההספק מותאם באופטימיזציה לביצועי שיא בתחום 1.2–1.4 ג’יגה–הרץ ומספק 482–524 וואט בשיא ועם הגבר שיא גדול מ–13.5 dB ונצילות drain שיא של 62%–77% בכל טווח התדירויות. נפילת ההספק לרוחב הפולס קטנה מ–0.2dB, כלומר התכונות התרמיות של ההתקן והמארז אינם מגבילים באופן משמעותי את ביצועי ההתקן.
ובנוסף, המגבר מספק יותר מ–370 וואט בתחום 1.1–1.5 ג’יגה–הרץ באותם תנאי ממתח ופולס. הגבר השיא לרוחב פס זה גדול מ–12.7 dB ונצילות ה–drain בתחום זה – 51%–61%.
ההתקן לתחום–L מספק פתרון 50 אוהם של 500 וואט בפולסים בשטח מעגל של 5X5 ס”מ. פתרונות אחרים דורשים שטח מעגל גדול בהרבה, בעוד הפתרון בטכנולוגיית GaN קומפקטי בהרבה ומאפשר גמישות בפרישת הרכיבים במשדר.
מגברי Doherty רחבי פס להספק
קונפיגורציה של מגבר Doherty יוצרת מגבר בעל נצילות גבוהה באמצעות שני התקנים הפועלים בתנאי ממתח ועכבות (“אימפדאנס”) עומס שונים. המגבר העיקרי (carrier) מטפל בדרישות הספק המוצא “בממוצע” בעוד מגבר תנאי השיא פועל בתנאים שמאלצים אותו להוליך זרם רק כאשר נדרש הספק שיא. ככזה, מגבר Doherty מתאים במיוחד לאותות המשתנים באופן סטטיסטי עם יחס גבוה בין השיא לממוצע, בדומה לאלו הנמצאים במערכות תשתית של תקשורת ספרתית.
מגברי Doherty משתמשים באפנון עומס ומאפשרים למגבר העיקרי לעבור בין נצילות גבוהה לבין תנאי הספק שיא. מגבר תנאי השיא מספק את הזרם הנדרש במצב של תנאי שיא ויוצר את אפנון העומס, כפי שהוא נראה על ידי המגבר העיקרי. כתוצאה מכך, המגבר העיקרי פועל במצב של נצילות גבוהה ברוב תחומי טווח אות הכניסה. כאשר נדרש, שני ההתקנים מספקים את הספק השיא. אפשר לבצע בקלות ליניאריזציה של מעגל Doherty המתוכנן היטב, בעזרת אלגוריתמים ספרתיים רגילים לטיפול בעיוותים בהיפוך (pre–distortion) וחומרה.
המעגל שתוצאות הביצועים שלו מוצגות באיורים 13 ו–14 מיועד לכיסוי הטווח 2.5–2.7 ג’יגה–הרץ. איור 13 מראה שהתכנון מספק הגבר של 12.8 dB עם שינויי הגבר של פחות מ–0.5 dB ונצילות drain של 44%–47.5% בתחום 2500–2700 מגה–הרץ, בהספק מוצא ממוצע של 45 dBm וביחס שיא לממוצע (PAR) של 7.5 dB באות הכניסה. איור 12 מראה שבתנאים של פעולת WiMAX (PAR של 9.8 dB) נצילות drain של המעגל היא 38.6% וההגבר 12.8 dB בהספק מוצא של 42.25 dBm וגודל EVM של 1.25%.
התוצאות גם מדגימות את היתרונות של עכבות החיבורים הגבוהות של GaN כשהמעגל תוכנן בגמישות המתאימה לכיסוי פסי שידור מרובים בתחום 2.4–2.8 ג’יגה–הרץ בתשתיות אלחוטיות עם רוחב פס מיידי בת”ר (RF) גדול מ–15%.
בדומה לטכנולוגיות אחרות של טנזיסטורי הספק, הגמישות בכוונון הפעלת המגבר לתנאי שיא מאפשרת ביצוע אופטימיזציה לאותות ספרתיים מאופננים כדוגמת WiMAX עם יחסי שיא לממוצע גדולים מ–10 dB. העכבות הגבוהות של חיבורי המוצא ושל מצבי הכיבוי וקלות האפנון הבסיסית של טכנולוגיית GaN מקצרת את זמן התכנון ואת המורכבות של מעגלי Doherty ומגדילה את גמישות המערכת ומכאן מאפשרת מיחזור של התכנון.
מעקב מעטפת
גישה נוספת להשגת נצילות גבוהה למערכות תקשורת ספרתית היא מעקב מעטפת (Envelope Tracking – ET) השיטה משתמשת במעטפת של אות הכניסה כדי לדחוף מתח אספקה למגבר ת”ר ובכך מאפשרת למגבר להישאר במצב רוויה בנצילות גבוהה בחלקו העיקרי של אות הכניסה המאופנן באופן ספרתי.
טכנולוגיית GaN במתח גבוה מתאימה היטב למערכות ET בזכות מתח הפריצה הגבוה, עכבת החיבורים הגבוהה, קיבול המוצא הנמוך ותדירות ft הגבוהה בהשוואה לטכנולוגיות מתחרות. עם מתחי פריצה המגיעים ל–200 וולט, אפשר להגדיל את הטווח הדינמי של מתח האספקה ל–20 עד 65 וולט. עכבות החיבורים הגבוהות וקיבולי היציאה הנמוכים מאפשרים מעברי עכבה קטנים בטווח מתחים דינמי רחב. התאום של עכבות עם מעברים קטנים אלו קל יותר מאשר בטכנולוגיות אחרות. תדירויות ft גבוהות מאפשרות לבצע אופטימיזציה של מגבר ההספק לנצילות בתחום הרוויה.
כדי להעריך את ביצועי מעקב המעטפת, בוצעה הערכה של GaN מותאמת ב–48 וולט עם משפחה של ספקי כוח סטטיים. בכל ספק כוח, הופעלה סריקת הספק ונמדדו PAE וההגבר. בוצעה הערכה של ביצועי ET באמצעות מודל פשוט. במודל היה יחס ליניארי בין הספק הכניסה ומתח ה–drain.
האיורים 15 ו–16 מציגים תוצאות עבור מגבר ל–2.6 ג’יגה–הרץ עם אות 3GPP ביחס שיא לממוצע של 7.5 dB. ביצועי PAE היו 51% עם הגבר של 13.5 dB בהספק מוצא של 45 dBm. התוצאות נראות לא טוב בהשוואה לביצועים שניתן להשיג בפועל מאחר שהמיפוי של מתח ה–drain להספק הכניסה לא מותאם לנצילות הטובה ביותר במודל המפושט הזה.
מעניין לציין שנצפו ביצועים דומים לאלו גם במגבר Doherty עם שני התקנים, כאשר מערכת ET הגיעה להספק מוצא זהה עם התקן יחיד. טכנולוגיית GaN מותאמת באופטימיזציה למתח גבוה סוגרת את הפער באפשרה מערכות ET מנקודת מבט של ביצועים גולמיים. בסיכומו של דבר, תכנון תכונות המערכת כגון מיפוי, ביצוע ליניאריזציה, מורכבות ועלות, הוא שיקבע את ההצלחה של פתרון מעקב מעטפת במערכות תשתית מסחריות.
מגברים היברידיים ליניאריים לטלוויזיה בכבלים
מערכות מכפלי הספק היברידיות פרושות להגברה בדרגה הסופית בכל מגבר קו או צומת אופטי במערכות טלוויזיה בכבלים המתקדמות ביותר. תרשים בלוקים מפושט של מכפל הספק אופייני מוצג באיור 17.
מאמצי תכנון קודמים התמקדו במערכות היברידיות בעלות הגבר גבוה (עד 23 dB) עם רוחב פס מורחב (עד 1 ג’יגה–הרץ). כדי להשיג הגבר גדול יותר, על מכפל ההספק להיות מורכב משתי דרגות או יותר. שילוב GaN בדרגת המוצא של מגבר היברידי (עיין באיור 18) מביא לשיפור ברמות דחיפת ת”ר בדרגה הסופית עד +3 dB.
לחלופין, מכפל ההספק יכול לספק אותן רמות דחיפת ת”ר עם ביצועי CIN בטווח הטמפרטורות מצוינים בהשוואה לפתרונות מבוססי GaAs כפי שאפשר לראות באיור 19. תוצאות CIN במצב הגרוע ביותר הם –63 dBc ב–100 מעלות, שיפור של 8 dB בהשוואה לפתרון דרגת מוצא מבוסס GaAs. על פני טווח הטמפרטורות כולו, נצפה שיפור מזערי של 6 dB עבור דרגת מוצא מבוססת GaN.
מסקנה
תהליך GaN עם אורך שער של 0.5 מיקרו–מטר עבר אופטימיזציה לצפיפות הספק ולנצילות במטרה להדגים את היתרונות של מגבר ההספק הגבוה (HPA) ורחב הפס עבור יישומים אזרחיים וצבאיים. מעקב מעטפת מומש עבור מגבר להספק גבוה מבוסס GaN כדי לחזות את הנצילות עבור יישומי תחנות בסיס סלולריות. יישומים קוויים כדוגמת טלוויזיה בכבלים נחקרו עם תהליך GaN כדי להשיג קיבול משוב (Cgd) נמוך, על מנת לאפשר מגברים במכפלי הספק בעלי ביצועי על עם שיפור של 6–8 dB בטווח הטמפרטורות, בהשוואה לפתרונות הקיימים מבוססי GaAs.
