מאת: Adi Shieber, Yan Vainter Freescale Semiconductor. לכל מערכות ההגנה, החל בתקשורת וכלה באוויוניקה, רדאר, טילים מונחים, לוחמה אלקטרונית, וזיהוי עמית-טורף (זע”ט) – יש מוניטין מוצדק של דרישת הרמות הגבוהות ביותר של ביצועים, עמידות ואמינות בכל אחד מהרכיבים שלהן. הדבר נכון במיוחד לטרנזיסטורי הספק לת”ר (RF) שמרכיבים את המגברים והמשדרים של מערכות אלה, ואשר כאלמנטים קריטיים במערכות, חייבים לעמוד בדרישות קפדניות במגוון רחב של מדדי ביצועים. טרנזיסטורי הספק לת”ר, שעליהם חלות תמיד דרישות ‘לספק יותר’, התקדמו רבות מבחינת אמינות, עמידות, ולמעשה בכל מדד ביצועים אחר. טרנזיסטורי הספק LDMOS (טכנולוגיית MOS בפעפוע רוחבי) לת”ר, לדוגמה, מספקים כיום רמות של תפוקת הספק בת”ר, הגבר, נצילות ועמידות (בין היתר), שגורמים לקודמיהם להחוויר בהשוואה אליהם.
התקני ה-LDMOS במשפחת ®Airfast של ®Freescale מספקים 5% יותר נצילות, ולמעלה מ-20% יותר צפיפות הספק לעומת הדורות הקודמים, ביחד עם ליניאריות גבוהה יותר, רוחב פס מיידי רחב, ומארז פלסטי מתקדם עם יציקת-על (overmolding). “עמידות גבוהה”, דגמי LDMOS שתוכננו לסביבות התפעוליות התובעניות ביותר יכולים לעמוד כיום בחוסר התאמה קיצוני בעומס, עם VSWR (יחס גלים עומדים) הגבוה מ-65:1, הם מספקים הספקים לת”ר הגבוהים מ-1kW , ובעלי נצילות שמגיעה במקרים מסוימים מעבר ל-80%. התקנים רבים משתי המשפחות שוכנים במארזים פלסטיים עם יציקת-על, אשר Freescale הציגה לראשונה בתעשייה באמצע שנות השמונים של המאה שעברה – בתחילה לתעשיית הרכב ולשימוש תעשייתי, ובשנת 1997 כהתקני הספק גבוה ותדר גבוה לת”ר הראשונים באריזות פלסטיק, לתשתית אלחוטית.
עד שנת 2002, שיטת אריזה זו התקדמה לנקודה שבה טרנזיסטורי הספק לת”ר 2GHz במארז פלסטי יכלו להגיע לתדר, לביצועים התרמיים, לטמפרטורה מרבית (maximum junction temperature), לתאימות לתקנים ולאמינות שפעם הושגו רק באמצעות מארזי מתכת-קרמיים. מארז OMNI שהוצג בשנת 2009 הרחיב את הטכנולוגיה להתקני ת”ר הספק גבוה העמידים ביותר. בנוסף ליתרונות הביצועים שלו, מארז פלסטי עם יציקת-על מתאים היטב להעדפת משרד ההגנה האמריקאי להשתמש בהתקני מדף (COTS) כל אימת שניתן, כדי לחסוך בעלויות תוך שמירה על ביצועים גבוהים והפחתת משקל.
טרנזיסטורי הספק LDMOS לת”ר של Freescale משמשים במערכות הגנה מסוגים שונים מזה עשורים, ולאחרונה הקימה החברה יחידה עסקית המוקדשת באופן בלעדי ללקוחות של משרד ההגנה האמריקאי.
מגזר ההגנה החדש של החטיבה העסקית לת”ר מביא עמו צוות ייעודי לתחום ההגנה, ומחויבות לזמינותו של המוצר לטווח רחוק. התקני LDMOS של Freescale מתפרסים על טווח תדרים מתדר גבוה ועד 3GHz עם מוצאי הספק לת”ר ל-1250W, ואותם משלימים מגברי בלוק הגבר (gain block amplifiers) מסוג GaAs MMIC, מגברי הספק (עד 4 ואט), ומגברי רעש נמוך עם נתוני רעש נמוכים מאוד, 0.35 שמכסים טווח תדרים של 500MHz עד 5GHz.
מכ”ם לנהיגה
מערכות מכ”ם להגנה פועלות במגוון רחב של תדרים, בעיקר תחום L-band עד X-band, וכמה מערכות פועלות ב-S-band וב-X-band גם יחד. אולם מכ”מים מסוג ‘מעבר לאופק’ שפועלים בתחום הגלים הקצרים (ת”ג) הם מרכיב עיקרי בהגנת הטילים הבליסטיים בארה”ב, ויוצרים הספק אפקטיבי מוקרן מסיבי הדרוש לאיתור שיגורי טילים בשלבי הטיסה השונים שלהם, ממרחק של אלפי קילומטרים. מערכות אלה, שרבות מהן משודרגות או שישודרגו, מפיקות תועלת מהספק המוצא הגבוה לת”ר, מהיעילות ומהעמידות של טרנזיסטורי הספק LDMOSלת”ר של ימינו.
לדוגמה, התקן MRFE6VP61K25H (איור 1) מספק עד 1250W גל רציף (CW) או הספק מוצא ת”ר בשיא מ-1.8 עד 600MHz, עם
נצילות תוספת הספק אופיינית של 74%, והגבר אות גדול של dB ב-230MHz. ההתקן פועל במגוון רחב של מתחי אספקה, החל מ-30 ועד VDC (מתח זרם ישיר). כדי להבטיח עמידות אופטימלית, ה-MRFE6VP61K25H – והתקנים אחרים בעלי עמידות גבוהה – מיועדים לפעול בתנאים החורגים מתנאי ההפעלה הצפויים, כגון פעמיים הספק כניסת הת”ר הנקובה לחוסר התאמה של עכבה 65:1. ה-MRFE6VP61K25H יספק הספק בשיא של 1500W ללא פגיעה בביצועי ההתקנים כאשר הוא יקבל אות כניסה בפולס (מחזור פעילות של
, 20ms) שהוא dB מעל הרמה הנקובה
ב-VDC , ויחס גלים עומדים (VSWR) גבוה מ-65:1 בכל זוויות הפאזה.
רמת עמידות זו, שהוכיחה את עצמה ביישומים תובעניים אחרים, כגון התקני עירור לייזר CO2 פלזמה, מאפשרת לטרנזיסטור לא רק לפעול אלא גם לספק הספק גבוה מאוד בתנאי הפעולה הקשים ביותר שיכולים להיות. רוחב הפס הגבוה שלו גם הופך אותו מתאים ליישומים שמעבר למכ”ם, כולל תקשורת בשדה קרב, שיבוש מטעני צד, ומערכות אחרות הדורשות הספקי מוצא ת”ר גבוהים. הודות להגבר גבוה ונצילות גבוהה, ההתקן מאפשר לבנות מגברים שבהם יש מספר קטן יותר של טרנזיסטורי הספק לת”ר, שמספקים רמת הספק מוצא ספציפית לת”ר, מה שמוביל לירידה הולמת בתקורת עצי המוצר והקירור. הדבר חשוב במיוחד בסביבת מכ”ם, שבה נעשה שימוש במאות, ואפילו אלפי התקנים.
MRFE6VP100H של Freescale מיועד אף הוא לעמידות בתנאים קיצוניים, ויש לו טווח רחב של תדרי פעולה, מ-1.8 עד 2000MHz, מוצא הספק ת”ר של 100W גל רציף (CW), עם פעימות, או PEP, בעל נצילות של 70% והגבר אות גדול של dB. רוחב הפס הגדול שלו מאפשר למתכננים להשתמש במגבר יחיד לכיסוי תחומי תדרים רבים, כגון 1.8 עד 54MHz, עד 512MHz, ו-400 עד 1000MHz, המספקים נצילות גדולה אף יותר. לשני ההתקנים יש רשתות פנימיות שמשפרות את יציבות המעגל במגוון רחב של תנאי פעולה, והם בעלי התאמה חיצונית, כך שניתן למטב את ביצועיהם לתחומי תדרים ספציפיים.
ל-Freescale יש מבחר התקנים שניתן להשתמש בהם ביישומי S-band. התקנים אלה משתמשים בטרנזיסטור הספק LDMOS לת”ר MRF8P29300H, שהוא בעל תדר פעולה של 2.7 עד 2.9GHz, ומספק הספק מוצא בשיא של 320W (פולס של , 10% מחזור פעולה) עם 49.6% נצילות והגבר של 14. הטרנזיסטור יפעל ללא פגיעה בביצועים ל-VSWR של 10:1
ב-VDC עם משך פעימה של 300us, ודחיפת כניסה גבוהה ב-3 מהנקוב. ה-MRF8P29300H מותאם מבחינה פנימית, מיועד לפעולת סחב-דחף (push-pull), ובעל הגנת ESD משופרת וטווח מתח שלילי רחב במוצא-שער לביצועי Class C משופרים. Freescale מציעה גם כרטיס בדיקה קומפקטי להערכת ההתקן. מאפייני הביצועים של MRF8P29300H הופכים אותו לבחירה מושכת עבור מכ”מי S-band.
לשימוש במכשירי רדיו מותקנים ברכב ונישאים
טרנזיסטורי הספק LDMOS לת”ר במשפחת Airfast מתאימים לשימוש בסביבות קשות, ולכן ניתן להשתמש בהם ביישומים כגון מכשירי קשר לשדה קרב, נישאים או מותקנים ברכב. שלושה התקנים לדוגמה, ה-AFT05MP075 (איור 2) ו-AFT05MS031 הפועלים בטווח שבין 136 ל-520MHz
וה-AFT09MS031 שפועל מ-764 עד 941MHz, מספקים הספק מוצא ת”ר של 70, 31 ו-31W, בהתאמה. בדומה להתקנים בעלי הספק גבוה יותר, הם מספקים עמידות ויציבות שקודם לכן לא הושגו באמצעות טכנולוגיות של טרנזיסטורי הספק LDMOS או ת”ר אחרים, בתדרים אלה.
בנוסף, הם גם הוערכו במערך תנאים נוסף, הספציפי ליישומים שלהם, עם בדיקה אופיינית המשלבת פעולה בטמפרטורה של -40°C עם תת-מתח של 20% ורמת דחיפת ת”ר כפולה מהספק הכניסה הנקוב שלהם ל-VSWR של 3:1. תחת תנאים אלה, ההתקנים מספקים את הספק המוצא הנקוב שלהם ומאפייני ביצועים אחרים בכל טווחי תדרי הפעולה שלהם.
ל-AFT05MP075 יש הספק מוצא ת”ר נקוב של 70W, נצילות של 68% עד 72%, הגבר של יותר מ-18, והוא מפיק את הספק המוצא הנקוב שלו עם 1W בלבד של דחיפה. AFT05MS031 מספק הספק מוצא בת”ר של 31W P1dB, עם נצילות של 62% עד 71% והגבר של עד 23, עם 500mW דחיפה בלבד. AFT09MS031 פועל בטווח שבין 764 ועד 941MHz, עם הספק מוצא בת”ר של P1dB, נצילות של 68% עד 74%, והגבר של עד
18, וצורך רק 600mW דחיפה. כל שלושת ההתקנים יכולים לפעול ביחס גלים עומדים של 65:1 ב-VDC עם דחיפת יתר בכניסה של 3, ללא נזק או פגיעה בביצועים. יש להם גם הגנת ESD משולבת.
מכשירי קשר בשדה הקרב מציבים אתגרים למגברי וטרנזיסטורי הספק לת”ר, שהינם דומים למערכות חשמל ברכב, כגון ספקי כוח זרם ישיר “מווסתים למחצה”. בעוד שבתחילה זו עשויה להיראות סביבה עם תנאים נוחים, בפעולה המתח VDC שלהם עשוי לרדת ל-VDC , ולעלות ל-VDC , בהתאם לתנאי הסביבה ולתנאים אחרים. בנוסף, ברוב המקלטים-משדרים יש מעגלי ניטור חשמל ששומרים על הספק מוצא ת”ר יציב תחת מתחי אספקת חשמל משתנים.
אולם כאשר המתח יורד, המעגל מגביר את הספק הת”ר שסיפק המגבר הדוחף למגבר הסופי, לעתים הרבה מעבר להספק כניסת ת”ר הנקוב של טרנזיסטורי המגבר. כדי לפצות על תנאים אלה, התקני Airfast משלבים בתוכם את רוב המעגלים הדרושים לשמירה על יציבות, דבר שמפחית את מורכבות מעגל המקלט-משדר תוך הספקת היציבות הדרושה בטווח רחב יותר של תנאים. מעגלי ניהול הספק ת”ר אופייניים עשויים מרכיבים נפרדים במעגל המודפס, אך מכיוון שפונקציה זו משולבת בהתקני Airfast, רוב הרכיבים החיצוניים לניהול הספק ת”ר מבוטלים, דבר המוביל לעלויות ומורכבויות פחותות.
טרנזיסטורי ההספק לת”ר המתוארים במאמר זה הם רק חלק מההתקנים שלא רק מותאמים ליישומי הגנה, אלא אף מהווים חלק מתוכנית אריכות הימים. בעתיד יתווספו התקנים נוספים להיצע מוצרי הת”ר המסחריים של Freescale.
ניתן למצוא מידע נוסף על מוצרי ההגנה של Freescale באתר החברה
