ההתקדמות בטכנולוגיית המוליכים למחצה ושילוב הרכיבים שיחקה תפקיד משמעותי בצמצום ה-SWaP. פלטפורמות מוטסות צבאיות ומסחריות נבדלות בהרבה היבטים: פלטפורמות צבאיות מתמקדות במערכות רבות-תפקידים וניהול ההספק עבור תפקידים קריטיים-למשימה דוגמת לוחמה אלקטרונית, בקרת אש, מכ”ם וכו’, בעוד התעופה המסחרית מייחסת חשיבות רבה לבטיחות ולהדירות המערכת. שטח אחד המשותף לשתי הפלטפורמות הוא הרצון לרבות את יעילות המטען. כל גרם של משקל, סמ”ק של מרחב ומיליואט-שעה של הספק מתוכננים בקפידה, מאחר ששלושתם מתמקדים באיזון הממדים, המשקל וההספק
(size, weight and power – SWaP). ההתקדמות בטכנולוגיית ה-RF עשויה לספק יתרון מתגבר בשלבים (leapfrog) עבור מטוסים מאוישים ובלתי-מאוישים בשני השווקים. SWaP מתייחס כנראה למפרט החשוב ביותר בהגדרת מוצר, פרויקט או פלטפורמה חדשים החל מהלוחמה האלקטרונית ועד לאוויוניקה. כמעט כל הפיתוחים החדשים – בין אם מושטים, מוטסים, קרקעיים, אנושיים או ידניים – חולקים דרישה משותפת: לעשות אותו קטן יותר, להשתמש בפחות משאבים, ולתרום יותר לתפקודיות המערכת הכוללת. מערכת רזה היא יותר רצויה בתחום החברתי, הכלכלי, המדיני והגלובלי הנוכחי. לאחרונה, נראה שה-SWaP הוא הגורם המוביל, המספק פשרות קשות על שיפורי הביצועים הכוללים של המערכת והארכיטקטורות רבות-התפקידים.
זיהוי נאשם הבה נתבונן במאפיינים הנוכלים, המעליבים, השערורייתיים והמכבידים ביותר. נחושת היא המוליך הנבחר עבור העברת הספק חשמלי. אלף feet של מוליך נחושת בגודל AWG 5 ללא בידוד שוקל קרוב ל-100 pounds ( קג’). כדי להוסיף פגיעה לעלבון, ההתנגדות העצמית של המוליך גורמת לזרם החשמלי להיות מבוזבז בצורה של חום מפוזר. הפושע הבא במסדר הוא גודל הרכיב הישן. חשבו על המקרה של מתנד מקומי של מכ”ם (local oscillator – LO); ה-LO מזין הן את המשדר והן את המקלט. ה-LO צריך לייצר תדר יציב בעל הרמוניות נמוכות, בשעה שדרישות היציבות הגבוהה ביותר חייבות להבטיח את הטמפרטורה, המתח והסחיפה המכנית הנאותים. המתנד חייב לספק מספיק הספק מוצא כדי להזין ביעילות את הדרגות הבאות של המעגל, כגון ערבלים או מכפילי תדר. צריך שיהיה לו רעש מופע נמוך במקומות בהם תזמון האות הוא קריטי. באופן היסטורי, ה-LO יוצר וחולק על-ידי תת-מערכות נפרדות ומתוכננות במיוחד. דבר זהה או דומה היה נכון לגבי מערכות מוטסות: ממדים גדולים, צימאון להספק ומשקל כבד בשל תוכן הרכיבים המוליכים למחצה.
הרכיב הוותיק אשר סיפק תדר-רדיו (radio frequency – RF) למערכת הוא שפופרת המיקרו-גל traveling wave tube (), שהיא שפופרת ריק מיוחדת המשמשת באלקטרוניקה כדי להגביר אותות RF בתחום המיקרו-גל (איור 1). רוחב-הפס של TWT רחב-פס עשוי להיות גבוה עד כדי אוקטאבה, אם כי גרסאות מכווננות (צרות-פס) הן יותר נפוצות; תדרי הפעולה נעים בין 300 מגה-הרץ עד 50 גיגה-הרץ. מערכות TWT אלו הן יעילות במידת-מה, אך הן מהוות נקודה יחידה של כשל; האמינות היא שיקול משמעותי ב-TWTs. אמינות שפופרות המיקרו-גל תלויה בשלושה גורמים משמעותיים. ראשון, פגמים הנוצרים תוך כדי תהליך הייצור משפיעים לרעה על האמינות, עם השלכות על בעיות הייצור, מיומנות גרועה והיעדר בקרת תהליך. שנית, אמינות השפופרת תלויה מאוד בנוהלי ההפעלה והטיפול. לבסוף, צריך לדאוג לגבול תכנון בין נקודת ההפעלה ויכולת התכנון הסופית של השפופרת כדי להשיג פעולה אמינה. אלו הן רק שלוש דוגמאות של האויבים הרבים של ה-SWaP.
איור 1. דוגמה של שיפורי ה-TWT ביעילות, הספק מוצא ומשקל כנגד גורם הזמן
גיבורי העל של
ה-SWaP
ההתקדמות בטכנולוגיית המוליכים למחצה ושילוב הרכיבים שיחקה תפקיד משמעותי בצמצום ה-SWaP. מגברי הספק עם מוליכים למחצה (solid state power amplifiers – ) אינם טכנולוגיה חדשה. (gallium arsenide) ו-LDMOS (laterally diffused metal oxide semiconductors) שימשו כמגברי הספק גבוה במרוצת שנים רבות. למעשה, LDMOS FETs משמשים במידה רבה במגברי הספק RF עבור תחנות בסיס, מאחר שהדרישה להספק מוצא גבוה עם צריכת זרם תואמת למתח כשל של המקור הוא בד”כ מעל 60 וולט. בהשוואה להתקנים אחרים כגון FETs של GaAs, הם מראים תדר שבח של הספק מרבי נמוך יותר. טרנסיסטור gallium arsenide field-effect () הוא סוג מיוחד של FET המשמש למעגלי מגברים מוליכים למחצה בתדרי רדיו של מיקרו-גלים. דבר זה מרחיב את הספקטרום מבערך 30 מגה-הרץ עד לתחום הגלים המילימטריים (איור 2). FET ה-GaAs ידוע בשל רגישותו וגם בשל העובדה שהוא מפיק רעש פנימי קטן ביותר. צפיפות ההספק מוגבלת על-ידי מתח הכשל; אתה יכול לקבל כשל של 20 וולט ביום מוצלח עם MESFET של GaAs. הבה נסקור: ל-TWTs תדר גבוה והספק גבוה זמינים, אך האמינות, המשקל והתת-מערכות התומכות הדרושות הופכים אותן לבלתי-רצויים. LDMOS מאפשר הספק גבוה, אך פועל מתחת ל-5 גיגה-הרץ. MESFETs של GaAs פועלים בתדרים גבוהים מאוד, אולם מתח הכשל הנמוך מגביל אותם לתחום ההספק של 10 ואט. האם קיימת טכנולוגיית SSPA המתגברת על קושי בשלבים (leapfrog) הזמינה כדי להציל את המצב כיום? SWaP אוהב gallium nitride on silicon carbide (). שניהם הם חומרים בעלי מרווח רחב (wide-bandgap), שפירושו מתחי הכשל המשולבים מגיעים לגובה של עד כ-150 וולט. דבר זה מאפשר צפיפות הספק גבוהה יותר ביחד עם קו עומס נמוך יותר לשם התאמת עכבה קלה יותר. GaN על SiC מאפשר שבח הספק בתדרים בתחומי המילימטר (Ft~=90 GHz, Fmax~200 GHz). קבלת השוק של ה-GaN ב-LEDs של SiC סייעה לרוות את מפעלי הפרוסות ולהוזיל את עלויות הפרוסות. מבנה ההתקן של טרנסיסטורי RF הוא כזה שניתן להשיג צפיפויות הספק של חמישה ואט/ממ’. רמות ה-MSL עבור GaN על SiC הגיעו או קרובות לקצבי התעשייה המקובלים. GaN על SiC התקבל במידה רבה בתור טכנולוגיה קוטעת ושוקי הצבא והמסחר דורשים יותר מאלה. הביצועים של GaN על SiC מוגבלים בעיקר על-ידי מעבר החום; להרחיק את החום מההתקן הוא הסוגיה האחרונה שעוסקים בה. הצלחה מסוימת הושגה עם GaN על סיליקון, אך המוליכות התרמית המוקטנת מקטינה את הספק המוצא ל-10 ואט בקירוב. הביצועים הטובים ביותר מתקבלים מ-GaN על יהלום, עם חישובים אחדים המצביעים על צפיפויות הספק עד כדי 10 פעמים גבוהות מ-GaN. אם כי הגידול הישיר של GaN על גביש יהלום יחיד הוכח, למצעי גביש היהלום היחיד הקיים יש גודל מרבי המגביל כיום את אימוץ הטכנולוגיה. קבלני הממשלה והצבא הם המאמצים המוקדמים היחידים של ברית ה-GaN על יהלום. בדומה ל-GaAs בשנות ה-1980, GaN על יהלום ייבחן דרך סוכנויות הממשל הללו והשוק המסחרי יעקוב אחריו בשעה שהאמינות משתפרת והעלות הכרוכה בכך פוחתת. ל-TWT יש חלופת SSPA משולבת. ADI מציעה מגבר הספק גבוה (High Power Amplifier – ) של עד 8 קילו-ואט המשלב GaN רבים על SiC SSPAs בתוך יחידה אחת. ה-KHPA-0811 משתמש במארז dodecahedron קטן כדי לזווד כמות ניכרת של הספק בתוך עקבת-רגל קטנה המכסה רוחב-פס רחב.
איור 2. רמת הספק לפי התהליך
השילוב מטביע את עוגן הספינה
מעט רקע: בצי של ארה”ב, כאשר ציוד אלקטרוני (או אחר) התיישן והפך למעמסה על משאבי המערכת, הוא כונה “עוגן הספינה”. לפלטפורמה מוטסת, מאוישת או לא, יהיו הרבה צורות של תקשורות על הסיפון. חיבורי תקשורות אלה משתנים, עם הדיבור, הניווט, הנתונים, החיישנים המוטסים, המכ”ם, המעקב אחר התחמושת ועוד, בשעה שהשמיים הופכים ליותר עמוסים בזירת הלוחמה הופכת ליותר מורכבת. בעבר, כל אחת ממערכות אלו דרשה נדל”ן (real estate), משאבי הספק ותת-מערכות תומכות משמעותיים. העובדה שמערכות מוטסות הן באמת מוטסות היא מדהימה. כל גרם ממשקלה, כל מילי-ואט חושב, ותכנון המערכת הפיסיקלית הותאם כדי להתאים למקום המיועד לו. היה צורך בדרך טובה יותר. התקדמות תכנון המעגלים המשולבים (integrated circuits – ), ביחד עם התקדמות המארז-במערכת (system-on-chip SoC), עשו את עוגני הספינה מהמערכות הנפוחות הללו של פריטים של אתמול.
נתק את חבל הטבור
למטוסים צבאיים ומסחריים, מאוישים או לא, יש מאות, אם לא אלפי, חיישנים החל מלוחמה אלקטרונית עד מכ”ם ועד טמפרטורה; לרבים מערכות יתירות ותמיכה בגיבוי. חיישנים אלה כוללים את אלה המבקרים את מצב הכנף והמאזנת, ניווט ומיצוב, רעידות המנוע, טמפרטורת המעצורים ורבים אחרים. כל אחד מחיישנים אלה – ביחד עם היתירויות הכרוכות בהם – מחוברים למעבד מרכזי דרך כבלים כבדים הבנויים מחיווט מנחושת ופלדה או אלומיניום. משאבי פלטפורמה משמעותיים נצרכים כדי לתמוך בכבלים וחיבורים אלה. ההתקדמות הטכנולוגית ב-RF תציל שוב את ה-SWaP על-ידי הקטנת התלות של כבלים אלה. יצרני ציוד מוטס רבים עובדים ביחד כדי לענות על דרישות טכנולוגיית ה-commercial off-the-shelf – COTS לשם החלפה זולה ואמינה של הקישוריות בנחושת. דוגמה אחת: חיישן יחידת מדידה אינרציאלית (inertial measurement unit – ) בעל דרישות לרוחב-פס של נתוני מוצא של פחות מעשרות קילו-הרץ, בשילוב עם מיקרו-בקר אנלוגי מדויק ARM Cortex M3 בעל מקמ”ש RF, דוגמת ה-ADuCRF101 של Analog Devices, פיתרון משולב במלואו של איסוף נתונים, אשר תוכנן עבור יישומי אלחוט בהספק נמוך. אם כי כיום הצירוף הזה הוא היפותטי, הוא יהווה דוגמה אחת של טכנולוגיית חיישני אוויוניקה המשולבים עם רכיבי COTS RF. הקפד על סוג זה של יישום RF כדי לחסוך ב-SWaP בעתיד הקרוב ביותר.
מה מבטיחים
הסביבה החברתית, המדינית והכלכלית הנוכחית דורשת ממתכנני פלטפורמות מוטסות להתמקד יותר בחיסכון בגודל, משקל והספק. העומס המוקטן על משאבי המערכת מאפשר זמני טיסה ארוכים יותר, דרישות דלק מוקטנות ואפשרויות של עומסים יעילים יותר. ההתקדמות המשמעותית המעניינת ביותר כדי לחסוך ב-SWaP באה ישירות מההתקדמות הטכנולוגית שנעשתה בקהילת ה-RF. המבטיחה ביותר נובעת מהקטנת הגודל מ-TWTs ל-SSPAs, שילוב הרכיבים ותלות מופחתת בחיבורי הכבלים מנחושת. הפיתרון המספק SWaP מופחת מכונה “RF”.
הכותב הינו מהנדס יישומי מערכות RF ב-Analog Devices בקבוצת ה-Aerospace and Defense Group, Greensboro. North Carolina.
