מגברי MMIC: המגבלות כיום מתחת ל- 2 ג’יגה הרץ
ספרת הרעש והליניאריות של מגברים לרעש נמוך הם גורמים קריטיים בהגדלת הרגישות והטווח הדינמי בתכנון של מקלטי ת”ר (RF). ספרת הרעש של המגברים קובעת את עוצמת האות החלשה ביותר שבה המגבר יכול להבחין, ונקודת ההפרעה מסדר שלישי (IP3) קובעת את המידה שבה מכפלות של אפנון פנימי מאותות סמוכים יכולות להפריע לאות הרצוי. ככל שספרת הרעש של המגבר שבכניסת המקלט תהיה נמוכה יותר, וככל שנקודת IP3 שלו תהיה גבוהה יותר, כך תהיה הרגישות גבוהה יותר וכמוה, גם הטווח הדינמי ללא שגיאות (SFDR) יהיה גבוה יותר.
כיום, הזמינות בשוק של מגברי רעש נמוך (LNA) במעגלי MMIC בעלי פונקציה יחידה עם טווח דינמי גבוה מתמקדת בפסי הרוחב לתדר ISM, בין 2 ג’יגה הרץ ל- 6 ג’יגה הרץ. מגברים אלו הם בעיקר מתכנון PHEMT או תכנון HBT בטכנולוגית GaAs, ולשניהם יש יתרונות וחסרונות מובנים. לתכנוני HBT יש יכולת להגיע לרוחבי פס רחבים מאוד ולצפיפות הספק מצוינת, עם הספק יציאה ברוויה שמגיע עד ל- 1 ואט על פני 6 ג’יגה הרץ בערך. עם זאת, תכנוני HBT בדרך כלל אינם מוליכים רעש נמוך, ועל פי רוב משיגים ספרת רעש של 3dB בערך, במקרה הטוב, עובדה שהופכת אותם לבלתי מתאימים לשמש במגברים שבהם יש צורך ברגישות גבוהה יותר.
לתכנוני PHEMT יש יכולת של מימוש ערכים של ספרת רעש מתחת ל- 1dB ונקודת IP3 מעל 40dB, אבל הגישות הקיימות מוגבלות בכיסוי תדירויות של 40 מגה הרץ ומעלה, בערך. אפשר ליישם רשתות תיאום ומשוב חיצוניים, על מנת להרחיב את הכיסוי כלפי מטה, עד 1 מגה הרץ, אך על פי הידוע פעולה זו תקלקל את ביצועי ספרת הרעש. אמנם תכנוני PHEMT בדרך כלל מספקים ביצועי ספרת רעש יוצאים מהכלל ונקודת IP3 גבוהה ביותר עבור יישומים אלחוטיים פופולריים, החל מ- Wi–Fi () עד WLAN (), אך השימושים עבור יישומים שמתחת ל-2 ג’יגה הרץ ייאלצו כמעט תמיד להקריב את ביצועי ספרת הרעש, ובכך הם משאירים את פסי הרוחב של יישומי HF ,VHF ו-UHF המנוצלים בצפיפות רבה בין 3 מגה הרץ לבין 2000 מגה הרץ עם שירות נחות.
מגברי MMIC שנמצאים כיום בשוק בתחומי HF/VHF/UHF מוגבלים על ידי ביצועים של ספרת רעש שאינם פחותים מ-2dB. מגבלה זו הייתה עד כה מחסום מבחינת ביצועי המקלט ביישומי תדר נמוך. על מנת לפרוץ את המחסום הזה יידרש מגבר MMIC שבו מתקיים השילוש הקדוש הכולל רעש נמוך, נקודת IP3 גבוהה וטווח תדרים בריבוי אוקטבות ללא מעגלי תיאום מרובים, ייעודיים לפסי רוחב מסוימים.
מעלים את הרמה עבור ביצועים משולבים
על מנת לתמוך בצורה טובה יותר באנשי התכנון של מערכות שנמצאות בטווח הנמוך של ספקטרום התדרים, פיתחה חברת Mini-Circuits סדרה חדשה של מגברי MMIC שבהם משתמשים בתהליך PHEMT במצב E/D עם 0.5 מיקרון בטכנולוגית GaAs, עבור רוחבי פס ברוחב 1000:1 מ- 1 מגה הרץ עד 2 ג’יגה הרץ. תכנונים אלו משתמשים בארכיטקטורה קניינית שמאפשרת תיאום טוב בתדרים נמוכים עד 1 מגה הרץ, בלי כל מעגלי תאום ייעודיים לפסי רוחב מסוימים, תכונה ייחודית ביותר עבור תכנוני PHEMT.
מגברים אלו מעלים את רף בוחן הביצועים התעשייתי לביצועים משולבים, שבו משולבים כל תכונות המפתח עבור מקלטים לפס רחב בעלי תחום דינמי גבוה עבור פסי הרוחב המשמשים ביישומי HF, VHF ו- UHF:
הם מתואמים במידה טובה ל- 50 אוהם, מבלי שיהיה צורך במעגלי תיאום ייעודיים לפס מסוים.
הם מציעים הגבר שטוח במידה סבירה, בדרך כלל בתחום של ±2.5dB או טוב יותר, על פני רוחב פס של 1000:1, ובכך מקטינים את הצורך במעגלי משווה (equalizer) ובטכניקות אחרות להשטחת ההגבר.
משפחת הדגמים מאפשרת למשתמשים לבחור בהפעלה בין 3-5 וולט, על מנת למזער את צריכת ההספק, ובהפעלה ב- 8 וולט, אשר מאפשרת ביצועי נקודת IP3 עד +45dB.
כל הדגמים מספקים ספרת רעש יוצאת מהכלל על פני רוחבי פס ההפעלה שלהם, נמוך עד כדי 0.8dB בגרסאות המתח הנמוך ולא יותר מ-1.4dB בגרסאות המתח הגבוה.
מעבר לביצועי ת”ר, נצילות תרמית הפכה להיות שיקול בעל חשיבות גוברת והולכת ככל שהמגברים הופכים להיות קטנים יותר ויותר. המשמעות של סידור רכיבים בשכבות צפופות יותר היא שהתקני הרדיו יתחממו יותר ולרכיבים שלהם יהיה צורך בטווח תרמי רחב יותר, כדי לפעול באופן אמין. מגברים בסדרה PHA קיימים במארזי SOT-89 עם התנגדות תרמית נמוכה במידה קיצונית של 23°C/W מהצומת עד מוליך ההארקה, אשר מאפשרת להם לפעול הרבה מתחת לטמפרטורת הצומת המרבית בהפעלה בתנאי סביבה של 105°C עבור דגמים שפועלים ב- 3-5 וולט ובהפעלה בתנאי סביבה של 95°C עבור גרסאות שפועלות ב- 8V.
היחידות עברו בדיקת שרידות לאורך חיים בטמפרטורת צומת של 160°C במשך 3600 שעות נכון לזמן כתיבת דברים אלו, ויעברו התאמה ל-5000 שעות (התקן התעשייתי בבדיקת HTOL הוא 1000 שעות בטמפרטורת צומת של ). הטווח התרמי המעולה שלהם והאמינות המצוינת בטמפרטורה גבוהה הופכת את הדגמים האלו למועמדים אידיאליים עבור יישומי רדיו ממוזערים שמאוכלסים ברכיבים בצפיפות גבוהה. בנוסף, המגברים יכולים לספק הגבר שמגיע עד 20dB ב-1000 מגה הרץ בדרגה יחידה, וממזערים בכך את ההשפעה שיכולה להיות לדרגות עוקבות על ספרת הרעש של המערכת, מפחיתים גם את כמות הרכיבים, חוסכים מקום על המעגל ומקטינים את גודל המערכת הכולל.
מסקנה
הקצה התחתון של ספקטרום התדירויות מ-HF עד UHF מוקצה בצפיפות ליישומים שנמצאים בטווח שבין תקשורת צבאית לבין יישומים לשידור, לתעופה, לטלוויזיה, רדיו לחובבים ועוד. אין פיסת ספקטרום אחת שאינה מנוצלת מ-3 מגה הרץ ועד 2000 מגה הרץ. זמינות המגברים שקיימים כיום בשוק עבור יישומים אלו מוגבלת מבחינת ספרת הרעש, נקודת IP3 ורוחב הפס.
סדרת PHA של Mini-Circuits מספקת פתרון למגבלות הקיימות עבור יישומים אלו, על ידי כך שהיא מספקת רעש נמוך, ליניאריות גבוהה, אמינות גבוהה ורוחב פס יחסי (Fractional bandwidth) רחב שנדרשים לשיפור הביצועים במקלטי VHF/UHF. רוחב הפס הרחב של המגברים האלו משמעו שאפשר להשתמש בהתקן יחיד עבור יישומים מרובים בטווח זה ונקודת ה-IP3 שלהם, היוצאת דופן, הופכת אותם למתאימים, כדי לשמור את עוצמתם של הפרעות intermode במצב נמוך, בתנאי סביבה של אותות צפופים. בינתיים ההקטנה המשמעותית בספרת הרעש בהשוואה לאפשרויות הקיימות בטווח הזה, מייצגת יכולת חדשה עבור מתכננים ופותחת אפשרויות רבות לשיפור ביצועי מקלטים בטווח רחב של יישומים.
