יישומי גלים מילימטריים עם רכיבי מגבר הספק

קצבי נתונים אלחוטיים גבוה יותר הושגו בעבר באמצעות סכמות אפנון מורכבות יותר ויותר שדחסו ביטים נוספים לאותן מקטעי ספקטרום. כעת, כאשר גישה זו מגיעה למגבלות מעשיות, העתיד יהיה תלוי ברוחבי פס רחבים יותר ולא באפנון צפוף יותר, בין אם המטרה היא תכנון יישומי 5G‏ מסחריים או קישורים צבאיים בעלי קיבולת גבוהה. שינוי זה דוחף את המתכננים לספקטרום של גלים מילימטריים (mmWave), שבו ספקטרום עשיר מאפשר יכולות חדשות אך מציג סט שונה מאוד של אתגרי תכנון.

מערכות תקשורת 5G נהנות משנים של מחקר שבוצע במקור על ידי חברות ביטחוניות. לדוגמה, טכנולוגיית אנטנות Phased Array‏ שנוצרה בתעשיית הביטחון, המאפשרת הטיית אלומה ומעקב אחר מספר מטרות בו-זמנית, מאומצת כיום באופן נרחב ביישומי 5G להעברת זרמי נתונים בו-זמנית למספר משתמשים. מערכות מסחריות פועלות יותר ויותר בתחומי תדרים כמו 28 גיגה-הרץ ו-39 גיגה-הרץ כדי לגשת לרוחב הפס הדרוש עבור קישורים רבי-גיגה-ביט.

חברות כמו .Analog Devices, Inc‏ מינפו את המומחיות שלהן בתחום גלים מילימטריים מיישומי התעשיות הבטחוניות כדי לספק רכיבים סטנדרטיים התואמים הן לדרישות ביצועים ביטחוניים והן ליכולת הייצור הנדרשת עבור תשתיות מסחריות. מארזי הרכבה-משטחית מתקדמים של ICs‏ בתדר גבוה היו גורם אינסטרומנטלי בהרחבת ה-5G לפרישה המונית.

גם תעשיות ה-5G וגם התעשיות הביטחוניות מסתמכות על חומרה מתקדמת בתדר גבוה. בעוד שרשתות 5G ממוטבות עבור מקטעי ספקטרום צרים וספציפיים כדי למקסם את התפוקה, יישומים צבאיים כמו לוחמה אלקטרונית (EW) דורשים רוחבי-פס פעולה רחבים כדי להבטיח מודעות ספקטרלית. למרות ההבדלים הללו, הדחיפה עבור רוחב-פס אפנון רחב ב-5G יצרה יתרון ייצור סימביוטי.

ההתכנסות של מגזרים אלה בטכנולוגיית גלים מילימטריים אפשרה את קנה המידה של הייצור הנדרש עבור פרישה מסחרית. זה גם הפחית משמעותית את העלויות הכרוכות ביצירת יישומים צבאיים שבעבר הסתמכו על תהליכי הרכבה יקרים וקטנים של "שבב וחוט".

קנה מידה זה מסתמך על מעגלים משולבים לתדר רדיו (RFICs‏) משולבים ביותר, מודולי Phased Array‏ ופתרונות בדיקה נגישים, הזמינים יותר ויותר עבור חברות תכנון קטנות יותר, שבדרך כלל חסרו להן את התקציב או ההתמחות של חברות ביטחוניות גדולות.

הפרייה-צולבת יצרה גם תשתית בדיקות משותפת. בעבר, בדיקת אנטנות Phased Array‏ בתדרים של 28 גיגה-הרץ ו-39 גיגה-הרץ דרשה תאים אנאכואיים גדולים ויקרים. הפרישה הנרחבת של 5G הובילה לפיתוח פתרונות בדיקה OTA מן-המדף במחיר סביר, בהם חברות ביטחוניות יכולות להשתמש כדי לפתור במהירות אתגרי פיתוח מוצרים ללא השקעות הון משמעותיות. הזמינות של אבני בניין מוכחות ומוכנות-ליישום מאפשרת לחברות תכנון מכל הגדלים לגשת לגלים מילימטריים כתת-מערכת ניתנת-לניהול, מה שמקל על העברת יישום גלים מילימטריים מבטיח מדיאגרמת בלוקים לחומרה ניתנת לפרישה.

חידושים בספקטרום

במשך מספר עשורים, חדשנות האלחוט התבססה על שתי גישות שונות מהותית: קידוד יותר מידע לכל מצב אות (סימבול) נפרד או הרחבת המרחב הספקטרלי הזמין לנשיאת מידע.

סכמות אפנון פשוטות יותר נותנות עדיפות לחוסן ולתקינות האותות, בעוד שסכמות מורכבות יותר מגבירות את תפוקת הנתונים על ידי העברת ביטים נוספים לכל סימבול. אפנון בסיסי מייצג כל סימבול עם כמות קטנה של מידע, כמו ביט יחיד. המתכננים יכולים לשפר את ביצועי המערכת על ידי קידוד מידע רב יותר לכל סימבול באמצעות סכמות אפנון מורכבות יותר כמו QAM או על ידי גישה לערוצים ספקטרליים רחבים יותר בתחומי גלים מילימטריים בתדר גבוה יותר.

האפנון קובע כיצד נתונים נארזים על גבי גל נושא, אך מגבר ההספק (PA) הוא זה שמבטיח שהביטים של הנתונים יגיעו ליעדן המיועד. ב-5G מסחרי, מגברי הספק (PA‏) מתעדפים נצילות וליניאריות בתוך תחומי תדרים מוגדרים כדי לתמוך ב- Phased Array‏ בעלי תפוקה גבוהה. עם זאת, מערכות צבאיות בדרך כלל שואפות לתחום רחב יותר של תדרים ועוצמה רבה יותר כדי לשפר את בהירות המכ"ם, את תקשורת הלוויינים ואת קלות השימוש.

אפילו עם אפנון יותר ויותר מתוחכם, ישנן מגבלות מהותיות לכמות הנתונים שניתן לדחוף דרך פס-תדר נושא (_C‏F‏) נתון. עיקרון מפתח אחד הוא שתפוקת הנתונים קשורה ישירות לרוחב הערוץ, כלומר רוחב הפס של האות המאופנן (_BW‏F‏). השגת קצבי נתונים גבוהים יותר דורשת ערוצי תדר נושא רחבים יותר, בדומה למעבר מכביש צפוף בעל נתיב אחד לכביש מהיר בעל עשרה נתיבים (איור 1).

איור 1: ייצוג של רוחב פס אפנון הממורכז בתדר הגל הנושא. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc)

יש גם את מגבלת ה-DC‏ שיש לקחת בחשבון, המחייבת שאות לא יכול להיות מתחת ל-0 הרץ. כאשר אות מאופנן, הוא מתפשט סביב תדר הגל הנושא שלו במה שמהנדסים מכנים פסי צד. אבל אם תדר הגל הנושא נמוך מדי, חלק מהאות הזה יתארך תיאורטית מתחת לגבול זה, וזה בלתי אפשרי פיזיקלית. לכן, המהנדסים חייבים להעלות את תדר הגל הנושא לתדרים גבוהים יותר, כמו אלה בפסי גלים מילימטריים, כדי להבטיח שהאות במלואו יתאים בנוחות לספקטרום בר-שימוש. "ההתבססות המוחלטת" הזו על פעולה בתדר גבוה היא מה שמאפשרת מלכתחילה ערוצים רחבים ומהירים.

ביחד, שני עקרונות אלה עוזרים להמחיש מדוע המתכננים פונים לתדרי גלים מילימטריים הן עבור 5G מסחרי והן עבור מערכות ביטחוניות. ברגע שמורכבות המודולציה מגיעה לגבולות המעשיים, הדרך היחידה להגדיל משמעותית את התפוקה היא להזיז את הגל הנושא לתדר גבוה יותר ולפתוח נתיבים ספקטרליים רחבים בהרבה. לכן, המעבר לגלים מילימטריים אינו רק מגמה - זוהי דרישה פיזיקלית להשגת קצבי נתונים עצומים וחישה ברזולוציה גבוהה שיישומים מודרניים דורשים.

ניווט באתגרי התכנון

המעבר לתדרי גלים מילימטריים (mmWave) מעצב מחדש את התכן הפיזי של חומרת האלחוטי בדרכים המשפיעות הן על מערכות מסחריות והן על מערכות ביטחוניות:

• תדרים גבוהים יותר דוחסים אורכי גל, מה שמאפשר מזעור האנטנות. מזעור זה מאפשר שילוב ישיר של מערכים על גבי שבבים או מודולים קומפקטיים.
• אורכי גל קצרים יותר גורמים לאלומות צרות יותר, מה שמשפר את הרזולוציה הזוויתית. משמעות הדבר היא שמכ"מים יכולים להבחין במטרות קרובות זו לזו, ותחנות בסיס 5G יכולות למקד אנרגיה במדויק על משתמשים בודדים.
• הפרישה המסחרית הנרחבת של טכנולוגיות אלו הובילה למעבר לטכנולוגיית הרכבה משטחית (SMT). SMT תומך בייצור אוטומטי של מודולים משולבים ביותר במארזי פלסטיק או קרמיקה.

שינויים מהותיים אלה מציגים הזדמנויות ואתגרים הנדסיים חדשים עבור מתכננים הבונים מערכות גלים מילימטריים, כגון:

• פעולה בתדר גבוה המובילה להפסדי נתיב מוגברים, נצילות אנטנה מופחתת ורגישות מוגברת לאי-לינאריות, השפעות תרמיות ובעיות פרישה טפיליות.
• דרישות רוחב פס רחב מטילות דרישות מחמירות על רכיבי קצה-קדמי RF‏, בעוד שמגבלות ברמת המערכת, כגון עיצוב אלומה של Phased Array‏ עבור 5G או מכ"ם ברזולוציה גבוהה עבור מערכת ביטחונית, מסבכות עוד יותר את תהליך התכנון.

מתכננים מסחריים חייבים למצוא איזון בין נצילות, ליניאריות ואינטגרציה כדי לתמוך בתשתית ה-5G הנרחבת בקנה מידה גדול. מתכנני מערכות ביטחוניות, לעומת זאת, זקוקים לעתים קרובות להספק יציאה גבוה יותר, רוחב פס רחב יותר ופעולה סתגלנית על פני מספר תדרים עבור מכ"ם, תקשורת לוויינים ותקשורת טקטית.

המהנדסים חייבים לבחור בין מעגלים משולבים (ICs‏) ייעודיים. הבחירה תלויה לעתים קרובות בשאלה האם היישום נותן עדיפות לאופטימיזציה של ביצועים או לוורסאטיליות הפעולה.

בתדרי גלים מילימטריים, הפסדי הנתיב עולים משמעותית, וסכמות אפנון מסדר גבוה יותר רגישות יותר לעיוותים. כתוצאה מכך, עבור 5G מסחרי, חיוני להבטיח שאנטנות Phased Array‏ יספקו תפוקה גבוהה ביעילות על פני התדרים שלהן. גם מערכות צבאיות נתקלות באתגרים דומים, אם כי המיקוד העיקרי שלהן הוא לעתים קרובות על מקסום עוצמת היציאה עבור טווח המכ"ם או קישורי תקשורת לוויינים (SATCOM).

כדי לענות על צרכים אלה, ה-HMC863ALC4‏ של ADI מציע מגבר הספק (PA) ממוטב-פס תדרים הניתן-לכוונון עבור נצילות שיא בפס צר בתחום של 24 גיגה-הרץ עד 29.5 גיגה-הרץ עבור יישומי 5G. הוא מתהדר בלינאריות גבוהה, הגבר של dB‏ 17‏, הספק יציאה של dBm‏ 21‏+, ומשיג דירוג נצילות הספק-נוסף (PAE) של 22.5%, המודד את הספק ה-RF הנוסף המופק ביחס להספק DC הנצרך. נתון בתוך מארז SMT קומפקטי בגודל 4 מ"מ × 4 מ"מ, מאפיינים אלו מאפשרים למתכננים מסחריים לשמור על תפוקה חסונה תוך תמיכה בתהליכי הרכבה אוטומטיים. לוח ההערכה EV1HMC863ALC4‏ (איור 2) מספק למתכננים פלטפורמת חומרה עבור תיקוף ביצועי PA, התנהגות תרמית, רשת ממתח ומערך מדידה לפני שהם מתחייבים לקצה-קדמי RF.

איור 2: ה-EV1HMC863ALC4 מספק פלטפורמת הערכה עבור אפיון ביצועים בעולם האמיתי של יישומי גלים מילימטריים בפס צר. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc)

מתכנני מערכות ביטחוניות פועלים לעתים קרובות על פני רוחבי-פס רחבים יותר כדי להשיג רזולוציית מכ"ם גבוהה או תקשורת רבת-פסי-תדר, ועשויים להקריב נצילות כדי לעמוד במטרה זו. במקרים כאלה, ה-PA‏ ADPA7005CHIP‏ מציע תחום פעולה רחב של 20 גיגה-הרץ עד 44 גיגה-הרץ ומשיג בדרך כלל PAE הנע בין 8% ל-13%, בהתאם לתת-פס-התדרים. הוא מספק הספק יציאה של dBm‏ 33‏+, הגבר של dB‏ 14‏, ונצילות DC-ל-RF פשוטה של 45% - הכל בתוך במארז SMT קומפקטי של 7 מ"מ × 7 מ"מ, המפשט את האינטגרציה בתוך מודולים קומפקטיים. הכיסוי הרחב והעוצמה הגבוהה שלו הופכים אותו למתאים היטב עבור יישומי מערכות ביטחוניות גמישים עם ביצועים עיליים, החל ממכ"ם ברזולוציה גבוהה ועד תקשורת ארוכת-טווח. פלטפורמת הבדיקה ADPA7005-EVALZ‏ (איור 3) משלבת צלעות-קירור המסייעות בהקלה תרמית תוך פיתוח תכנים מורכבים יותר לטיפול ביישומי גלים מילימטריים רחבי-פס.

איור 3: לוח ההערכה EVAL-ADPA7005AEHZ מסייע בפיתוח יישומי גלים מילימטריים רחבי-פס מורכבים יותר. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc)

סיכום

המעבר לתדרי גלים מילימטריים מייצג שינוי קריטי בטכנולוגיות תקשורת ומערכות ביטחוניות כלל-עולמיות. בין אם מדובר בתשתית 5G מסוג Phased Array או במערכות EW קומפקטיות, שילוב מודולי גלים מילימטריים דורש רכיבים התומכים בהרכבה אוטומטית וחזרתית תוך שמירה על ביצועי אותות וביצועים תרמיים. תוכנן תוך התחשבות מדוקדקת ברוחב-הפס, ליניאריות ונצילות, השימוש ברכיבי PA של ADI מאפשר למתכננים לעמוד בדרישות של מערכות גלים מילימטריים עבור יישומים מסחריים וצבאיים כאחד.