הבנת הרעיונות הבסיסיים של רעש-נמוך ומגברי הספק בתכנים אלחוטיים

הדחיפה לביצועים, מזעור ועבודה בתדר גבוה יותר מאתגרת את המגבלות של שני רכיבים מחוברי-אנטנה קריטיים של מערכת אלחוטית: מגבר ההספק (PA) ומגבר הרעש-הנמוך (LNA). שינוי זה נבע מהמאמצים להפוך את ה-5G‏ למציאות, כמו גם שימוש ב-PA ו-LNA בתחנות קרקעיות VSAT, קישורי רדיו מיקרוגל ומערכות מכ"מ מערך-מופע (Phased-Array Radar Systems).

ליישומים אלה יש דרישות הכוללות רעש נמוך יותר (עבור ה-LNA) ונצילות גבוהה יותר (עבור ה-PA), כמו גם עבודה בתדרים גבוהים יותר, עד ומעבר ל-GHz‏ 10‏. כדי לעמוד בדרישות הולכות וגדלות אלו, יצרני LNA ו-PA עוברים מתהליכי סיליקון מסורתיים לעבר גליום ארסניד (GaAs) עבור מגברי LNA וגליום ניטריד (GaN) עבור מגברי PA.

מאמר זה יסביר את התפקיד והדרישות של‏ מגברי LNA‏ ומגברי PA והמאפיינים עיקריים שלהם, לפני הצגת התקני GaAs‏ ו-GaN אופייניים‏ ולמה לשים לב כשמתכננים בעזרתם.

התפקיד הרגיש של‏ ה-LNA

התפקיד של ה-LNA הוא לקחת את האותות החלשים והאי ודאיים ביותר מהאנטנה, בדרך כלל בסדר גודל של מיקרו-וולט או מתחת ל-100‎ dBm–, ולהגביר אותם לרמה יותר שימושית, בדרך כלל בין חצי וולט לוולט אחד. כדי לעזור לשים את זה בפרספקטיבה, במערכת של‏ Ω‏ 50‏, ‏‎10 μV‏ הם‏ 87‎ dBm-‏ ו-‎100 μV‏ שווים ‎67 dBm-‏.

בעוד אספקת הגבר זה כשלעצמה אינה מהווה אתגר גדול במיוחד עם אלקטרוניקה מודרנית, היא נפגעת קשות על ידי כל רעש שה-LNA עלול להוסיף לאות הכניסה החלש. רעש זה עלול להתגבר על כל התועלת של ההגברה שה-LNA מוסיף.

איור 1‏: מגבר הרעש הנמוך (LNA)‏ של מסלול הקליטה ומגבר ההספק (PA)‏ של מסלול השידור מתחברים לאנטנה דרך דופלקסר‏ (Duplexer), שמפריד את שני האותות ומונע מיציאת ה-PA החזקה יחסית מלהעמיס את כניסת ה-LNA הרגישה. (מקור תמונה: DigiKey‏)

שים לב שה-LNA עובד בעולם של אי-ודאות. כקצה הקדמי של ערוץ המקלט, הוא חייב ללכוד ולהגביר אותות בעלי מתח נמוך והספק נמוך מאוד, ועוד רעש אקראי נלווה שהאנטנה מציגה לו ברוחב הפס המדובר. בתאוריית האותות קוראים לזה האות הלא ידוע/אתגר הרעש הלא מוכר, הקשה ביותר מכל אתגרי עיבוד האותות. 

הפרמטרים העיקריים של מגברי LNA הם ספרת רעש (NF), הגבר וליניאריות. רעש מתקבל ממקורות תרמיים ואחרים, עם ספרות רעש אופייניות בתחום ה-0.5 עד 1.5‎ dB. הגבר אופייני ‏הוא בין ‏10 ו-dB‏ 20‏ לדרגה יחידה. תכנים מסוימים משתמשים במגברים בקסקדה עם הגבר נמוך, דרגת NF נמוכה ולאחריה דרגת הגבר גבוהה יותר העלולה להיות בעלת NF גבוהה יותר, אך זה פחות קריטי ברגע שהאות הראשוני "הוגבר". (למידע נוסף על מגברי LNA, רעש ומקלטי RF, ראה את מאמר ה-TechZone "מגברי רעש נמוך ממקסמים את רגישות המקלט.")

אי-ליניאריות היא בעיה נוספת עבור ה-LNA, כיוון שההרמוניות ועיוותי האינטרמודולציה המתקבלים משחיתים את האות שהתקבל ועושים את הדה-מודולציה והפענוח שלו עם שיעור שגיאות סיבית (BER) נמוך מספיק לקשים יותר. ליניאריות בדרך כלל מאופיינת על ידי נקודת חיתוך מהסדר השלישי (third-order intercept point‏ (IP3)), שמייחס רכיבים לא ליניאריים הנגרמים על ידי האיבר הלא-ליניארי מהסדר השלישי לאות הליניארי המוגבר; ככל שערך ה-IP3 גבוה יותר, כך ביצועי המגבר ליניאריים יותר. 

צריכת הספק ונצילות של ה-LNA בדרך כלל אינן הדאגה העיקרית. מטבעם, רוב מגברי ה-LNA הם התקני הספק-נמוך עם צריכת זרם בין 10 ל-100‎ mA, ומספקים הגבר מתח לדרגות הגברה עוקבות, כך שאינם מספקים הספק לעומס. כמו כן, במערכת קיים רק ערוץ LNA אחד או שניים (שניים בדרך כלל בתכני גיוון אנטנות (Diversity Antenna) כגון עבור ממשקי Wi-Fi ו-5G), כך שכל חסכון משימוש ב-LNA בעל הספק נמוך יותר יהיה לא משמעותי. 

פרט לתדר העבודה ורוחב הפס שלהם, קיים יחסית דמיון פונקציונלי רב בין מגברי LNA. מגברי LNA מסוימים כוללים גם בקרת הגבר כך שהם מסוגלים לטפל בתחום דינמי רחב של אותות כניסה ללא העמסת-יתר ורוויה. עוצמות אות כניסה כאלו המשתנות בתחום רחב היא תופעה נפוצה ביישומים ניידים בהם הפסדי המסלול מתחנת הבסיס לטלפון יכולים להשתנות בתחום רחב, אפילו במחזור קישור יחיד.

ניתוב של‏ אותות כניסה אל LNA ואותות יציאה ממנו‏ הוא חשוב באותה המידה כמו המפרטים של החלק עצמו. לפיכך, מתכננים חייבים להשתמש במידול וכלי עריכה מתוחכמים כדי לממש את מלוא פוטנציאל הביצועים של LNA. ניתן לפגוע בקלות בביצועי חלק מעולה על ידי פריסה או תאום עכבות לא טוב, כך ש‏קריטי להשתמש בדיאגרמות Smith מסופקות יצרן (ראה, “דיאגרמת Smith‏: כלי גרפי 'עתיק' עדיין חיוני בתכנון RF”), יחד עם מודלים אמינים של המעגל כדי לתמוך בתוכנת סימולציה וניתוח.

מסיבות אלו, כמעט כל היצרנים של מגברי LNA ביצועים-עיליים שעובדים בתחום ה-GHz מציעים לוח הערכה או פריסת לוח מעגל מודפס בדוקה, מאחר וכל היבט של הגדרת בדיקה הוא קריטי, כולל פריסה, מחברים, הארקה, מעקפים ואספקת כוח. ללא משאבים אלו, מתכננים יבזבזו זמן בניסיון להעריך את ביצועי החלק ביישום שלהם.

דוגמה של LNA מבוסס‏ GaAs‏ הוא ה-HMC519LC4TR, ‏התקן 18‏ עד ‎31 GHz‏ pHEMT‏ (טרנזיסטור פסאודו-מורפי ניידות-אלקטרון גבוהה) מבית Analog Devices‏ (איור 2‏). חבילה קרמית 4‏ ×‏ 4 מ"מ הרכבה-משטחית זו, ללא חוטים מוליכים, מציעה הגבר אות קטן של ‎‎14 dB‏ ביחד עם ‏ספרת רעש נמוכה של ‎3.5 dB‏ ו-IP3‏ גבוה‏ של‏ ‎23 dBm+‏. היא מושכת mA‏ 75‏ מאספקה‏ יחידה של 3‎ V+.

איור 2‏: ה-HMC519LC4TR GaAs LNA מספק הגבר עם רעש נמוך עבור כניסות ברמה נמוכה מ-18‏ עד GHz‏ 31‏; מרבית חיבורי‏ המארז הם עבור פסי מתח, הארקה, או ללא-שימוש. (מקור תמונה: Analog Devices)

יש‏ התקדמות תכנון מדיאגרמת המלבנים הפונקציונלית הפשוטה שלו אל הקבלים החיצוניים המרובים עם ערכים וסוגים שונים‏ הנחוצים כדי לספק מעקף RF נכון עם פרזיטיות נמוכה על שלוש הזנות פס-מתח, מצוינים V_dd (איור 3‏).

איור 3‏: ביישום של‏ העולם-האמיתי, ה-HMC519LC4TR LNA דורש קבלי מעקף מרובים על פסי-המתח שלו – כולם בעלי אותו דירוג מתח – כדי לספק קיבוליות גבוהה עבור סינון תדר-נמוך כמו גם קבלים בעלי ערכים קטנים יותר עבור מעקף RF כדי להקטין למינימום פרזיטיות RF. (מקור תמונה: Analog Devices)

שרטוט מורחב זה מוביל אל לוח ההערכה, שמפרט פריסה כמו גם BOM, כולל שימוש בחומר לוח מעגל מודפס שאינו FR4. (איור (a)‏4 ו-(b)‏4).

איור (a)‏4

איור (b)‏4

איור 4‏: בהינתן התדרים הגבוהים בהם מגברי LNA קצה-קדמי אלה עובדים, והרמות הנמוכות של האותות שהם חייבים ללכוד, תכן הערכה‏ מפורט ובדוק הוא‏ חיוני. זה כולל‏ שרטוט (אינו מוצג), פריסת לוח (a‏), ומפרט חומרים (BOM), עם פירוט‏ רכיבים פסיביים וחומר לוח מעגל מודפס (b‏). (מקור תמונה: Analog Devices)

מגבר‏ GaAs LNA עבור תדרים אפילו גבוהים יותר הוא‏ ה-MACOM MAAL-011111, שתומך בעבודה של 22‏ עד GHz‏ 38‏ (איור 5‏). הוא מציע הגבר אות-קטן של ‎19 dB‏, יחד עם ספרת רעש של‏ dB‏ 2.5‏. מגבר LNA זה נראה כהתקן דרגה-אחת, אך פנימית הוא למעשה בעל שלוש דרגות משורשרות. הדרגה הראשונה ממוטבת במיוחד לרעש הנמוך ביותר והגבר בינוני, בעוד הדרגות הבאות מספקות הגבר נוסף.

איור 5‏: לעיני המשתמש, ה-MAAL-011111 LNA נראה כמגבר‏ דרגה-אחת, אך פנימית הוא משתמש בסדרת דרגות הגבר‏ המתוכננת למקסם יחס אות-לרעש (SNR) של מסלול אות כניסה-ליציאה, תוך כדי הוספת הגבר משמעותי ביציאה. (מקור תמונה: MACOM)

כמו ה-LNA של Analog Devices‏, ה-MAAL-011111 דורש אספקת מתח-נמוך יחידה בלבד והוא זעיר, במידות 3‏ ×‏ 3‏ מ"מ בלבד. המשתמש יכול לכוונן ולהתפשר על מפרטי ביצועים מסוימים על ידי קביעת מתח האספקה בערכים שונים בין ‎3.0 ו-V‏ 3.6‏. פריסת הלוח המוצעת מראה את מידות הנחושת הקריטיות של לוח המעגל המודפס הדרושות כדי לשמור על תאום עכבות וביצועי משטח הארקה נכונים (איור 6‏).

איור 6‏: הפריסה המוצעת כדי להשיג את המרב מה-MAAL-011111 של MACOM, תוך כדי השגת גם תאום עכבות כניסה ויציאה. שים לב לשימוש בנחושת של לוח המעגל המודפס עבור קווי העברה מבוקרי-עכבה כמו גם משטחי הארקה עכבה-נמוכה‏ (מידות במילימטרים). (מקור תמונה: MACOM)

ה-PA דוחף את האנטנה

בניגוד לאתגר הקשה של לכידת-האות של ה-LNA‏, ה-PA לוקח מהמעגל אות חזק יחסית עם SNR גבוה מאוד‏ וחייב להגדיל את הספקו. כל הגורמים הכלליים אודות האות ידועים, כגון משרעת, אפנון, צורה, מחזור פעולה (duty cycle) ועוד. זהו רביע האות-הידוע/הרעש-הידוע של מפת עיבוד-האותות, והקל ביותר לניהול.

הפרמטר הראשוני של ה-PA הוא יציאת ההספק שלו בתדר הרצוי, עם הגבר אופייני המשתרע בין 10+ ו-30‎ dB+. יחד עם הגבר, נצילות היא הפרמטר הקריטי האחר של מגבר PA, אך כל הערכה של נצילות היא מסובכת על ידי הדגם בשימוש, אפנון, מחזור פעולה (duty cycle), עיוות מותר והיבטים אחרים של האות שיש להגביר. נצילויות PA נמצאות בתחום שבין 30 ל-80%, אך זה תלוי במידה רבה בגורמים רבים. ליניאריות PA, גם כן קריטית, נקבעת על ידי IP3, כמו עבור ה-LNA. 

בעוד שמגברי PA רבים משתמשים בטכנולוגיית CMOS ברמות הספק נמוכות יותר (עד בערך 1 עד 5‎ W), בשנים האחרונות טכנולוגיות אחרות הבשילו ונמצאות בשימוש נרחב, במיוחד בהספקים גבוהים יותר בהם נצילות היא קריטית עבור חיי סוללה ושיקולים תרמיים. מגברי PA המשתמשים בגליום ניטריד (GaN) מציעים נצילות גבוהה יותר ברמות הספק גבוהות יותר ובתדרים גבוהים יותר (אופיינית מעל 1‎ GHz), כשיש דרישה לתוספת של מספר וואטים או יותר. מגברי GaN PA הם תחרותיים בעלות, במיוחד כשנצילות ופיזור הספק מובאים בחשבון.

ה-Wolfspeed CGHV14800F, התקן‏ 1200‏ עד ‎1400 MHz,‏ W‏ 800‏, הוא‏ נציג של‏ חלק ממגברי ה-PA מבוססי ה-‏GaN‏ העדכניים ביותר. שילוב הנצילות, ההגבר ורוחב-הפס של HEMT PA זה‏ ממוטב במיוחד עבור מגברי פולסים בתחום L-band של מכ"מ, מאפשר למתכננים למצוא שימושים רבים ביישומים כגון בקרת תעבורה אווירית (ATC), מזג-אוויר, נגד-טילים, ומערכות מעקב-מטרה. תוך שימוש באספקת-כוח של‏ V‏ 50‏, הוא מספק נצילות שפך (Drain) של 50% ויותר, ובא במארז קרמי ‏10 ×‏ ‏20‏ מ"מ עם אוגני מתכת עבור קירור (איור 7‏).

איור 7‏: המארז הקרמי ‏10 ×‏ ‏20‏ מ"מ עם אוגני מתכת של‏ ה-CGHV14800F,‏ 1200 עד ‎1400 MHz,‏ 800‎ W,‏ GaN PA,‏ חייב לעמוד בו-זמנית בדרישות RF ופיזור חום קשות. שים לב שאוגני המתכת הם להברגה ולא להלחמה של המארז ללוח המעגל המודפס, עבור שלמות מכנית ותרמית. (מקור תמונה: Wolfspeed‏)

ה-CGHV14800F עובד מאספקה של‏ V‏ 50‏, ומספק בדרך כלל הגבר הספק של‏ ‎14 dB עם נצילות שפך (Drain)‏ > ‎65%. כמו במקרה של מגברי LNA‏, מעגלי הערכה ותכני ייחוס הם חיוניים (איור 8‏).

איור 8‏: מעגל ההדגמה המסופק עבור ה-CGHV14800F PA דורש מספר קטן של רכיבים מעבר להתקן עצמו, אך פריסה פיזית ושיקולים תרמיים הם קריטיים; ה-PA מחובר ללוח עם ברגים ואומים (בחלק התחתון, לא נראים לעין) באמצעות אוגני מארז המשרתים הן את תקינות ההרכבה והן את המטרות התרמיות. (מקור תמונה: Wolfspeed‏)

חשובה באותה המידה, מבין טבלאות המפרטים ועקומות הביצועים הרבות, היא עקומת הירידה בביצועים (Derating‏) כפונקציה של פיזור ההספק (איור 9‏). עקומה זו מראה דירוג הספק יציאה זמין כפונקציה של טמפרטורת מארז, ומציינת שההספק המקסימלי המותר הוא קבוע עד 115⁰C, אחר כך יורד ליניארית עד לדירוג הטמפרטורה המקסימלי של 150⁰C.

איור 9‏: בשל תפקידו לספק הספק, עקומת הירידה בביצועים (Derating‏) של PA דרושה כדי להציג למתכננים את הירידה בהספק היציאה המותר עם העלייה בטמפרטורת המארז. כאן, דירוג ההספק נופל במהירות מעל C‏°‏115. (מקור תמונה: Wolfspeed‏)

חברת MACOM מציעה גם מגברי PA מבוססי-GaN‏ כמו טרנזיסטור ה-NPT1007 GaN‏ (איור 10‏). טווח התדרים DC‏ עד ‎1200 MHz הופך אותו מתאים הן עבור יישומי RF פס רחב והן פס צר. בדרך כלל הוא עובד מאספקה יחידה בין 14 ו-28‎ V, מספק הגבר אות-קטן של ‎18 dB‏ ב-MHz‏ 900. הוא מתוכנן לסבול אי-התאמה של ‎10:1 SWR‏ (יחס גלים עומדים) ללא דגרדציה של התקן.

איור 10: ה-NPT1007 GaN PA מבית MACOM עובד בטווח התדרים DC‏ עד ‎1200 MHz, טווח ההופך אותו מתאים הן עבור יישומי RF פס רחב והן פס צר. מתכננים מקבלים תמיכה נוספת באמצעות מגוון גרפים של load-pull. (מקור תמונה: MACOM)

בנוסף לגרפים המציגים יסודות ביצועים ב-500, 0‏90‏ ו-‎‏‎1200 MHz‏, ה-NPT1007‏ נתמך על ידי מגוון ‏גרפים של "load-pull" כדי לעזור למתכנני מעגלים ומערכות השואפים להבטיח מוצר‏ חזק (איור 11‏). בדיקות load-pull מתבצעות תוך שימוש במקור אותות‏ מזווג עם מנתח אותות (נתח תדרים, מד הספק או מקלט וקטור).

הבדיקה דורשת שינוי העכבה כפי שנראית על ידי ההתקן הנבדק (DUT) כדי להעריך את ביצועי ה-PA (מכסה גורמים כמו הספק יציאה, הגבר ונצילות) כיוון שכל ערכי רכיב נלווה יכולים להשתנות בגלל תזוזות טמפרטורה, או כתוצאה משינויים בפסי הטולרנס סביב הערכים הנומינליים שלהם.

איור 11‏: גרף ה-load-pull עבור ה-NPT1007 PA הולך מעבר לטבלה הסטנדרטית של ‏מפרטים מינימליים/מקסימליים/אופייניים כדי להראות ביצועי PA כשעכבת העומס שלו מתרחקת מערכה הנומינלי, מצב שיקרה בשימוש אקטואלי בשל טולרנסים התחלתיים של ייצור כמו גם סחיפה תרמית. (מקור תמונה: MACOM)

ללא קשר לתהליך ה-PA בו משתמשים, עכבת היציאה של ההתקן חייבת להיות מאופיינת במלואה על ידי היצרן כך שהמתכנן יוכל להתאימה כראוי לאנטנה עבור העברת הספק מקסימלי, ולשמור על SWR קרוב ככל האפשר ליחידה. מעגל תאום זה עשוי בעיקר מקבלים ומשרנים, והם יכולים להיות מיושמים כהתקנים בדידים, או מיוצרים כחלק מלוח המעגל המודפס או אפילו ממארז המוצר. הם חייבים גם להיות מתוכננים לשמור על רמות ההספק של ה-PA. מצד שני, השימוש בכלים כמו דיאגרמת Smith הוא חיוני להבנה וליישום תאום העכבות הנדרש. 

בשל גודל הפיסה הקטן של מגברי PA ורמות הספק גבוהות, אריזה היא נושא קריטי. כמתואר לעיל, מגברי PA רבים תומכים בגופי-קירור באמצעות מוליכי מארז ואוגנים רחבים מפזרי חום, כמו גם שבלול תרמי (thermal slug) מתחת למארז הפועל כמסלול אל נחושת לוח המעגל המודפס.‏ ברמות הספק גבוהות (מעל 5 עד 10‎ W) ה-PA יכול להיות בעל כיסוי נחושת כדי לאפשר הרכבת גוף קירור עליו, ויתכן שיש צורך במאווררים או בטכניקות קירור מתקדמות אחרות. 

דירוגי ההספק והגודל הקטן הקשור למגברי GaN PA ‏משמעותם שמידול הסביבה התרמית הוא קריטי. כמובן, זה לא מספיק לשמור את מגבר ה-PA עצמו בקופסה או בטמפרטורת צומת מותרת. כל חום המורחק מה-PA אסור שיהווה בעיה לחלקים אחרים של המעגל והמערכת. יש לתת את הדעת, לטפל ולהכריע בכל נושא המסלול התרמי.

סיכום

מערכות מבוססות RF, החל מסמארטפונים עד תחנות קרקעיות VSAT ומערכות מכ"מ מערך-מופע, דוחפות את מגבלות הביצועים של מגברי LNA ו-PA. זה דחף יצרני התקנים לנוע אל מעבר לסיליקון כדי לחקור GaAs‏ ו-GaN‏ ולספק את הביצועים הדרושים.

טכנולוגיות תהליכים חדשות אלו מספקות למתכננים התקנים בעלי רוחב-פס רחב יותר, חתימות שטח קטנות יותר ונצילות גבוהה יותר. עם זאת, מתכננים חייבים להבין את מושגי היסוד של‏ מגברי LNA ו-PA כדי ליישם ביעילות טכנולוגיות חדשות אלו.