Progettare switch Rf destinati allo spazio

AEROSPAZIO –

Gli switch Rf giocano un ruolo importante nei payloads su navette spaziali e satelliti, grazie alla robustezza e alle prestazioni elettriche offerte dalla tecnologia UltraCmos, e dai suoi oltre vent’anni di esperienza nei voli spaziali.

Gli ambienti difficili, con
condizioni proibitive, abbinati alle applicazioni spaziali pongono i componenti
per radiofrequenza di fronte a requisiti particolarmente stringenti in merito
alle radiazioni. Gli effetti delle radiazioni possono condurre a parametri
aggiuntivi di degradazione dei dispositivi, interruzioni e discontinuità nelle
prestazioni o modalità distruttive. Il principale requisito per componenti
qualificati per applicazioni spaziali è l'abilità di sopravvivenza alle
radiazioni presenti in tutto lo spazio, dovendo garantire un funzionamento
affidabile a lungo termine. I dispositivi resistenti alle radiazioni sono in
grado di funzionare in questo ambiente con una lunga vita operativa anche
quando vengono sottoposti a radiazioni elettromagnetiche solari, ioni pesanti o
particelle cariche.

Radiazioni
Single Event Effect e Total Ionizing Dose

Nel complesso ambiente
spaziale si hanno principalmente due tipi di radiazioni. I See (Single event
effect
) sono istantanei meccanismi di guasto causati da radiazioni che si
verificano in maniera naturale nello spazio. Ci sono due tipi principali di See.
I Seu (Single event upset) sono errori non distruttivi o lievi, che
possono essere corretti. Possono apparire come impulsi transienti nella logica
o circuiteria di supporto, o come cambiamenti di stato nelle celle di memoria o
registri. I Sel (Single event latchup), d'altra parte, sono spesso
catastrofici, manifestandosi con danni permanenti che richiedono, come minimo,
un reset o un riavvio di salvataggio. Un Sel può verificarsi quando una
particella ad alta energia colpisce un dispositivo a semiconduttori, causando
un corto circuito tra alimentazione e massa all'interno del dispositivo. La Tid
(Total ionizing dose) è un effetto cumulativo dell'esposizione a lungo
termine a elettroni e protoni dovuti all'attività solare. La graduale
degradazione dei parametri dei componenti come le correnti di alimentazione e
dispersione, le tensioni di soglia, e il tempo di propagazione sono
caratteristici dei guasti Tid. I requisiti di durata delle missioni con
navicelle spaziali e satelliti e l'altitudine delle orbite determinano il
livello di radiazioni ionizzanti cui i componenti dovranno sottostare. I
livelli tipici sono compresi tra 10 e 100 krad(Si). Livelli inferiori di
esposizione alla ionizzazione (< 0.1 rad/sec) è stato dimostrato come
degradino significativamente alcuni dispositivi bipolari. L'esposizione di
questa natura è chiamata Eldrs (Enhanced low dose rate sensitivity).

La
tecnologia Solid-State Switch

Gli switch Rf giocano un
importante ruolo nei sistemi di comunicazione dei veicoli spaziali e payload
Rf
come router di segnali, antenna array, e circuiti
trasmettenti/riceventi. Ci sono molte tecnologie di switch Rf disponibili per
questo mercato, e ognuna ha i suoi vantaggi e svantaggi. Gli switch RF solid-state
sono appetibili per il mercato spaziale perché sono tipicamente più affidabili
e mostrano un più lungo ciclo di vita rispetto agli switch elettromeccanici. Tuttavia
la maggior parte dei componenti commerciali non sono destinati ad applicazioni
spaziali e possono richiedere tecniche aggiuntive di riduzione delle
radiazioni, e sforzi di qualificazione, con conseguenti elevati costi di
sviluppo. Le condizioni ambientali proibitive abbinate alle radiazioni spaziali
limitano quindi le scelte dei progettisti. Gli switch a diodo Pin, una delle
tecnologie più vecchie, forniscono un buon funzionamento alle alte frequenze,
con basse perdite di inserzione e migliore capacità nella gestione della
potenza in confronto alla maggior parte degli switch solid-state.
Tuttavia, non funzionano in prossimità della Dc, dato che la loro performance
elettrica degrada alle basse frequenze a causa dello spessore della loro
regione intrinseca. Richiedono anche componenti esterni aggiuntivi e una
maggiore corrente di funzionamento in confronto agli switch solid-state.
I diodi Pin dimostrano un'adeguata tolleranza alle radiazioni e sono spesso
usati nei servizi di rilevamento di radiazioni nucleari ed elettromagnetiche. Gli switch a Mesfet all'arseniuro
di gallio, GaAs, e i più recenti Phemt (Pseudomorphic high electron mobility
transistor
) offrono prestazioni convincenti per la maggior parte delle
applicazioni in alta frequenza, larga banda, e con potenza da bassa a moderata.
Gli switch GaAs sono più vulnerabili ai danni da Esd della tecnologia del
silicio e l'implementazione delle circuiterie di logiche di controllo risulta
più difficoltosa. A causa della loro struttura planare, gli switch Mesfet GaAs
e Phemt non patiscono i Sel. Tuttavia, la suscettibilità ai Seu è una
preoccupazione per i circuiti integrati GaAs ad alta velocità.
L'implementazione di tecniche progettate per mitigare gli effetti dei radiation
upset
diviene più difficoltosa dato che la velocità di clock e la velocità
di funzionamento aumentano, con tecnologie più piccole. Gli switch Bulk Cmos
sono i meno cari da produrre, ma si caratterizzano per una elevata perdita di
inserzione e basso isolamento dovuti alle caratteristiche fisiche e alla
conduttività del substrato di silicio. Inoltre, gli effetti parassiti dei Bulk
Cmos
restringono la frequenza operativa e la linearità degli switch. Gli
schemi che vengono implementati con Bulk Cmos sono sensibili ai Sel. Quando una particella ad alta energia colpisce il
tiristore parassita inerente nel substrato, si può verificare un Latchup, che
causa un cortocircuito tra alimentazione e terra all'interno del dispositivo. La
tecnologia Cmos Silicon-on-Insulator è più indicata per switch Rf
del Bulk Cmos a causa della bassa natura parassita del suo substrato
isolante. Nuovi progressi in questa tecnologia hanno dimostrato performance
elettriche competitive nei confronti degli switch Rf Solid-State,
potendo offrire eccezionali proprietà nei confronti delle radiazioni senza la
necessità di costose tecniche di mitigazione. Gli switch Micro-Electro-Mechanical
System
apportano rilevanti miglioramenti nelle prestazioni Rf, e allo
stesso tempo offrono basso consumo e ridotte dimensioni. Sel non sono possibili
negli switch Mems, dato che non c'è un percorso per il flusso di corrente.
Tuttavia, l'elettronica di controllo risulta sensibile ai See e l'affidabilità
dei componenti rimane un interrogativo nelle applicazioni spaziali. Ulteriori
ricerche sono è necessarie per comprendere l'affidabilità a lungo termine e
l'effetto delle radiazioni sugli switch Rf Mems. Il Nitruro di Gallio (GaN) è
la tecnologia più recente, e offre elevati livelli di potenza gestita, basse
perdite di inserzione, e basse correnti. A parte richiedere elevate tensioni di
funzionamento, la riuscita crescita della qualità del dispositivo epitassiale
al GaN su wafer di silicio è ancora nella sua infanzia. Per l'ambiente
spaziale, i dispositivi realizzati con GaN promettono di apportare affidabilità
nel funzionamento, e i primi risultati di test indicano che questa tecnologia è
anche in grado di resistere alla maggior parte dei livelli di radiazione.

La
tecnologia UltraCmos
e l'immunità a Single Event Effect

La tecnologia UltraCmos è un
processo Rf Soi avanzato sviluppato da Peregrine Semiconductor. Questa
tecnologia utilizza un substrato di zaffiro sintetico come isolante elettrico
quasi perfetto. I prodotti creati utilizzando la tecnologia UltraCmos non contengono
cosiddetti bulk parasitics trovati nei dispositivi a Cmos normali,
rendendo impossibili i corto circuiti dovuti a radiazioni. Il quasi perfetto
substrato consente basse capacità parassite, elevato isolamento di segnale,
eccellente linearità broadband, e immunità inerente a Sel. Lo strato
ultrasottile di silicio genera la più piccola raccolta di carica Seu possibile
con qualsiasi tecnologia di produzione al silicio. I
prodotti realizzati sulla tecnologia UltraCmos sono rinforzati da procedimenti
affinché sopportino livelli di Tid superiori a 100 krad(Si). Ulteriori tecniche
di progettazione assicurano una buona operatività funzionale e parametrica
quando esposti a See e Tid, con effetti trascurabili sui parametri elettrici. I
dispositivi derivanti forniscono significativi vantaggi al settore spaziale
commerciale, come l'integrazione di circuiteria analogica, digitale e di alte
prestazioni su un singolo monolita, rad-hard die, con elevata
affidabilità, e ridotte dimensioni, peso e costi. Un esempio realizato da
Peregrine è lo switch RF SPDT PE95421 non-reflective, che include un
controller Cmos integrato. Questo dispositivo single-chip mostra una
bassa perdita di inserzione, elevato isolamento e linearità, in un package
ceramico ermeticamente sigillato. Lo switch mostra perdite trascurabili di
corrente quando sottoposto a Tid di 100 krad (Si) ed è in grado di resistere ad
elevati livelli di penetrazione di ioni pesanti, senza alcuna esitazione o
guasto dovuti a See.

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