הגלים המילימטרים – עתודה ספקטראלית לתקשורת ומכ”מ

בשנים האחרונות גוברת ההתעניינות בתחום התדרים מעל 30GHz. תחום זה קרוי “גלים מילמטרים” בשל אורך הגל הקצר מסנטימטר. זהו התחום הגבוה ביותר לו ניתן שם על ידי ארגון התקינה הבינלאומי ה-ITU. הכינוי שניתן, Extremely High Frequency מרמז אולי, שבאותם הימים, לא נראה היה שיהיה בו צורך. תחום ה-EHF הוא רחב מאד ומשתרע מעל לתחום ה’קונבנציונלי’ המשמש כיום למערכת אלחוטית של תקשורת ומכ”מ (ראה טבלה 1). הפעילות בתחום, היתה בעיקרה אקדמית והתעשייה נמנעה מלפתח בה מוצרים, זאת בשל העדר בשלות טכנולוגיות, קשיים במימוש משדרים ומקלטים בטכנולוגית מצב מוצק והעלויות הגבוהות הכרוכות בכך.

טבלה 1: הספקטרום האלקטרומגנטי וחלוקתו לתחומים

טבלה 1: הספקטרום האלקטרומגנטי וחלוקתו לתחומים

הספקם של מגברים ומחוללים המבוססים על התקני מצב מוצק נופל באופן ניכר ככל שמעלים את התדר לתחום ה-EHF. בתחום הגלים המילימטרים ניתן להפיק הספקים של עד מאות בודדות של מילי-וואטים מהתקנים כאלה. ראוי לציין שבניגוד להתקני מצב מוצק, מקורות קרינה המבוססים על שפופרות אלקטרונים כמו ג’ירוטרונים וקלייסטרונים מסוגלים להפיק הספקים גבהים מאד המגיעים עד כדי מאות קילוואטים, אולם הם התקנים מורכבים מאד, הכוללים מערכות פריפריאליות רבות ובעלי ממדים גדולים ועלות גבוהה, דבר שהופך אותם לבלתי מתאימים ליישומים מסחריים בהיקף רחב, בוודאי לא אזרחיים.
ההספקים הנמוכים של התקני מצב מוצק מחד, והרגישות הנמוכה של הגלאים מאידך, הפכו את המימוש של הערוץ האלחוטי לבלתי מעשי, במיוחד כאשר מדובר על טווחים של מעל למאות

מטרים. מאזן הערוץ הנמוך, והעובדה שהאטמוספרה אינה ‘שקופה’ לקרינה אלקטרומגנטית בתחום הגמ”מ, הביאו לכך שהמערכות שפותחו היו בעיקרן לטווחים קצרים, ויועדו לשימושים ממוקדים כמו מכ”מ קצר טווח לרכב, אמצעים לגילוי מרחוק של אמצעי לחימה מוסתרים בהקשר לביטחון המולדת1, מערכת ניטרול אקטיבית (Active denial system) ומספר שימושים רפואיים. מיעוט היישומים גרם לכך שעלויות רכיבי הגמ”מ הן האקטיביים ואפילו הפאסיביים נשארו גבוהות.
תחום תדרי ה-EHF הוא רחב ופנוי יחסית ממשתמשים, דבר המאפשר העברת תקשורת רחבת סרט הנושאת אינפורמציה בקצב גבוה. אורך הגל הקצר מאפשר מזעור של המערכת, תוך שימוש באנטנות בעלות שבח גבוה גם בממדים קטנים ולשפר בכך את מאזן הערוץ. באמצעות הרחבת הסרט ניתן להשיג במערכות חישה מרחוק ומכ”מ כיווניות גבוהה ורמות הבחנה משופרות בממד הרוחבי ודיוקי מרחק בממד האורכי. המצוקה הניכרת כיום בתחומים הנמוכים של הספקטרום גרמה לכך שכבר בתחילתו של השיח בנושא הדור החמישי (5G) של התקשורת התאית (Cellular), נדונה האפשרות לנצל תדרים גם מתחום ה-EHF לתקשורת ניידת2.
בשל דלות ההספק המופק בגלים המילימטרים, יהיה צורך ליישם טכניקות אפנון העושות שימוש במעטפת קבועה (Constant envelope). שיטות אפנון כאלה תנצלנה את מלוא ההספק השיאי המופק מההתקן, כך שהיחס Peak to Average של השידור יהיה נמוך ככל האפשר. שיטת ה-OFDM הנהוגה ברשתות תקשורת אלחוטיות אינה כזו, וסובלת מ-PAPR גבוה. לעומת זאת, כל השיטות ממשפחת האפנון הזוויתי, בהן מעטפת גל הנושא אינה משתנה, הן יעילות מבחינה אנרגטית ומאפשרות השגת נצילות גבוהה3. במערכות מכ”מ למשל, נהוג לעשות שימוש בשיטת ה-FMCW, תוך שידור ‘ציוץ’ (Chirp) בתדר המשתנה באופן לינארי בעוד שהמעטפת שלו נשארת קבועה. נציין ששיטות אפנון זוויתיות נוטות להרחבת פס הערוץ, אך במקרה הזה, הספקטרום פנוי.
נושא נוסף אליו ראוי להתייחס בתכנון ערוץ אלחוטי בתחום הגלים המילימטרים הוא התווך האטמוספרי. הגזים העיקריים המרכיבים את האטמוספרה של כדור הארץ הם בריכוזים של 78.084% חנקן N2, 20.948% חמצן O2, 0.934% ארגון Ar ו-0.0314% פחמן דו-חמצני CO2. באטמוספרה לחה מתווספים אדי מים H2O בריכוז שבין 1% ל-4%. כמו כן מופיעים חלקיקי אבק ואובך וחומרים מזהמים אחרים. בתחומי התדר הנמוכים, האטמוספרה כמעט שאינה מורגשת, והיא שקופה לגל האלקטרומגנטי המשודר דרכה. אולם ככל שהתדר גדל, מובחנת בליעה של המולקולות המרכיבות את האטמוספרה (בעיקר חמצן O2 ומים H2O). בליעה זו היא סלקטיבית ונובעת מתהודה רוטציונית במולקולות. מקדם ההתפשטות הוא גודל מרוכב הנתון על ידי:

כאשר הוא מקדם השבירה המקומי (Refraction index), ומהווה פונקציה מרוכבת של התדר:

כאן היא הסוספטביליות החשמלית של הגזים המרכיבים את האטמוספרה ותלויה בתנאי מזג האוויר4. חישוב גודל זה מאפשר לקבל את קבוע הבליעה (Attenuation coefficient):

ומספר הגל (Wavenumber) הוא:

שניהם מתוארים באיור 1. מעיון בגרפים אלה ניכר, שבתחום הגלים המילימטרים (תחום ה-EHF) קיימת בליעה חזקה של מולקולות המים H2O בתדרים של 22GHz ו-183GHz. ניתן להבחין שאם הלחות היחסית יורדת ל-RH=0, נעלמת הבליעה בתדרים אלה. הבליעה בתדרים 60GHz ו-119GHz נובעת ממולקולות החמצן O2. נדגיש שהבליעה בתדר 60GHz היא גבוהה ביותר, כ-15dB/Km. ה-FCC האמריקאי אף קבע בשל כך את התחום של 59-64GHz כתחום תדרים פנוי5.
במאמר זה מוצגים בקצרה מספר אספקטים בתחום ספקטראלי אליו נידרש בעתיד הקרוב. למרות שהעיסוק בתחום הגלים המילימטרים הוא רב שנים, ולאחרונה אף רואים מספר יישומים בתחום המסחרי, הפוטנציאל הגלום בו לתקשורת עדיין אינו מנוצל דיו באופן נרחב. עם ההתקדמות הטכנולוגית, הצורך בהעברת אינפורמציה בפס רחב ובמיוחד בשל המצוקה הקיימת בתחומי התדר המקובלים, נראה ניצול גובר של תדרי הגמ”מ גם בהקשרים אזרחיים. המגבלות הטכנולוגיות והפיזיקליות הקיימות בתדרים בוודאי תבאנה לפיתוח טכניקות ייחודיות אשר תאפשרנה מימוש ערוצי תקשורת אלחוטיים לשימוש ציבורי, וכתוצאה מכך גם להוזלת מרכיבי המערכות.

הפניות
1) “Remote sensing in Tera-Hertz frequencies with an FMCW radar for homeland security application”, Microwave NewTech magazine, May 2010.
2) T. S. Rappaport, W. R., K. Cheun,” Mobile’s Millimeter-Wave Makeover,” IEEE Spectrum, Vol. 51, No. 9, pp. 34-58, Sept. 2014.
3) M. Pinchas and Y. Pinhasi: “A Systematic Approach for Calculating the Symbol Error Rate for the Entire Range of Eb/No above and below the Threshold Point for the CE-OFDM System”, Mathematical Problems in Engineering, Volume 2013
4) Y. Pinhasi, A. Yahalom “Spectral Characteristics of Gaseous Media and Their effects on Propagation of Ultra-Wideband Radiation in the Millimeter Wavelengths” J. Non-Cryst. Sol. 351, (2005), 2925-2928
5) Y. Pinhasi, A. Yahalom, G. A. Pinhasi: “Propagation Analysis of Ultra-Short Pulses in Resonant Dielectric Media”, J. Opt. Soc. Am. B/Vol. 26, No. 12/December 2009

פרופסור יוסי פנחסי הוא דקן הפקולטה להנדסה באוניברסיטת אריאל. תחום התמחותו הוא בנושאים של עירור והתפשטות קרינה אלקטרומגנטית ושימושיה לתקשורת אלחוטית, חישה מרחוק והדמיה. מחקריו עוסקים באינטראקציות רחבות סרט ומפולגות בין שדה אלקטרומגנטי ותווך, כפי שהן מתבטאות במקורות קרינה רבי עוצמה, לייזרים ומייזרים ובהתפשטות קרינה בחומרים דיאלקטריים, במוליכי גלים, בקווי תמסורת, באטמוספרה וביונוספרה. הוא עומד בראש קבוצת מחקר המפתחת מערכות תקשורת ומכ”ם אלחוטיות הפועלות בתחום תדרים רחב, כולל גלים מילימטרים ותת-מילימטרים (Tera-Hertz) תוך שימוש בטכניקות פאסיביות ואקטיביות לגילוי מרחוק של עצמים מוסתרים לצרכי בטחון המולדת. פרסם את הספר “תקשורת אלחוטית בגלי רדיו” אשר יצא לאור בהוצאת האוניברסיטה. פרופ’ פנחסי הוא חובב רדיו פעיל בעל אות קריאה 4Z1VC. בתחנת הרדיו שלו הוא עושה שימוש במכשירי קשר אותם בנה בעצמו.

פרופסור יוסי פנחסי, אוניברסיטת אריאל

תגובות סגורות