מתרגשים מנושא המכ”מ!

לדור הבא של מערכות מכ”מ מתקדמות נדרשת רמה מוגברת של רזולוציה רגישות ויכולת מעקב. על מנת לעמוד בצרכים אלו, למערכות המכ”מ יש צורך בצורות
גל מורכבות יותר וברמות – שגדלות בהתמדה – של בקרה בתוך שרשרת האותות של יחידת העירור (Exciter). בנוסף לתכונות אלו שנדרשות בנתיב האותות של היחידה המעוררת, קיים הדחף לכיוון שיפורים בנושא חיסכון, היינו, צריכת הספק נמוכה יותר, גודל פיסי קטן יותר ומשקל קל יותר, וכן ארכיטקטורות גמישות ומודולריות יותר.
יצירת צורות הגל של מערכת העירור במכם חשובה לפעולה ולביצועים של המכ”מ, באותה מידה כמו שרשרת האותות של המקלט, על אף שאין דנים בה או מנתחים אותה, באותה תכיפות כפי שמשווים אותה לשרשרת אותות המקלט. מחולל צורות גלי עירור זה מהווה היבט חשוב ביותר של שיטות ניהוג הקרן (beam steering) ויצירת האותות הלא-ליניאריים המורכבים. לשיטות שונות אלו נדרש מגוון רחב של ארכיטקטורות מתקדמות ומבחר של רכיבים, על מנת לחולל את אותות המכ”מ התומכים במערכות משדרי מערך אלומות (מערך מופע – Phased Array) המאתגרים.
קיים מגוון רחב של טכנולוגיות זמינות עבור תחום זה שתומכות באיש התכנון של יחידת העירור של המכ”מ. שלוש טכנולוגיות ייחודיות בתחום זה הן סינתזה ספרתי ישיר (Direct Digital Synthesis), ממירים מהירים מספרתי לאנלוגי לתדירות רדיו (DACs) ומערכות סינתזה משולבות של שבר (Frac-N), כאשר לכל אחת מהן היתרונות שלה.
התקני DDS משמשים מזה זמן רב ליצירה של צורות גל למכ”מ. התקני DDS מספקים את רמת השילוב וההפשטה שנדרשת להן כתיבה של קבוצה מוגבלת בלבד של פרמטרים בתוך ההתקן על מנת שזה יצור מחי (sweep) תדירות ליניארי מאופנן, שהוא סוג אות המשמש באופן נרחב במערכות מכ”מ. לדוגמה, SD9914/5 הוא התוספת האחרונה למשפחת התקני DDS של Analog Devices והוא יכול לתמוך ביצירת אותות בעלת יכולת זריזה לשינוי תדירות על פני רוחב פס של 1.4 ג’יגה הרץ. מילות כיוון התדירות והבקרה נטענות לתוך AD9914 דרך חיבור כניסות ויציאות טורי או מקבילי. באמצעות מצב המחי (sweep) המשולב AD9914 יכול ליצור תדירות, מופע (פאזה) או משרעת (אמפליטודה) של צורות גל שמשתנות במחי באופן ליניארי. חיבור port מקבילי של 32 סיביות קיים אף הוא על מנת לתמוך בכתיבה מהירה של פרמטרי בקרה ולהגדיל את זריזות התגובה של יציאת DDS.
ממירי DAC לת”ר (RF) מספקים את הפתרון המלא במונחים של מורכבות ושל יצירת צורות גל ברוחב פס רחב. הנתונים מוזנים בדרך כלל ישירות מתוך התקן FPGA ו/או ממקור שבזיכרון, אשר ממנו אפשר לאחזר צורות גל מורכבות ו”לנגן” אותן דרך ממיר DAC. הממיר AD9129 הוא ממיר DAC המתקדם ביותר ל-5.6 ג’יגה דגימות בשנייה ויש לו יכולת ליצור אותות על פני רוחב פס של 1.4 ג’יגה הרץ. צורות הגל עוברות חישוב ראשוני ומאוחזרות מתוך הזיכרון, כך שאפשר ליצור צורות גל מורכבות ביותר לרבות צורות גל לא ליניאריות מאופננות בתדירות המשמשות במערכות המתקדמות ביותר כיום. אפשר לשנות את קצב הדילוג, את אורך אות הדופק (pulse) ואת תדירות החזרה של אות הדופק בתוך דגימת ממיר DAC יחידה, או ברזולוציה של 350 פיקו שנייה, בתנאי שזריזות התגובה בתדירות נשמרת בתוך רוחב הפס של ממיר DAC.
עבור מערכות מכ”מ הפועלות בפס L ובפס S, אפשר להשתמש בטכנולוגיית DDS ובממירי DAC לת”ר באופן ישיר, בלי להיזקק להמרת תדירות כלי מעלה, עובדה אשר מקטינה באופן משמעותי את מורכבות המערכת כלומר, חיסכון בהספק, בגודל ובמשקל. לדוגמה, כאשר משמשים ב-AD9129 במצב מעורב, הוא יכול ליצור צורות גל בתדירות של עד 4.2 ג’יגה הרץ. עם זאת, עבור מערכות מכ”מ תדירות פעולה בפס X או בתדירות גבוהה יותר, ייתכן שתידרש למערכת DS או לממיר DAC לת”ר לפחות דרגה אחת להמרת תדירות מעלה, על מנת להציב את צורת הגל באופן נכון בתדירות הרדיו הנכונה.
קצבי הדגימה של מערכת DDS ושל ממיר DAC ימשיכו לגדול, ועל פי הצפוי ככל הנראה יהיה בעתיד הקרוב מענה לפס C ולפס X ללא דרגות המרת תדירות כלפי מעלה. עם זאת, הסינתיסייזרים לתדירות המתקדמים ביותר הפועלים בטכנולוגיית Frac-N, כמו למשל ADF4159 מספקים כיום אפשרות אחת לכיסוי היצירה של צורות גל בפס L עד פס X באמצעות התקן יחיד בלבד. מצב זה מקטין באופן משמעותי את גודל המערכת, את משקלה ואת צריכת ההספק הכוללת של המערכת כפי שמוצג באיור 1. עם זאת אחד החסרונות שלה הוא שטכנולוגיית Frac-N אינה גמישה במונחים של זריזות תגובה כמו מערכות ממירי DAC לת”ר, אך היא מציעה יכולת יצירה הן של צורות גל מהירות והן של צורות גל איטיות, ועדיין היא צורכת 89 וואט בלבד. מערכת Frac-N דומה למערכת DDS בכך שיש לה מידה משמעותית של הפשטה שאפשר לאמת אותה בתוך ההתקן באמצעות ממשק SPI פשוט. אפשר ליצור צורות גל שונות, כמו למשל שן מסור או משולש וכן אותות מחי (sweep) או אפשר לשנות אותם על פי הצורך על מנת לספק זריזות תגובה בתדירות.
ההתקדמות של התקני DDS, ממירי DAC וחוגי PLL מספקת לאנשי התכנון של מערכות מכ”מ כמה שיטות שונות וטכנולוגיות מגוונות, אשר מתוכן הם יכולים לבחור, אך הבחירה הסופית תלויה עד מאוד ביישום הסופי. העלייה הנמשכת ברוחב הפס ובאפשרויות האינטגרציה בתוך שרשרת האותות הזו תסייע להפחית את המורכבות הכוללת של מערכות המכ”מ באופן כללי. מעניין יהיה לעקוב כיצד מגמה זו ממשיכה לעמוד בדרישות של מערכות המכ”מ מהדור הבא.

מאת: Rob Reeder, Analog Devices