Mark Elo, Giga-tronics
במלחמה, עימותים וסכסוכים בין-צבאות אחרים עלינו לגלות כלי טיס דוגמת מטוסי-קרב על-קוליים. דבר זה קבע בעבר כיצד שיפרנו את הביצועים של מערכות מכ”מ ולוחמה אלקטרונית וציוד הבדיקה השייך להם. בעוד הדרישה ליכולת זו עדיין קיימת, שימושים חדישים רבים של מכ”מ הם למטרות פיקוח – אם מדובר בניטור ארגונים צבאיים במזרח התיכון, או בניתוח של פעילות ללא רתיעה המתקיימת בגבולות של מדינות – משמע שאנחנו חייבים לטפל במטרות הרבה יותר איטיות, כגון כלי-רכב, סוסים ואנשים בודדים.
דרישה משתנה זו בולטת בצורה ספציפית יותר במערכות מכ”מ דופלר. מכ”מים אלה מתבססים על אותה התופעה המתרחשת כאשר מקור קול נע לקראת המאזין או מתרחקת ממנו, או כאשר המאזין נע אל או ממקור הקול. כפי שנדון, תיאוריה זו ישימה לא רק בגלי קול, אלא גם בתדרי אותות מיקרוגל.
לדוגמה, נתבונן בהתנגשות בין-צבאות – אם מטוס קרב עוין נע ישירות אל המכ”מ שלנו במהירות של בערך 300mph ואנחנו הארנו אותו תוך שימוש בפולס המשודר בתחום ה-X, נניח 10 גיגה-הרץ, אנחנו נגלה הפרש בתדר של כ-9 קילו-הרץ עד 10 קילו-הרץ מהאות המקורי אל המוחזר. האמפליטודה של האות המוחזר היא מאוד קטנה בהשוואה לזו של האות המקורי שלנו, וכדי שנוכל לגלות אותו דרוש שרעש המופע או יציבות התדר של מסנתז המערכת או המחולל המקומי לא יהיה השולט בתדר החזרה זה.
בחרתי דוגמה זו במיוחד כדי להדגיש שלרוב מחוללי אותות המיקרוגל יש ייטוב רעש מופע כלשהו מסביב ל-10 קילו-הרץ היסט מתחום התדר. למעשה רוב המסנתזים בתחום X וציוד הבדיקה במיקרוגל מציינים רעש מופע בתדר מרכזי של 10 גיגה-הרץ עם היסט של 10 קילו-הרץ.
מה קורה במקרה שהמטרה העוינת שלנו היא סוס עמוס לעייפה המתקרב לגבול שלנו בליל חורף גשום, או שיירת כלי-רכב בסופת-חול במדבר? במהירות מרבית של כ-10mph, השינוי בתדר הדופלר תוך שימוש באותו משדר בתחום X יהיה כ-300 הרץ. כך שאם נדרשת לתכנן את הדור הבא של מכ”מי פיקוח או מערכת חיווי מטרה נעה (moving target indicator -), רעש המופע קרוב לגל הנושא הוא גורם קריטי בחשיבותו (ראה טבלה 1).
ניתוח של רעש המופע
רעש המופע מתייחס לשינויים קצרי-טווח, אקראיים במופע של אות, והוא מבוטא לרוב כערך מנורמל לרוחב-פס של 1 הרץ ובמרחק תדר היסט מסוים מתדר האות ביחס לאמפליטודת האות. ניתן לבטא אותו כמספר (לדוגמה -115dBc/Hz ב-10 גיגה-הרץ בהיסט של 10 קילו-הרץ), אך הוא מוצג לרוב כגרף של רעש המופע כנגד תדר ההיסט עבור אחד או יותר מתדרי האות (ראה איור 1).
כדי להבין את מאפייני רעש המופע, נעיין ביסודות-המפתח של מחולל אותות מיקרוגל מבוסס על עניבה נעולת-מופע (phased locked-loop – ), הכולל ייחוס תדר, גוש סנתוז התדר, ואחריהם מכפילי תדר.
1. מסנתז התדר מפיק את האות הדרוש, ומשווה, תוך שימוש בטכניקת PLL, את תדר ומופע האותות המופקים עם הייחוס כדי להבטיח את דיוק התדר.
2. מחולל ייחוס התדר מפיק תדר קבוע יציב מאוד המספק ל-PLL אות לשם השוואה.
3. מכפילי התדר בעלי הרעש השיורי הנמוך “מכפילים” את תדרי ה-YTO היסודיים אל תדרי המיקרוגל הגבוהים יותר הרצויים. ככל שתדר היסוד הוא גבוה יותר, דרושה פחות הכפלה.
אם ניקח את שלושת היסודות הללו בחשבון, אנחנו יכולים לראות שבתרשים 1 כל דגם של עקומי רעש מופע של מחולל האותות עוקב אחר אותה העקומה. עבור תדרי היסט פחות מ-1 קילו-הרץ (דבר המכונה לרוב רעש מופע מתקרב (close-in) אנחנו רואים שרעש המופע משתפר כמעט ליניארית ביחס להיסט הגל הנושא. מעגל הייחוס של המכשירים משחק תפקיד גדול בחלק זה של ביצועי המסנתז. עבור היסטים גדולים יותר מ-1 קילו-הרץ ה”בסיס” (pedestal) של רעש נגרם על-ידי מסנתז התדרים בעצמו – הבסיס מתרחב עד לרוחב-פס הלולאה ואחריו רעש המחולל הרץ חופשי (free running). האחרון נופל בצורה מונוטונית בקצב של 20dB לדקה עד שהוא משיג את רעש הפס הרחב הכללי של מעגל ההגברה לאחר ה-YTO.
הבה נשווה זאת ביחס לאחדים משיקולי התכנון של מחוללי האותות מיקרוגל מסדרה 2500. ראשית הייחוס חייב להיות יציב – זהו התורם היסודי לסגירה ברעש המופע. דבר זה הולך מעבר למעגל טוב או בחירת סוג המחולל, כאשר סינון זהיר של ספק הכוח ותכנון מכני חשובים גם כדי להקטין את פסי-הצד הקרובים.
שיקול מעניין נוסף כאשר חושבים על רעש מופע במערך מחוללי האותות הזמינים בשוק כיום הוא השימוש ברוחבי-פס שונים כאשר נועלים לייחוס חיצוני. רוחב-פס צר על מבוא הייחוס של התדר החיצוני עשוי לסייע למזעור ההשפעות של רעש המופע הנובע מאות ייחוס של תדר חיצוני רועש, בעוד רוחב-פס יותר רחב יאפשר מעקב מופע יותר יציב של מחוללי אותות מרובים – אך דבר זה הופך אותם לרגישים יותר לרעש מופע מייחוס התדר החיצוני. סדרת ה-2500B של Giga-tronics מתגברת על מגבלת פשרה זו על-ידי הספקת יכולת למעקב מופע תוך שימוש במחולל פנימי של 100 מגה-הרץ בעל רוחב-פס לולאה רחב תוך שמירה על רוחב-פס צר ועל מבוא הייחוס של התדר החיצוני של 10 מגה-הרץ.
בהשוואה בין העקומות, באיור 2 אנחנו רואים גם שרעש המופע פוחת בתדרים גבוהים יותר. דבר זה נובע בעיקר בשל השפעת מעגלי הכפלת התדר שיכולים תיאורטית להגדיל את רעש המופע עד 6dB בכל פעם שהתדר מוכפל. (הוא גם יורד ב-6dB כל פעם שהתדר מחולק לשניים). הנוסחה הכללית היא .
כאשר ה- הוא רעש המופע ו-n הוא מספר הכפלת התדר (או חלוקתו).
במבט על הדיאגרמה של איור 2, מחוללי האותות מיקרוגל מסדרת 2500B משתמשים במחולל מכוון YIG – רחב-תחום מ-4 גיגה-הרץ עד 10 גיגה-הרץ. לכן, 10 גיגה-הרץ עד 20 גיגה-הרץ מתקבל על-ידי הכפלה , 20 גיגה-הרץ עד 40 גיגה-הרץ על-ידי x4 ו-40 גיגה-הרץ עד 50 גיגה-הרץ על-ידי x6. המשמעות (שניתן לראות בתרשימים) היא שביצועי רעש המופע של סדרת ה-2500B ב-40 גיגה-הרץ או 50 גיגה-הרץ נשמרו נמוכים ככל האפשר.
עבור מתכנן של מכ”ם דופלר – הזקוק לחשב מטרות איטיות בנוכחות הפרעות-מסך (clutter) מהקרקע או מהים, מגמת תכנון הליבה עבור משפחת ה-2500B של מחוללי-אותות של Giga-tronics – הייתה ליצור תחום תדרים יסודי יחסי נמוך זה (4 גיגה-הרץ עד 10 גיגה-הרץ), תוך מזעור כמות ההכפלה הדרושה כדי להשיג מעל 10 גיגה-הרץ, 20 גיגה-הרץ, 40 גיגה-הרץ ולבסוף 50 גיגה-הרץ.
סיכום
מכ”מ דופלר מבוסס על גילוי שינויי תדר. שוק מכ”מ הפיקוח המתפתח דורש שנוכל להבחין בין מטרות הנעות באיטיות ובין רעש-קרקע. זה אומר שהמכ”מ חייב לטפל בשינויי תדר יותר ויותר נמוכים. תכנון מחוללי אותות מיקרוגל חדישים צריך להביא בחשבון את הדרישה המתפתחת הזו ולכלול הן ייחוס תדר מאוד יציב והן את היכולת לסנתז אותות בתדרים יותר ויותר גבוהים תוך הפחתה של הצורך בהכפלת התדר ושמירה על רעש מופע קרוב למינימום.
MArk Elo is VP of Marketing at Giga-tronics
