לוחמה אלקטרונית ומכ”ם הינם שני ישומים בתחום האלקטרוניקה הצבאית והבטחונית המבוססים על תצורות ערוצי מיקרוגל מרובים (multichannel) וקוהרנטיים במופע, לצורך עיבוד וניתוח אותות ויצירתם. מערכות מסוג זה מצטיינות בביצועים יוצאי דופן התורמים לשיפור יישומי ל”א ומכ”ם, כגון RCS, איתור מדוייק של מיקום ועקיבה מדוייקת אחר מטרות, רזולוציות של מדידת זוויות, הגדלת דרגות חופש, הגדלת מגוון צורות הגל, טיפול במספר גדול יותר של מטרות ייחודיות. הן מהוות את הבסיס עבור דור חדש של מערכות צבאיות ובטחוניות המיישמות טכנולוגיית MIMO ותקשורת אלחוטית נבונה.
דרישות יישומים צבאיים ובטחוניים
את אנטנות המכ”ם ניתן לחלק לשלושה סוגים עקריים: אנטנה סובבת רגילה (אנטנת צלחת), מערך מופע (phased array) פסיבי, ומערך מופע אקטיבי. יתרונה של אנטנת הצלחת הוא במגוון התדירויות שבהן היא פועלת ועלות הטמעה נמוכה. מנגד, היא מציבה כמה אתגרים כגון קצב סריקה נמוך, הפסדי הפצה גבוהים ונקודת כשל יחידה. המכ”ם מסוג MIT LL Millstone הוא דוגמא קלאסית לשימוש באנטנת צלחת. הוא פועל בתדר מרכזי של 1295 מגהרץ ורוחב פס של 8 מגהרץ.
היתרון של מכ”ם העושה שימוש במערך מופע פסיבי הוא ביכולת לבצע הטיית אלומה מהירה, וניהול משאבים יעיל. טכנולוגיה זו התפתחה בשני העשורים האחרונים. היא התחילה עם מכ”ם מוטס מסוג B-1B ו-JSTARS, ומכ”ם שטח של הפטריוט. להבדיל ממערכות מכ”ם עם אנטנה מסתובבת, למכ”ם המבוסס על מערכי מופע יכולות לטפל בצורה אמינה במספר רב של משימות ולצפות בכמה מטרות בו זמנית. כיום מערכי מופע אקטיביים נבחנים באופן נרחב היות והם מציעים יכולות הטיית אלומה מהירה יותר וניצול משאבים טובים יותר. כל אלמנט במערך המופע האקטיבי כולל מגבר ומסיט מופע. לכל אלמנט קורן מסיט מופע משלו, על מנת לשפר את רגישות האלגוריתמים למציאת כיוון. עיצוב האלומה של המערך הנה טכניקה בסיסית במכ”ם מערך מופע, המנצל מספר רב של אנטנות משולבות לשיפור הקרינה וצורת האלומה. כל אלמנט במערך מתוכנן כך שהשדות החשמליים שהאלמנטים יוצרים מתאבכים בצורה בונה בכיוון הרצוי ומתבטלים ביתר המקומות במרחב, כפי שמתואר באיור 1. ניתן לשפר את ביצועי האנטנה על ידי הגדלת מספר האלמנטים. כיום ניתן למצוא אנטנות בעלות 32 אלמנטים, והחוקרים פועלים להגדלת מספר האלמנטים במספר סדרי גודל. מכ”מי MIMO אף הם מציבים דרישה להגדלת מספר האלמנטים במטרה לשפר את המפתח, SINR והערכת הזווית. המהנדסים המפתחים מערכות מכ”ם חדישות צריכים להתחשב בחמשת הנקודות הבאות.
-
- איור 1. הגלים האלקטרומגנטיים של כל אלמנט קורן מתאבכים באופן בונה או הורס, על מנת ליצור את דפוס הקרינה הרצוי
-
- איור 2. אותות פס בסיס ללא טריגר הפעלה משותף. מתקבלים שני אותות המתחילים בנקודות שונות, תוך שמירה על היסט המופע ביניהם
-
- איור 3. אותות פס בסיס עם אות דרבון משותף והיסט מופע קבוע ביניהם
1. סינכרון אותות דרבון
סינכרון אותות הדרבון דרוש על מנת שכל המקלטים יתחילו לפעול ביחד, מבלי שיווצרו במערכת הפרשי מופע שיהיה צורך לתקנם בשלב מאוחר יותר בתהליך עיבוד האות.
2. תיאום ממירי ADC/DAC
בנוסף על סינכרון אותות הדרבון יש צורך לוודא ששעוני פס הבסיס מתואמים ומגיבים לאות הדרבון בצורה זהה ולא יוצרים היסטי מופע.
3. מתנד מקומי משותף
ניתן להשתמש במתנד מקומי משותף, בתצורת חיבור כוכב או תצורת daisy-chained. יחד עם זאת יש להביא בחשבון את הפרשי המופע בין היחידות במערכת, הנובעים מהבדלים באורכי הקו והבדלים בין ביצועי נעילת מופע של המפצל. חשוב שהמכשור יהיה מסוגל למדוד את הפרשי המופע הללו ולתקן אותן.
4. הדירות (Repeatability) הסינכרון
זוהי דרישה בעלת חשיבות רבה המהווה דרישה מקדמית בכיול מערכות מרובות אפיקים. חשוב מאוד שאפשר יהיה להשיג את אותו התיאום בין השעונים בכל תחילת מחזור הרכשה ושידור.
-
- איור 4. אותות פס בסיס מסונכרנים באופן מלא מאופיינים בנקודת התחלה זהה והיסט מופע אפס ביניהם
-
- איור 5. מקלט סופר-הטרודין ארבע ערוצי מבוסס ארכיטקטורה מודולרית מבוססת פלטפורמה
5. שילוב יכולת עיבוד אותות במערכת
במערכות צבאיות יש צורך ביכולת לזהות אותות ל”א עויינים. לשם כך משלבים במערכת פונקציות של עיבוד אותות לזיהוי תדרים וזמנים הקשורים לאות הרצוי והבחנה בינו לבין האותות המפריעים. מערכות צבאיות ובטחוניות מסתמכות במידה הולכת וגדלה על הטכנולוגיות הזמינות בשוק המסחרי ומשלבות אותן במערכי הסינכרון מופע של משדרי מכ”ם מרובי ערוצים. גישת מכשור מסורתית אינה עונה על הדרישות שהוזכרו לעיל. יש צורך בגישה מודולרית המבוססת על פלטפורמה. איור 5 מציג מערכת ניתוח של ארבעה ערוצי RF/מיקרוגל בעלות מספר ממירים. כל דרגת ממיר מבצעת פעולות ערבול, סינון והגברה. על מנת להשיג את הסינכרון ההדוק בין ארבעת הערוצים המערכת משתמשת באות המגיע ממתנד מקומי וזקוקה למנגנון תיאום עבור שעון פס הבסיס. דוגמא של מערכת מסחרית זמינה העונה על הדרישות הללו היא NI PXIe-5668R. זהו מכשיר מבוסס תוכנה, הפועל כנתח אות וקטורי הכולל ממיר סופר הטרודין. תדר הפעולה שלו מגיע עד ל-26.5 ג’יגהרץ, רוחב הפס שלו מגיע ל-765 מגהרץ, והוא כולל בתוכו FPGA מסוג Kintex-7 מתוצרת Xilinx לצורך עיבוד אות. מערכות צבאיות ובטחוניות מרובות אפיקים חייבות להתמודד עם אתגרים טכנולוגיים הקשורים במופע, זמן, וסינכרון תדרים. לא מדובר רק בסינכרון מדוייק בין ערוצים, אלא גם בהתמודדות עם סחיפת מופע, עוצמה ותדר בין הערוצים המתרחשים במהלך הזמן. זו הסיבה שמכשירי המדידה המיועדים לדור הבא של המערכות חייבים להיות בעלי איפיונים דינמיים, לשלב יכולות כיול מבוסס תוכנה, בעלי ארכיטקטורה מודולרית מבוססת פלטפורמה, ועליהם להיות מסוגלים להתמודד עם חמשת הנקודות שהועלו כאן.
על המחבר :
אבהאי סאמאנט (Abhay Samant) הוא מנהל תחום RF ותקשורת אלחוטית בחברת נשיונל אינסטרומנטס
(National Instruments). הוא חבר בכיר ב-IEEE ובעל נסיון של מעל 18 שנים בתחום ה-RF, תקשורת אלחוטית, עיבוד אות. לאבהאי מספר פטנטים בתחום ה-GPS ,WLAN,
ו-SIGINT. הוא מחבר משותף של הספר, LabVIEW for Signal Processing ובנוסף הוא פרסם מאמרים בעיתונות המקצועית ובכנסים רבים.
