טכנולוגיות מתקדמות סוללות את הדרך לקראת ארכיטקטורות חדשות של מכ”ם מערך מופע

מבוא
ריבוי גדול של טכנולוגיית מערך מופע דיגיטלית יוצר קרן, הופיע בשנים האחרונות. הטכנולוגיה הופצה על-ידי יישומים הן צבאיים והן אזרחיים, ביחד עם ההתפתחויות המהירות בשילוב RF ברמת הרכיב.
אם כי ישנם דיונים רבים על MIMO מאסיבי ומכ”ם לרכב, אין לשכוח שמרבית המו”פ החדש של המכ”ם ויצירת הקרן התרחשה בתעשיית ההגנה, ואילו כעת היא מאומצת גם ליישומים מסחריים. בשעה שמערך המופע ויצירת הקרן עברו ממאמצי מו”פ למציאות בשנות ה-2000, גל חדש של מערכים ממוקדי הגנה צפוי עתה, המחוזק על-ידי טכנולוגיה תעשייתית המציעה פתרונות שהיו קודם לכן מנועים בשל עלותם הגבוהה.
זרימת אותות מערך מופע יוצרי קרן גנרית מוצג באיור 2. מספר הרכיבים נבחר ברמת ארכיטקט המערכת, מבוסס על דרישות גודל הפתח, הספק ומבנה האנטנה. מודולים חזיתיים נמצאים מאחורי כל מרכיב של אנטנה.

שכבת יצירת-קרן אנלוגית נמצאת מאחורי מודולי החזית. במערכי מופע קלאסיים, תת-המערכת יוצרת הקרן האנלוגית משלבת את כל האלמנטים לקראת ערוצי מקלט מרוכזים. במערך מופע יוצר קרן דיגיטלית יש מחוללי צורת גל ומקלטים מאחורי כל מודול חזית, הושכבה היוצרת קרן אנלוגית מבוטלת. בהרבה מערכות כיום, רמה מסוימת של יצירת קרן אנלוגית היא מקובלת. ערוצי מחולל צורת הגל ומקלט דיגיטליים משמשים להמרת נתונים דיגיטליים לתדרי RF בתחום הפעולה. יצירת הקרן הדיגיטלית מבוצעת ראשית על-ידי איזון הערוצים, אחר כך על-ידי חיבור הזזות מופע ומשקלי אמפליטודה לנתוני ה-ADC, ולאחר זאת סיכום נתוני ה-ADC על-פני המערך. ניתן ליצור הרבה קרניים בו-זמנית, בהגבלה רק של יכולת העיבוד הדיגיטלי.
קיימים פתרונות עבור כל חלק של מערכת יצירת קרן המוצגת, ועבור ארכיטקטורות יצירת הקרן האנלוגית והדיגיטלית.

אתגרים של יצירת קרן אנלוגית לעומת דיגיטלית
המטרה של מערך מופע יוצר קרן דיגיטלית היא יצירה בו-זמנית של תבניות אנטנה רבות עבור מערך יחיד של נתוני מקלט. איור 3 מראה את תבניות האנטנה ביחידה אחת, היחידות המשולבות בתת-מערך, והנתונים של יצירת הקרן ברמת האנטנה.
המכשול הראשון של גישת תת-המערך הוא שנתונים של יצירת קרן צריכים להיות בתוך תבנית בתת-מערך. עם תת-מערך יחיד, לא ניתן ליצור תבניות בו-זמניות בזוויות רחבות שונות. היה רצוי לבטל את יוצר הקרן האנלוגית וליצור מערכת יצירת קרן דיגיטלית בכל אלמנט ועם הטכנולוגיה של היום, הדבר אפשרי בתחום L ו-S. בתדרים גבוהים יותר, אילוצי גודל והספק מצריכים רמה מסוימת של יצירת קרן אנלוגית. אולם, החיפוש נותר התקרבות לקרן דיגיטלית בסיסית, דבר המעמיד דרישות משמעותיות על מחוללי צורת הגל והמקלטים.
בשעה שאתגרי יצירת הקרן מעוררים דרישות על מחוללי צורת הגל והמקלטים לצמצום הגודל וההספק, קיימת במקביל דרישה להעלות את רוחב הפס ברוב יישומי המערכות. מגמות אלו פועלות אחת נגד השנייה מאחר שגידול רוחב הפס דורש לרוב תוספת זרם ותוספת במורכבות המעגל.
יצירת קרן דיגיטלית מתבססת על הסיכום הקוהרנטי של ערוצי מחולל צורת הגל והמקלט. דבר זה מחייב אתגרים נוספים הן על הסנכרון של ערוצים מרובים והן על ההקצבת של תרומות הרעש במערכת.

שרשראות אותות RF
טבלה 1 מראה אחדות מהארכיטקטורות המקלטים המקובלות הנמצאות בשימוש כיום. ארכיטקטורות הסופר-הטרודינה, ההדגמה הישירה וההמרה הישירה משמשות כבסיס של רוב מערכות ה-RF. אם כי רק המקלט מוצג, הטופולוגיות תכיפות לשרשראות האותות של מחולל צורת הגל.
גישת הסופר-הטרודינה, אשר קיימת מזה מאה שנה, היא מוכחת היטב ומספקת ביצועים יוצאים מן הכלל. לרוע המזל, היא גם הכי מסובכת. היא דורשת את ההספק הגדול ביותר והעקבה הגדולה ביותר ביחס לרוחב הפס הזמין, ותכנון התדר עשוי להיות די מאתגר ברוחבי פס פרקציונליים גדולים.
גישת הדגימה הישירה נחקרה ארוכות, כאשר המכשולים הם הפעלת הממירים במהירויות יחסיות לדגימת RF ישירה תוך השגת רוחבי פס גדולים במבוא.
כיום, ניתן להשיג ממירים לדגימה ישירה בתחומי Nyquist גבוהים יותר בתחומי L ו-S. בנוסף, מוסיפים להתקדם בדגימה בתחום C שתהיה מעשית בקרוב, ותחום X ימשיך בכך.
הארכיטקטורות של המרה ישירה מספקות את השימוש היעיל ביותר של רוחב הפס של ממיר הנתונים. ממירי הנתונים פועלים ב-Nyquist הראשון, היכן שהביצועים הם מיוטבים וסינון המעביר-נמוכים יותר קל. שני ממירי הנתונים פועלים ביחד תוך דגימת אותות ה-I/O, וכך הם מגדילים את רוחב הפס ללא השינויים של סירוג (interleaving). האתגר השולט ששיתק את ההמרה הישירה למשך שנים היה לשמור על איזון I/O לרמות סבירות של דחיית התמונה, זליגת LO והטיות dc. בשנים האחרונות, השילוב המתקדם של שרשרת האותות השלמה של המרה ישירה, בשילוב עם כיולים דיגיטליים, התגברו על חסרונות אלה, וארכיטקטורת ההמרה הישירה ממוקמת היטב כדי לשמש גישה מאוד מעשית בהרבה מערכות. כאן אנחנו, בחברה מקדמים את הטכנולוגיה עבור כל האפשרויות של שרשרת האותות המתוארות. העתיד יביא רוחב פס מוגדל והספק נמוך יותר, תוך שמירה על רמות גבוהות של ביצועים ושילוב שרשראות אותות שלמות בפתרונות של מערכת על-שבב (system on chips -SoC) או מערכת בזיווד (system in package) – SiP).

סיוע דיגיטלי של ממיר נתונים
הביצועים האנלוגיים של ממירי הנתונים יוסיפו להשתפר ושיפורים אלה ברמה האנלוגית יכללו רצפי דגימה מוגברים עבור רוחבי פס רחבים יותר, ספירת ערוצים מוגדלת, ושמירה על מדידות ביצועי המפתח של רעש, צפיפות וליניאריות. יתרונות אלה יזינו את כל פתרונות שרשרת האותות RF המוגדרת, ויוסיפו פתרונות מערך מופע חדשים.
תחום בעל חשיבות מוגברת ברמת המערכת הוא התוספת בעת האחרונה של פונקציות דיגיטליות רבות (כמתואר באיור 4) שיכולות לשמש לשחרור עיבוד ה-FPGA ויסייעו לכל המערכת. ממירי נתונים ששוחררו לאחרונה כוללים המרה כלפי מטה וסינון דיגיטליים, דבר המפחית בפוטנציה קצב הנתונים אל ה-FPGA תוך הפחתת הספק המערכת ודרישות העיבוד של ה-FPGA. ממירי נתונים חדשים ימשיכו להוסיף פונקציונליות, דוגמת השוויון והנתונים בחזית של עיבוד יצירת הקרן הדיגיטלי.

יצירת קרן אנלוגית
בתדרים גבוהים או מערכות בעלות הספק נמוך, כל מערכת אלמנטים מאותגרת על-ידי דרישות הגודל וההספק. השימוש ביצירת קרן אנלוגית מקטין את מספר מחוללי צורת גל ומקלטים הדרושים להפוך לדיגיטליים.
יצירת קרן של אנטנות במערך מופע מבוצעת על-ידי התאמת מופע האות לאלמנטים יחידים כדי לשנות את כיוון תבנית הקרינה או הקרן. איור 5a מראה דוגמה של יצירת קרן אנלוגית גנרית. מזיזי מופע מסופקים הן על מעגלי המקמ”ש או הקרן, והרבה אלמנטים משולבים למוצא יחיד. איור 5b מראה דוגמה שוות-ערך פונקציונלית בה מזיז המופע והמסנן הם משותפים הן לנתיב השידור והן לקליטה ומתאפשר על-ידי מתגי מיקרוגל. הטופולוגיה האחרונה מקטינה את מספר מזיזי המופע והנחתים הדרושים, אך הם יכולים לדרוש עדכוני פיקוד תדירים יותר אל ההתקנים.
כדי להתגבר על האילוצים של תת-מערכת יחידה, ניתן ליצור תת-מערכות מרובות עם טופולוגיה כמתואר באיור 6.

בטופולוגיה זו, מוצאי המגבר בעל רעש נמוך (low-noise amplifier – LNA) מחולקים ליוצרי קרן אנלוגיים מרובים בהם מספר אלמנטים N יכול ליצור מספר קרנות של תת-מערכת אנלוגית M. כל יוצר קרן אנלוגית מתוכנן עבור תבנית אנטנה שונה. על-ידי חזרה של הטופולוגיה באיור 6 על-פני המערך, ניתן ליצור תבניות יצירת קרן דיגיטליות בזוויות מרוחקות מאוד. טופולוגיה זו היא אחד מסוגי הארכיטקטורות ההיברידיות שיכולה להוכיח את היתרונות של כל מערכת דיגיטלית, אך עם מחולל צורת גל ומקלט מופחתים. הפשרה במקרה זה היא במורכבות יוצר הקרן האנלוגית.
יוצרי קרן אנלוגית מסורתיים היו דורשים מזיז מופע GaAs יחיד ונתח GaAs יחיד עבור כל אלמנט אנטנה. גישות מתקדמות יותר משלבות את מזיז המופע והנתח לתוך IC GaAs חזיתי יחיד הכולל את מגבר ההספק , LNA ומתג. שבבי יצירת קרן אנלוגיים משולבים של Analog Devices משיגים שילוב משמעותי בטכנולוגיית SiGe BiCMOS, הכוללת ארבעה ערוצים בתוך שבב יחיד בעל עקבה מוקטנת ופחות פיזור הספק.

מודולים חזיתיים
המודולים החזיתיים, המכונים לעתים מודולי שידור/קליטה (transmit/receive) מספקים את הממשק אל אלמנט האנטנה. מודול החזית הוא קריטי במונחים של הספק שידור ויעילות, כמו גם של רעש המקלט. מגברי ההספק הגבוה (high power amplifiers -HPA) קובעים את הספק המוצא. ה-LNA קובע את ביצועי הרעש של המערכת. מערכות רבות דורשות סידורים עבור כיול של מסננים נוספים, ודיאגרמה מלבנית של מודול חזית מוצגת באיור 7.

סיכום
מערכי מופע יוצרי קרן דיגיטליית הם נפוצים כעת, וריבוי מהיר צפוי עם תחום ענק של תדרים וארכיטקטורות המפותח מתחום L ועד תחום W.

Analog Devices מעודדת פיתוחי מערכות חדשים של יוצרי קרן SiGe, המרת תדר מיקרוגל, מודולי חזית וממירים מהירים מאוד. פתרונות יצירת הקרן שלנו, משולבים עם מגברי ההספק שלנו, מגברים ברעש נמוך וטכנולוגיית מיתוג, מאפשרים ל-Analog Devices להיות ספק יחיד בשוק של אנטנות ועד לרכיבים, תוך הצעת פתרונות מיוטבים עבור הבעיות של מערכות מורכבות של לקוחותינו הן ברמת המוליך למחצה והן ברמת התת-מערכת המשולבת.

Peter Delos הוא מוביל טכני ב-Analog Devices בקבוצת ה-Aerospace and Defense.