ההגנה על מקלטי מכ”ם מודרניים ממלאת תפקיד חיוני בעמידה מול איומים לשיבוש ובפני סביבה אלקטרומגנטית. ההגנה על מקלטים (RP) משמשת בטווח רחב של פלטפורמות צבאיות ומסחריות, בהן מכ”מים מוטסים קבועים וסיבוביים, מגלי טילים ויישומים קרקעיים.
הגנות המצב המוצק למקלטים (SSRP) התפתחו ביותר בשנים האחרונות, אך באופן הבסיסי תכנוני הגלבו שבהם משלבים דיודת PIN (או NIP) המותקנת בקצה קו קואקסיאלי . איור 1 מציג מגבל PIN פשוט בגלבו, עם דיודה מותקנת עם סליל משנק קצר משתנה.
החיבור העוקב של כמה דרגות של דיודות כאלו בתוך גוף ההגנה, מאפשר קבלה של רמה גבוהה של הנחתת ת”ר (RF) ודליפת ת”ר נמוכה. תכנון גוף ההגנה ובחירת הדיודות מתבצעים עבור כל יישום להשגת הפסדים נמוכים עם הנחתה גבוהה בדרגת המגבל, וכתוצאה מכך מתקבלים ספיגת הספק מזערית בדיודות המגבל למול טיפול בהספקי שיא וממוצע גבוהים ביותר.
ארכיטקטורות של מערכות הגנה למקלט
את דיודות ההגנה אפשר לדחוף בכמה דרכים:
•ממתח עצמי בתוך המגבל או ממתח עצמי ממודול הגלאי המשולב
•מיתוג אקטיבי המופעל בפקודת מערכת
•מעגל מיתוג אקטיבי המופעל בפקודת מערכת או באות הנגזר מגלאי המחובר בגלבו
•דוחף כמו אקטיבי המופעל בפקודת מערכת או בממתח עצמי ממודול גלאי
ראשית, מעגל ההגנה הפסיבי מסתמך על ממתח עצמי של הדיודה בתוך הגלבו שמפיקה את זרם הממתח מאותות ת”ר. למגבלים פסיביים לא נדרש ספק חיצוני ולא אותות פקודה ממערכת המכ”ם והם מספקים הגנה מפני אותות סינכרוניים (מהמשדר) ומפני אותות לא סינכרוניים (הפרעות חיצוניות) ביישומי הספק נמוך/ בינוני. אפשר לשפר את המגבל הפסיבי על ידי הוספת מודול גלאי מוגן המותקן ביציאת הגלבו. הממתח העצמי של דיודת המגבל מוגבר על ידי זרם הממתח שמקורו בדיודת גלאי זו. גם כאן קיימת הגנה מפני אותות סינכרוניים ולא סינכרוניים עם ביצועי דליפות משופרים, בהשוואה למגבל בדיודה בלבד.
אפשר להוסיף ולשפר את ביצועי ההתאוששות של המגבל הפסיבי הפשוט באספקת מתח ישר שלילי. ממתח שלילי יסלק מטען מדיודות PIN בין אותות ת”ר, יאפשר זמן התאוששות מהיר וישפר את הפסדי המעבר דרך המגבל.
מעגלי הגנה אקטיביים מספקים הגנה סינכרונית למקלט מפני המשדר שלו. דיודת ההגנה ממותחת באמצעות דוחף המופעל מהציוד המארח ומקבל פקודה מהמכ”ם המארח. גם כאן אפשר לשפר את ביצועי המגבל האקטיבי באמצעות ממתח ממקור ישר שלילי.
כדי שיספקו הגנה מפני אותות לא סינכרוניים (חיצוניים), יש לדחוף מגינים אקטיביים על ידי מעגל גילוי ת”ר המחובר אי שם במערכת המכ”ם. כאשר הספקים כבויים, יספקו המעגלים הגנה מועטה בלבד במצב השתקה, מפני שלדיודות יש ממתח עצמי. מעגל ההגנה והמקלט יהיו לכן פגיעים לנזק או לפגיעה מאותות ת”ר לא סינכרוניים. עם זאת, מגיני מקלט כמו אקטיביים מציעים הגנה סינכרונית ולא סינכרונית. זרם הממתח לדיודות ההגנה מגיע ממעגל המופעל מציוד המארח, עם פקודה הנגזרת מלוגיקת המכ”ם המארח וממודול גלאי משולב, המספק אות למעגל הדוחף מאותות ת”ר מסונכרנים ולא מסונכרנים.
ממתח שלילי משמש במעגלי הגנת מקלט כמו אקטיביים לשיפור ההתאוששות והפסדי המעבר. אפשר לשנות את ארכיטקטורת SSRP(Solid State Receiver Protectors) כך שתשלב מתג ממסר כיבוי אשר ינתב את יציאת מודול הגלאי שעל המעגל מחוץ למעגל הדוחף, ישירות לדיודות המגן. כאשר מעגל הגנת המקלט כמו פסיבי מקבל מתח, הביצועים שלו שקולים לאלו של ההתקן כמו האקטיבי, וללא מתח הוא ממשיך לתפקד במצב פסיבי.
הגנת מקלט מצב מוצק
החסרון העיקרי של מעגל SSRP בהשוואה למגן פריקת גז (תא TR), הוא בהיותו מכוונן ומיועד לפעול בפס תדירות מוגדר, כפי שמתואר באיור 2.
אמנם תא TR יוצר קצר על פני פס רחב מאוד, אך הגנת SSRP יוצרת הנחתה גדולה בתחום של פס תדירות מוגדר, כפי שמוצג באיור 3. כתוצאה מכך, הסינון הנדרש מותאם בתוך מערכת המכ”ם כדי להגן על המקלט ועל מעגל הגנת המקלט מנחשולים שמחוץ לפס התדירות.
מגן מקלט רב שימושי
אפשר לשלב פונקציונליות נוספת למגן SSRP ולהופכו לרכיב משולב בריבוי פונקציות. הרכיב כולל דיודה או זוג דיודות במקביל להספק גבוה, ואלה דורשים זרם ממתח מספיק כדי לעמוד בהספקי ת”ר. דרגות אלו בדרך כלל פחות קריטיות וביצועיהן משופרים לתופעות מעבר חדות (spike) כתוצאה מהתגובה המהירה. כך אפשר לספק לדרגות הדיודה הפנימיות ממתח ישר נוסף ולהשיג הנחתה מבוקרת בערוץ הקליטה. ההנחתה בסריקה זמן מאפשרת בקרה זמן מדויקת לרגישות (STC) במקלט המכ”מ. אפשר גם להגדיר את קונפיגורציית ההנחתה בפקודת סיבית 1 להנחתת כיסוי (bang snuff) בערוץ הקליטה. פונקציונליות משותפת זו מונעת את הצורך ביחידת הנחתה נפרדת בערוץ הקליטה.
במערכות מכ”ם נדרש דיכוי אותות אותו שמחוץ לפס השידור כדי להגן על המקלט ולעמוד בדרישות הפליטה. אפשר לשלב מסנן במערכת SSRP כדי לספק דחיית הפרעות מחוץ לפס השידור.
באיור 4 מוצג שילוב של סינון נוסף, למקרה שבו נדרשת תגובה בפס רחב יותר של מעגל ההגנה. אפשר לשלב פונקציונליות של בדיקות מובנות (BIT) ולספק החזרה של אות BIT לבקר המקלט לקבלת מידע לגבי מצב ממתח דיודות המגבל. בדיקת BIT כזו מוצגת באיור 5.
במערכות מוטסות יש למנוע חדירת לחות ולכלוך לגלבו, ולשם כך אפשר להוסיף חלון לחץ בכניסת SSRP שמוסיף הפסדי מעבר. תוספת זו מתוארת בדוגמה שבאיור 6, מגן מקלט לפס X שבו מסנן חוסם פס Ka, חלון לחץ בגלבו, הנחתת STC ומחולל רעש (לבדיקת BIT). למגן המקלט יש כניסת גלבו, יציאת SMA קואקסיאלית ומנחת עם בקרה ספרתית.
הספק גבוה דו כיווני/
הגנה מפני תקלות
במכ”ם שבו השימוש במגן מצב מוצק אינו אפשרי כתוצאה מההספק הגבוה שקיים בפעולה רגילה או בשל תקלה, אפשר להשתמש בשפופרת גז להגנה. אנרגיית ת”ר אקראית מפעילה ראשית את דיודות PIN המספקות הגנה בחזית הפולס ומתופעות מעבר חדות. לאחר מכן, השדה החשמלי הגדל בגלבו גורם ליינון הגז בשפופרת ולפריקת פלזמה ברמות הספק גבוהות, אשר מהווה קצר לאותות ת”ר אקראיים ומגינה על המקלט בטווח תדירויות רחב מאיומים בהספק גבוה.
השימוש השגרתי בשפופרת גז מכונה קונפיגורציית TR מוקדם. סידור זה מתואר באיור 7, כשהשפופרת ממוקמת במבנה הכוונון בצמצם בכניסת הגלבו לפני מגבל המצב המוצק.
עם התפתחות מגבלי המצב המוצק, הם מחליפים את תאי TR, ומגן SSRP עצמאי עומד בדרישות ההגנה או במשולב עם מתג גז או שפופרת TR לתקלות או ליישומי הספק גבוה. מגבל TR שימש ביישומים דו כיווניים עם מקור ת”ר מבוסס מגהטרון. המגבל רואה דופק צר בגורם פעולה (duty factor) נמוך בהספק שיא גבוה.
השימוש במגבלי TR מעמיד קשיים כתוצאה מהצורך בחומר תיחול (primer) רדיואקטיבי להשגת תגובה מהירה בגז ומהצורך בספק למתח גבוה לשמירת השפופרת “במצב חי”.
קיימים שלושה תחליפים למגבל TR:
•מגבל דיודת מצב מוצק,
•שפופרת גז (מוקדם) ומגבל דיודה
•שפופרת גז (מתג) ומגבל דיודה
מגבל דיודת מצב מוצק עומד בדרישות SSRP מודרני. הוא משמש עם שפופרת גז (מוקדם) הפועלת בתנאים רגילים במערכות שבהן תנאי הדופק עלולים להיות קשים יותר ברמות הספק נמוכות ומפרט ההתאוששות אינו דורשני.
שפופרת הגז פועלת רק להגנה במצבי תקלה (מתג) של הספק גבוה, שהם בדרך כלל קצרים ביותר, במערכות שבהן בפעולה רגילה נדרשת תגובה מהירה של דיודה. במקרים אלו, אפשר להתאים את פרמטרי הדיודות בלי להתחשב ברמות הספק גבוהות בתקלה.
מגבל כפול לפס X (מוצג באיור 8) הוחלף במגבל כפול עם TR מוקדם שפותח לאחרונה (איור 9). המגבל הכפול מותקן בין מצמדי 3 dB, כך שההספק האקראי מחולק בין שני הערוצים ומאפשר טיפול בהספק עם שוליים סבירים.
תכנון מעגל ההגנה החדשני כולל שפופרת גז בכל ערוץ באוריינטציית H כדי להקטין למינימום את הפסדי הקשת בשפופרת. מאחר שההתקן פועל ברצף, הקטנה זו נדרשת למען נצילות הפעולה בת”ר ונצילות תרמית. מגבל מצב מוצק בשלוש דרגות מותקן אחרי מתג הגז, בכניסה.
מארז ואינטגרציה של
הגנת המקלט
חברת e2v Technologies בחרה בתכנון microstrip במארזי התקנה משטחית ובמארזי drop in עבור מגיני המקלט, ופיתחה מתג SPDT לפס S בהתקנה משטחית עם הגנת מגבל בכניסה שלו (J2), כפי שמוצג באיור 10.
מסקנה-טכניקות הגנה במצב המוצק על מקלטים נפרשות בטווח רחב של מערכות מכ”ם ומספקות הגנה עם הפסדים נמוכים, תוך כדי עמידה בהספקים אקראיים גבוהים ממשדרים מקומיים ומרוחקים ובאיומי EMC אחרים. הפיתוח הנמשך מאפשר למערכות SSRP להחליף את תאי TR במירב מערכות המכ”ם, למעט מערכות שבהן קיימים תנאי תקלה בהספק גבוה. במקרים אלו, מגיני המצב המוצק מטפלים בהספק בתנאים רגילים, ומתג גז (לא רדיואקטיבי) יכול לטפל ברמות ההספק בתקלה.
*e2v מיוצגת בישראל ע”י חברת אלקטרונדארט
