האנטנות של ד”ר ג’אד בלס

מאת: פרופ’ עלי לוין, מכללת אפקה, ת”א

אחד ממהנדסי האנטנות המבריקים שפעלו בישראל, ד”ר ג’אד (יהודה) בלס ז”ל, שהמציא וחידש בעולם האנטנות בנושאים מגוונים, נולד בניו יורק בשנת 1925, עבד שנים רבות בארצות הברית ולאחר מכן עלה ארצה ופעל פה עד פטירתו בשנת 1985. מבין שלל המצאותיו, הידועה ביותר היא מטריצת בלס לאנטנה מרובת אלומות (פורסמה לראשונה בשנת 1961). מטריצה זו זוכה כיום להתעניינות רבה וליישומים מעשיים במערכות אלחוטיות חדשניות. מאמר זה מוקדש לזכרו.

1. קורות החיים של ג’אד בלס
Judd Blass  נולד בשנת 1925 בעיר ניו יורק וסיים את לימודי ההנדסה במכון הפוליטכני של ברוקלין בשנת 1944. בשנים 1944-1946 שירת בחיל הים האמריקאי בזירת האוקיינוס השקט. לאחר מכן רכש תואר שני ושלישי במכון הפוליטכני בשנים 1947 ו-1952. מקום עבודתו הראשון היה Microwave Research Institute  שם עסק בין השנים 1947-1950 במחקרים על רכיבי גלבו. בשנת 1950 הצטרף לחברת Raytheon Manufacturing Company שם פיתח אנטנות מכ”ם ותנורי מיקרוגל. בשנת 1952 התמנה למנהל הפרויקטים הראשי בחברת Dorner Margolin  שעיקר עיסוקה היה באנטנות מוטסות ומערכות איכון. בשנת 1954 הצטרף לחברת Maxson Corporation ועבד בה עד שנת 1960 בנושאי אנטנות ומערכי אנטנות, בין היתר שימש שם כמנהל מחלקת המיקרוגלים ופיתח מדי גובה חיוניים לתעופה האזרחית.
בגיל 35 הקים את החברה הראשונה שלו Blass Electronics Corporation שהיתה חברת בת של תאגיד אנגלהרד בניו ג’רסי ופיתח במסגרתה אנטנות ומערכות מכ”ם. התרומה הידועה ביותר שלו קופלה במאמר קצר ביותר משנת 1961 המכיל 3 עמודים בלבד ובו תאר את מטריצת בלס שהפכה לשם דבר בתחום האנטנות. באותה שנה יצא לאור מדריך האנטנות הקלאסי בעריכת Henry Jasik וד”ר ג’אד בלס תרם בו את הפרק השמיני העוסק באנטנות חריץ (כתובתו לצורך המאמר היתה Blass (Consultants Inc.
לאחר מלחמת ששת הימים החל לפעול בישראל והגיע לביקורי עבודה רבים. בשנת 1970 קבע כאן את מקום מושבו העיקרי ופעל במסגרת החברה שהקים Beam Systems Israel בנושאי אנטנות ורכיבי מיקרוגל. פירסם פטנטים נוספים על אנטנות רחבות סרט וכן על מערכות להדמיה מגנטית (MRI) עבור חברת אלסינט בחיפה. האנטנות הרבות שפיתח, יושמו והוטמעו במערכות תקשורת צבאיות ואזרחיות לרוב. ד”ר ג’אד בלס נפטר בשנת 1985 והניח אחריו אשה (לורל), שלושה בנים (יהונתן, אשר ויוסף) ושתי בנות (רחל  ואביגיל) וידידים רבים בתעשייה הישראלית.

2. תנורי מיקרוגל
בשנת 1955 נרשם בארצות הברית פטנט מספר 2704802 על שם ג’אד בלס ולואיס של, שניהם מחברת Raytheon המתאר תנור מיקרוגל ליישומים ביתיים ותעשייתיים (איור 1). החידוש העיקרי בתנור זה היה העברת האנרגיה ממקור הגלים אל חלל תהודה סגור באמצעות אוסף חריצים (דומה לאנטנות חריצים slotted waveguide המקובלות במכ”מים מוטסים).  פטנט נוסף, מספר 2814708 נרשם על שם ג’אד בלס בשנת 1957 ובו מתואר מכשיר ביתי, קומפקטי יותר, לחימום מזון עם פיזור אחיד של הגלים בתוך חלל התהודה (איור 2).

3. מטריצת בלס
בשנת 1961 פרסם ד”ר ג’אד בלס מאמר קצר בכנס IRE בארצות הברית בשם
Multidirectional Antenna, a new
Approach to Stacked Beams שבו תואר מערך אנטנות מרובה אלומות. מערך זה נודע לימים בשם מטריצת בלס והפך לאבן בנייה מרכזית במערכות מכ”ם ולוחמה אלקטרונית, ולימים גם בתקשורת אלחוטית מודרנית. מטריצת בלס מורכבת מאוסף של N אלמנטים קורנים המוזנים באופן טורי על ידי M קווי הזנה בעלי אורך שונה כמתואר באיור 3.  עיצוב האלומה נעשה על ידי גלים נעים Traveling Waves המחוברים במטריצה של מצמדים כיווניים. במטרה להבטיח את איכות הגלים הנעים, הדקי הכניסה מתואמים על ידי עומסים המונעים החזרות לתוך המטריצה.
הסחת האלומה מוסברת על ידי הפרשי הפאזה העוקבים בין המקרנים. המטריצה מייצרת בו זמנית M  אלומות שונות (בניגוד למערכים סוקרים או ממותגים שבהם ברגע נתון מיוצרת אלומה אחת בלבד). משורת N מקרנים המוזנים באותה פאזה מתקבל עקום קרינה כדלקמן:

כאשר
מקדמי העירור של האלמנטים
הוא מספר הגל
d     המרחק בין האלמנטים (בהנחה שהוא שווה לכולם)
אם קיימים הפרשי פאזה קבועים בין האלמנטים  הרי עקום הקרינה יסטה לכיוון  לפי:

כאשר

מטריצת בלס מצטיינת בכך שכיוון האלומות אינו משתנה בתלות בתדר ולכן היא רחבת סרט. החומרה הנדרשת למימוש המטריצה אינה מעטה, אך המבנה המערכתי שלה פשוט ונוח למימוש משטחי במבנה רב שכבות. בערך באותן שנים זמן פרסמו Butler and Lowe  מטריצה שונה, שבה החיבורים בין האלמנטים הקורנים לבין הדקי הכניסה (הדקי האלומות) נעשים על ידי אוסף של N X N מצמדים היברידיים וקווי השהייה כמודגם באיור 4. במשך שנים רבות התנהלה מעין “תחרות” בין מטריצת בלס לבין מטריצת בטלר [3] וכן למול העדשות המרחביות לעיצוב אלומה שפותחו באותה עת כגון עדשת רוטמן [4] ועדשת רוז [5].. היתרונות העיקריים של מטריצת בלס הם רוחב סרט גדול (קווי השהייה אמיתית ולא הסחת פאזה), גמישות במספר המקרנים ובמספר הדקי האלומות (מטריצת בטלר שימושית למעשה רק עבור מספר ריבועי של   N x N הדקים)  ויכולת נוחה לשלוט על מקדמי העירור ומכאן על עיצוב האלומה. החיסרון העיקרי במטריצת בלס הוא ההפסדים ברשת קווי ההזנה הנוצרים עקב בליעה בעומסים המתואמים. ד”ר J.C. Nolen פיתח מקרה פרטי של מטריצת בלס הידועה כמטריצת נולן ובה ההפסדים ברשת קווי ההזנה הם נמוכים [6]. בשנים האחרונות, כאשר התקשורת האלחוטית המודרנית משופעת בטכניקות לריבוב אלומות מרחבי spatial beam diversity באמצעות ריבוי אלמנטים קורנים  (Multi Input Multi Output), מבחינים ביתרון ניכר של מטריצת בלס והיא זוכה להתעניינות רבה וליישומים מוצלחים [7]-[10].

4. אנטנות סוקרות
בשנות ה-60 התמחה ד”ר ג’אד בלס במערכי אנטנות ובמיוחד במערכי אנטנות סוקרים  Phased Arrays  ומרובי אלומות  Multibeam, כל זאת במסגרת  חברת Blass Antenna Electronics Corporation שהקים וניהל בניו יורק. המצאה חשובה של ד”ר ג’אד בלס הנוגעת לאנטנות סוקרות נרשמה כפטנט 3274601 בשנת 1966. בהמצאה זו “מאירים” אוסף של אלמנטים קורנים כפי שמאירים רפלקטור, אך מערך של עיצוב אלומה המחובר לאלמנטים הקורנים דואג לשלוט על הפאזות של האלמנטים ולפיכך על כיוון האלומה במרחב.
בהמשך נרשם פטנט נוסף מספר 3408653 שבו בוצעה בקרת האלומה בתוך האלמנט המזין הראשי (איור 6). בפטנט מקורי זה מופיעה סקיצה של משטח מחזיר המורכב ממספר רב של אלמנטים. לימים התפתח ענף שלם של אנטנות המבוססות על רעיון זה הידוע בשם Reflect Arrays  והמנוצלות בעיקר לתקשורת לווינים.
רעיונות נוספים שעסקו במכ”מים נרשמו כפטנט 3179935 משנת 1965 (סוג של מכ”ם מרובה אלומות) ופטנט 3262113 עם הפטר משנת 1966 (מכ”ם הפועל בתדר אקראי). מימוש אנטנת מכ”ם מעשית עם מזיזי פאזה ממותגים מתואר בפטנט 3316553 משנת 1967 (איור 7) ומערך אנטנות עם כושר הבחנה משופר נרשם כפטנט 3387301 עם סלייט בשנת 1968.

5.  אנטנות רחבות סרט
בשנות ה-70 עסק ד”ר ג’אד בלס, במסגרת חברת Beam Systems Israel שמקום מושבה היה הרצליה, בפיתוח אנטנות תיל (שוט) קצרות ודקות אך רחבות פס ויעילות. הוא הקפיד לתכנן אנטנות אסתטיות  וידידותיות למשתמש ולכן גם נהג להעסיק מעצבים. אנטנה תיל פשוטה אך מיוחדת מתוארת בפטנט 3950757 שרשם ד”ר ג’אד בלס בשנת 1976. באנטנת תיל זו, המורכבת ממספר מקטעים, הורכבה שרשרת סלילים פריטיים אשר מבטיחים אימפדנס קבוע בתחום תדרים רחב במיוחד (איור 8).
רעיון נוסף לאנטנת תיל רחבת סרט עם אורך קצר במיוחד, המתואמת על ידי סליל מחומר פריטי (איור 9) תואר בפטנט 4028704 משנת 1977 שגם הוא נרשם בבעלות החברה הישראלית Beam Systems Israel.
אנטנה שטוחה מיוחדת BSI 46200  הבנויה משלושה דיפולים רחבי סרט (נפתחים באופן הדרגתי מנקודת ההזנה) מעל משטח אדמה, עם הזנה טורית ביניהם מתוארת באיור 10. באנטנה זו המוזנת על ידי BALUN  הושג רוחב פס נדיר של 50% שאינו שכיח באנטנות מודפסות, עקב השימוש המושכל במצע אוויר עבה ובסיכום פאזות בין האלמנטים היוצר שלושה תדרי תהודה קרובים [13].

6.   מילות סיכום
ד”ר ג’אד בלס הגה, פיתח ובנה מגוון רחב של אנטנות, רכיבי רדיו, מערכות מכ”ם והדמייה רפואית. הוא מיעט לפרסם מאמרים והעדיף למצות את רעיונותיו באמצעות פטנטים. עבודתו הצטיינה בחדשנות רבה, אך היתה גם מעשית ושימושית.  התרומה הידועה ביותר שלו בנושא אנטנות מרובות אלומות (“מטריצת בלס”) זוכה לפריחה מחודשת בעשור האחרון במסגרת מערכות תקשורת אלחוטיות מרובות אנטנות (MIMO).
7.   מראי מקום
[1] J. Blass, “Multidirectional Antenna, a new Approach to Stacked Beams”, IRE International Conference Record, Vol.8 Part 1, pp. 48-50, 1960.
[2] J. Butler and R. Lowe, “Beam forming Matrix Simplifies Design of Electronically Scanned Antennas”, Electronic Design, pp.179-173, April 1961,
[3] P. S. Hall and S.T. Vetterlein, “A Review of RF Beam forming Techniques for Scanned and Multiple Beam Antennas”, IEE Proc. Vol. 137, pp. 293-303, October 1990.
[4] W. Rotman and R. Turner, “Wide Angle Microwave Lens for Line Source Applications”, IEEE Trans, Antennas and Propagation, Vol AP-11, November 1963, pp. 623-632.
[5] J. Ruze, “Wide Angle Metal Plate Optics”, Proc. IRE Vol. 38 pp. 53-69, 1950.
[6] J.C. Nolen, “Synthesis of Multiple Beam Networks for Arbitrary lluminations”, PhD Thesis, Bendix Corporation, Radio Division, Baltimore, April 1965.
[7] J. Litva and T.K.Y Lo, Digital Beamforming in Wireless Communications, ARTECH House, 1986.
[8] S. Mano et. al. “Application of Plannar Multibeam Antennas to Diversity Reception”, Electronics and Communications in Japan, Part 1, Vol. 79, pp., 104-112, 1996.
[9] S. Mosca, et. al. “A Novel Design Method for Blass Matrix Beam-Forming Networks”, IEEE Trans. Antennas and Propagation, AP-50, pp 225-232, February 2002.
[10] J.G. Fonseca, “An Investigation of Blass and Nolen Matrices”, CNES Technical Note 152, November 2007.
[11] J. Blass, “Slot Antennas”, chapter 8 in: H. Jasik (ed.) Antenna Engineering Handbook, McGraw Hill, 1961.
[12] J. Blass, “An Analysis of the Radiation from Circular Array of Directive Elements”, IEEE Trans, Antennas and Propagation, Vol. AP-22, November 1974, pp. 84-87.
[13] עלי לוין, רוחב פס ויעילות במערכים מודפסים, עבודת דוקטורט במחלקה לאלקטרוניקה, מכון ויצמן למדע רחובות, דצמבר 1986.

8.  פטנטים רשומים על שם ד”ר ג’אד בלס
US 2704802 (1955)
US 2814708 (1957)
CA 661557   (1963)
US 3179935 (1965)
US 3262113 (1966)
US 3274601 (1966)
US 3316553 (1967)
US 3387301 (1968)
US 3408653 (1968)
US 3950757 (1976)
US 4028704 (1977)
FR 2321780 (1977)
FR 2497000 (1982)
US 4613837 (1986)
US 4691163 (1987)
EP 0278201 (1988)
US 4847852 (1989)

פרופ’  עלי  לוין הוא מרצה בכיר לתקשורת ולאנטנות  באפקה, המכללה האקדמית להנדסה בתל אביב.  בעלים ומנהל בחברת שדות וגלים בע”מ, העוסקת בהנדסת אנטנות ובשכבה הפיזית של  מערכות אלחוטיות.
לתגובות: levineel@zahav.net.il