התדרים האלחוטיים דוהרים כלפי מעלה

הרעב הגדול לרוחב פס דוחף את תעשיית התקשורת לתדרים חדשים של עשרות ג’יגה-הרצים, ומבריח את מערכות המכ”ם הצבאיות לתדרים גבוהים יותר, הדורשים אתגרי התמודדות מיוחדים. גם ליצרניות הצב”ד דוגמת Agilent מדובר באתגר מעניין

מאת: רוני ליפשיץ. טווח התדרים הצבאיים נחשב בשנים האחרונות לטריטוריה מוגנת, הנישמרת בקנאות על-ידי הצבאות. עד היום דאגו רוב המדינות להגן על התדרים בהן פועלות מערכות מכ”ם ולוחמה אלקטרונית, ולוודא שתדרי העבודה שלהן מופרדים לחלוטין מאלה של השוק האזרחי. אלא שמהפיכת התקשורת האלחוטית המתחוללת בכל זירה אפשרית כמעט, מכרסמת במהירות בבלעדיות של התדרים הצבאיים ושל המערכות הביטחוניות העובדות בתדרים מילימטריים.

מנהל חטיבת השיווק של חטיבת המיקרוגל והתקשורת בחברת Agilent Technologies, ג’ים קוראן, (Curran), סיפר לאחרונה שהתופעה כל-כך מתרחבת, שהיא דורשת פיתוח דורות חדשים של מוצרי בדיקה. “מערכות התקשורת האזרחיות נכנסות לגבולות הספקטרום של התדרים הצבאיים, והם נאלצים לעבור למעלה, לתדרים גבוהים יותר”.

תדרי עבודה של 5.8 גה”ץ

“אם תדרי העבודה של רשתות GSM ו-CDMA היו בעבר בטווח של כ-2GHz, כיום תקני תקשורת חדשים כמו 802.11a   או 802.11802.11n/ac  כבר מיועדים לעבוד בפס התדרים של כ-5GHz”. התוצאה לדבריו, היא שמערכות צבאיות דוגמת מערכות מכ”ם, מתחילות לעבוד בטווחי תדרים חדשים של 75GHz-110GHz.

צריך לזכור שיש למעבר הזה גם שיקולים מבצעיים, ולא רק ניסיון התרחקות מהתדרים האזרחיים. “רוב הלחימה כיום מתנהלת באזורים אורבניים צפופים, ולכן קיימת בצבאות דרישה לעבוד בתדרים גבוהים מאוד, המאפשרים לצייד את הכוחות באנטנות ניידות קטנות ולהגדיל את כושר ההפרדה של המכ”ם כדי לגלות גופים קטנים מאוד, לא רק מטוסים או ספינות”.

במקביל, מערכות המכ”ם החדשות עושות שימוש גובר בטכנולוגיות Spread Spectrum המיועדות לפרוס את שידור האותות בטווח תדרים גדול מאוד, כדי למנוע את גילוי המכ”ם ונסיונות שיבוש ויירוט.

למגמות האלה יש השפעה ישירה על תהליכי הפיתוח והתכנון של מערכות צבאיות חדשות. כך למשל, רוחב הפס של מערכות תקשורת אלחוטיות הוא פחות מ-2% מהתדר הנושא, ותופס בממוצע גס מאוד רוחב פס של כ-5MHz. אולם במערכות מכ”ם צבאיות רוחב הפס הוא אדיר: מכ”ם Synthetic Aperture Radar ממוצע פועל בתדרים שמסביב לפס ה-100GHz, ורוחב הפס שלו הוא כעשירית מהתדר הנושא -כלומר הוא יכול להגיע לכמה מאות מגה-הרצים.

הישראלים עובדים בתדר גבוה

אם קיימת תופעה עולמית מסויימת בתחומי המיקרוגל והאלחוט, ניתן כמעט בוודאות למצוא לה הדים גם בתעשייה הישראלית. ישי ברודני, מהנדס יישומים ותמיכה טכנית במוצרי RF ומיקרוגלים בחברת Agilent Israel, מספר שהתהליך מתגבר במיוחד בשנתיים האחרונות: “אנחנו מרגישים צורך של הלקוחות שלנו בארץ לעלות בתדר, ויותר אנשים שואלים על תדרים של 40, 60, 75, ו-80 ג’יגה”.

אפשר לאפיין אותם?

ברודני: “הדרישה מגיעה בעיקר מתחומי התקשורת והביטחון. לקוחות שלפני שנתיים עלו לתדרי 40GHz, מתחילים כיום לשאול על פתרונות עבור תדרים גבוהים יותר, כולל אפילו 98GHz. באקדמיה כבר חוקרים את השימוש בתדרים גבוהים יותר. ד”ר ערן סוחר מאוניברסיטת תל-אביב הקים מעבדה הפועלת בתדר של 325GHz, ובאוניברסיטה העברית בירושלים מבצעים כיום מחקרים בתדרים של מאות ג’יגה-הרצים. הם זקוקים לתדרים הללו עבור מחקרים בנושאי מדידות חומרים, מקדמי מוליכות ומגנטיות של חומרים ביולוגיים וכדומה.

מה הם היישומים הנפוצים ביותר שאתה רואה בתעשייה הישראלית שבהם מתפתחת עלייה בתדר?

יישום מאוד בולט הוא לתקשורת האלחוטית עבור התקנים החדשים, WiGiG והתקן המקביל לו, 802.11ad. יש לזכור שהטווחים בתדרים אלה הם קצרים מאוד, ובחירת התדר אינה פשוטה מכיוון שצריך להתחשב במאפייני הבליעה של האטמוספירה.

“העלייה בתדר מורגשת גם בתחום מערכות המכ”ם. מובר במערכות כמו מכ”ם ניהול התעבורה בשדות תעופה. כאן מדובר במערכות המאתרות את כל המטוסים וכלי-הרכב הנעים בשטח שדה התעופה ועל-גבי מסלולי ההמראה. גם מערכות מכ”ם לגילוי אדם דורשות שימוש בתדרים גבוהים מאוד, ובמקביל הן קצרות טווח בהשוואה למערכות מכ”ם אוויריות או ימיות.

רפואה אלחוטית

להערכתו, בתחום הרפואי מתקיים היום מאמץ גדול לפתח מערכות הדמייה המבוססות על תדרים אלחוטיים גבוהים, “מערכות הדמייה דוגמת MRI הן גדולות ויקרות מאוד, ולכן מתבצעים היום ניסויים לבדיקת השימוש בתדרי מיקרוגל בתחום לצורכי הדמייה רפואית. כאשר עובדים בתדר גבוה, המערכות קטנות יותר יש פחות שכנים ופחות הפרעות. אפשר לעבוד ברוחבי סרט גדולים ולכן הדבר מתאים ליישומים הדורשים רוחב פס גדול”.

איזה פתרונות צב”ד אתם מציעים לתחום המתפתח?

“האסטרטגיה שלנו היא תמיד לעלות בתדר ולהגדיל את רוחב הפס. יש לנו מערכות בעלות יכולת עבודה בתחום של עד 1.05THz. הפתרון הזה מבוסס על שילוב של נתחי הרשת הווקטוריים (Vector Network Analyzer) מסוג PNA ו-PNA-X, שהם מוצרי מדף של Agilent. כיום יש כבר כמה מערכות כאלה בישראל הפועלות בתדר של עד 110GHz, וכאמור מערכת אחת של 325GHz.

“לאחרונה הוצאנו סדרה של מיקסרים הרמוניים חדשים מדגם M1970, שהם בעלי דיוק מדידה משופר, הפעלה אוטומטית ותחום דינמי גבוה יותר. כאשר משלבים אותם ביחד עם נתחי הספקטרום ממשפחת PXA, הם מספקים יכולת ניתוח ספקטרום בתדרים של עד 110GHz.

אמנות המיקרוגל

ברודני מסביר שניתן להציב את המיקסר קרוב מאוד לרכיב המשדר, ולמנוע התפתחות הפסדים. “צריך לזכור שבתדרים גבוהים יש ניחות גבוה בכבלים ומתפתחות תופעות שונות שהמפתחים צריכים להיות מודעים להן. הם נתקלים באתגרים הרבה יותר קשים מאשר בעבודה בתדר נמוך.

“ההפסדים בכבלים, למשל, הם משמעותיים מאוד. לשם המחשה, הניחות בכבל בקוטר 1 מילימטר ובאורך של 16 ס”מ המעביר אות בתדר של כ-110GHz, הוא 2dB. התדר הגבוה גורם לתופעות של זליגה בתוך הרכיב הנבדק והשראויות הדדיות. אתה יכול לתכנן מנחת בתדר של 80GHz ובניחות של 50dB, אבל הזליגות שיתפתחו סביבו יהיו הרבה יותר גדולות מהמנחת עצמו. תשומת לב מיוחדת צריכה להינתן לסוגיות כמו ניקיון הכבלים והמחברים איכות הרכיבים, דיוק הסגירה של ה-Waveguides וניקיון המשטחים. כל אלה גורמים לתופעות לוואי שאינן קשורות למדידה החשמלית עצמה”.

לפני כארבעה חודשים הכריזה חברת Agilent על חבילה מעניינת במיוחד המבוססת על שילוב של מספר מוצרים: מערכות PSG (מחוללי אותות ממשפחת E8267D), נתחי אותות חדשים ממשפחת X-Series, גרסה מעודכנת של תוכנת 89600 VSA ותוכנת Signal Studio. ביחד, כל המוצרים הללו מרכיבים חבילת הדמייה מאוחדת עבור מערכות בעלות תדרים גבוהים במיוחד.

ג’ים: “זה המענה שלנו לאילוצי הפיתוח של מערכות מכ”ם צבאיות מורכבות. המערכות היום צריכות גם לעמוד ביעדי תקציב וזמן יציאה לשוק קשוחים מבעבר. הפיתרון לבעיות האלה צריך להתבסס על יכולת הדמייה במעבדה של מערכת מכ”ם שלמה”.