מגמות בדיקה ומדידה לתעשיית התעופה, החלל והביטחון

תקציבי הביטחון ממשיכים להתכווץ, כתוצאה מדרישות לכוחות צבא קטנים יותר, בעלי יכולות טכנולוגיות גבוהות יותר. כתוצאה מכך, מושקע מאמץ רב יותר מאי פעם לעשות יותר עם פחות משאבים, במיוחד בנושא בדיקות ומדידות. בה בעת, דרישות הביצועים והאמינות של מערכות ה תעופה חלל וביטחון נעשות מחמירות יותר ויותר. לאור לחצים מנוגדים אלה, כלי הבדיקה צריכים לתת מענה גם לסוגיות חיוניות כגון נוחות השימוש, עלות הבדיקה, ואולי החשוב מכל, ביצועים פורצי דרך.

ניתן לחלק את סביבת התעופה, החלל והביטחון לפי מספר גישות. בעת הדיון בציוד בדיקה ומדידה עדיף לחלק אותה לתחומים פונקציונליים נפרדים, כפי שמוצג באיור 1. ישנן טכנולוגיות שונות המשמשות במגזרי תעשייה רבים. אלה כוללות, בין היתר, אנטנות מערך, מערכות רב תפקודיות, עיבוד אותות מעורבים ופעולה בתדרי גמ”מ.

יכולות מתקדמות הנדרשות מציוד הבדיקה.

הפיתוח של מערכות לוחמה אלקטרונית, מכ”ם ותקשורת חדשות ומתקדמות מכתיב דרישות ברמות שיא בכל הקשור בביצועים ושימושים של כלי צב”ד והדמיה. במערכות אלה המשתמשות באותות רוחב פס גדול יותר, היכולת להעביר נתוני אותות RF שנאספו או נשמרו ממכשיר או רכיב אחסון אחד למשנהו, תוך שמירה על סביבת זמן אמת, היא קריטית. קצבי העברת נתונים בסדר גודל של 10GB/s (שווה ערך לרוחב פס RF של 2GHz) ואף יותר, יידרשו בעתיד הקרוב. הפחתת נתונים ממהירות גבוהה (לזמן אמת) וניתוחם בתוך המכשיר כדי להתמודד עם כמויות הנתונים העצומות הוא צורך נפוץ. עבודה זו מצריכה שימוש ב FPGA, DSP או GPU – כבר לא ניתן לסמוך על בקר המכשיר שיטפל במשימות אלה. התהליכים כוללים פעולות כגון המרה דיגיטלית אל ומתדר גל נושא (DDC/DUC), תצוגה סימולטנית של זמן ותדר ברזולוציה גבוהה ויצירת אותות בזמן אמת מנתונים גולמיים שנאספו או מנתונים שנוצרו באופן אלגוריתמי למטרות playback.

מערכות רב-תכליתיות מרובות-מפתחים דורשות ערוצי RF קוהרנטיים מרובים עבור חילול וניתוח אותות. טכנולוגיות רבות, כולל מכ”ם, לוחמה אלקטרונית וסיגינט עוברות למפתחים מבוזרים מרובים לביצועים ויכולות גבוהים יותר.

בדיקת אנטנות מערך ומודולי שידור/קליטה (TRM)

במערכות מכ”ם ולוחמה אלקטרונית השימוש באנטנות AESA נמצא כמעט בכל מקום הודות ליתרונות הרבים שלהן ביישום. יתרונות אלה מאפשרים למערכות לפעול במצבים רבים ולטפל באיומים מרובים או במטרות רבות תוך ניצול היכולות החזקות של עיבוד האותות ושימוש מלא בהן. מכיוון שניתן ליצור ולנתב את הקרן באופן אלקטרוני, לא נדרש גימבל (gimbal), דבר המאפשר מיצוב זריז מחדש של הקרן בקצבים גבוהים מאוד.

עבור יישומי לווין, אנטנות מערך מופע מספקות יתרונות מסוימים על פני אנטנות מחזר (צלחת), ויכולות לכן להיחשב כאפשרות רצויה ללוויין במסלול גאוסטציונרי (GEO). הדבר מאפשר לאנטנה יחידה לתקשר עם תחנות קרקע מרובות המבוזרות מבחינה מרחבית על ידי מיצוב מהיר מחדש של קרן האנטנה ממשתמש אחד למשנהו. ניתן למקם אנטנת מערך מופע על לוויין, כדי למנוע את הצורך בפריסה. המגברים המבוזרים המהווים את המערך הפעיל, מספקים ארכיטקטורה עמידה בפני תקלות.

תפיסה אחת אשר זוכה להעדפה עקב הגברת התפוקה של TRM ואפיון אנטנות מערך היא השימוש באות ברוחב פס רחב יותר מאשר קיים בדרך כלל בספקטרום אנלייזר מסורתי. עם אות רחב סרט, ניתן לבדוק קבוצה גדולה יותר של מצבי תדרים בפעם אחת, בניגוד לסדרה של טונים בתדר יחיד. יתרון נוסף הוא שהעירור לרוחב הפס הרחב יותר מתאים לתנאים התפעוליים של ההתקן או המערכת.

האתגרים הקשורים לאפיון אנטנות מערך מביאים לחדשנות חדשה בשיטות ובכלי הבדיקה. הגדלת מספר האלמנטים במערכי המופע מאפשרת יותר פונקציות סימולטניות ומיקוד צר יותר של האלומה הראשית בקרן הנוצרת. האותות הדיגיטליים בפס הרחב מתקרבים לאנטנה ויוצרים מכ”ם מערך דיגיטלי (DAR) שבו החיבור היחיד למודול TR עבור כל אלמנט הוא אפיק דיגיטלי כפי שמוצג באיור 2.

הדבר מציב בעיה חדשה וייחודית, כאשר צד אחד של הרשת מורכב ממספר נתיבים של נתונים דיגיטליים המייצגים את מה שהתחיל כאות אנלוגי בצד השני של הרשת. ברור שיש צורך במתודולוגיה חדשה למדידת פרמטרי התגובה של הרשת. ישנן בעיות רבות לפתור. מה יהיו בדיוק מדדי הביצועים החדשים? ייתכן שנצטרך לחלץ מה-DSP פרמטר כמו שיהוי הזמן האמיתי במקום המדידות האנלוגיות הטיפוסיות יותר כמו שינויים במופע ובמשרעת. החיבורים הדיגיטליים וחיבורי הסריאליזציה / דסריאליזציה (SerDes) יוסיפו עיוות והשהיה משלהם שיהיה צורך לאפיין.

פלטפורמות משולבות רב-תכליתיות דורשות מערכות בדיקה המוגדרות בתוכנה

מערכות מכ”ם מודרניות משתמשות בתכונות אפנון דפקים המתוכנתות באופן דינמי כדי לחלץ את המידע הרב ביותר מן המטרה. כפי שנאמר לעיל, מכ”מי האיום של ימינו, משתמשות בדרך כלל במערכות אנטנות מערך מופע המאפשרות שינויים דינמיים במאפייני האנטנה ומאפשרות מעקב אחר מטרות מרובות בו זמנית. מכ”מים מודרניים הם מערכות רב-תכליתיות מרובות מצבים, שחתימת ה-RF שלהן משתנה כל הזמן, דבר שמסבך את זיהויין באמצעות מקלט התרעת המכ”ם (RWR).

ההבדלים באופן בו בנויה הארכיטקטורה של המערכות השונות הנמצאות על גבי פלטפורמה מסוימת כלשהי, כגון כלי טיס או ספינה, גורמים לשינוי תפיסת הבדיקה. הם הופכים להיות משולבים יותר (ראה איור 3), ומשתפים משאבים פיזיים כגון אנטנות ומעבדים כדי לצמצם גודל, משקל והספק (SWaP), כמו גם שיתוף מידע כדי לקבל החלטות נבונות יותר לגבי אופן התגובה לכל סביבה או איום.

דבר זה בתורו מניע את השינויים באופן בו מערכות אלה מוערכות על מנת להבטיח יכולת פעולה הדדית, וכי כל המקרים והמצבים נבדקים. בדיוק כמו המערכות אותן עליהם להעריך, פתרונות הבדיקה חייבים להפוך לניתנים להגדרה בתוכנה וקושחה עם יכולת שימוש והגדרת תצורה מחדש של אלמנטי חומרה נפוצים בהתאם לצורך עבור המערכת הנבדקת.

בדיקת אותות מעורבים דורשת מדידה השוואתית

יחד עם ארכיטקטורות הלוויין, המכ”ם והלוחמה האלקטרונית המודרניות, מגיע מספר עצום של אתגרים ייחודיים, שרבים מהם נובעים מהשינוי בפורמטים של האותות המתרחש באמצעות המשדר והמקלט. לעתים קרובות, האות מיוצג על אפיקי אותות IQ כפולים שנדגמו בזמן, דבר המסבך עוד יותר את הבדיקות.

אבחון בעיות דיגיטליות דורש על כן ממשק בדיקות שונה עבור חומרה שונה. חקירת אפיקי IQ עם חיבורי בדיקות רבים הופכת חיונית. החקירה מסובכת לעתים כאשר נעשה שימוש ברכיבי FPGA, שכן רבות מנקודות הבדיקה הרצויות עשויות שלא להיות נגישות בקלות מחוץ לשבב.

כפי שמציין איור 4, ניתוח מרובה פורמטים הוא לעתים צורך חיוני בפתרון בעיות. מאחר שמרבית תכני הלוויין הדיגיטליים מומרים בסופו של דבר בחזרה לאותות אנלוגיים, לעתים קרובות יש צורך להשוות את האות האנלוגי לאות הדיגיטלי שיצר אותו מלכתחילה. הדבר דורש יכולת ניתוח חוצת מישורים כדי להשוות פרמטרי אפנון בין האות הדיגיטלי לבין האות האנלוגי.

ניתוח השוואתי יכול להימשך הרחק מעבר למדידות IQ ב-baseband, ולנוע עד תדרי IF ו-RF לכל אורך הדרך עד Ka-band ולתוך הגמ”מ.

יש צורך בתוכנת ניתוח אותות וקטוריים (VSA) בה ניתן להשתמש עם Logic Analyzers, אוסילוסקופים דיגיטליים ונתחי אותות RF באמצעות אותם אלגוריתמי מדידה כדי להבטיח השוואה תקינה של תוצאות המדידה. הדבר מאפשר חקירה של ביצועי שרשרת המשדרים הדיגיטליים/משדרי ה-RF לאותות מעורבים בשלבים שונים לאורך שרשרת המשדרים, ומספק למהנדס המערכת תובנות אודות החלקים בתכן שגורמים לבעיות או שתורמים משמעותית לוקטור השגיאה (EVM) של יציאת המשדרים. דבר זה עשוי להיות בעל ערך הן מבחינת ניפוי שגיאות והן מבחינת תקצוב ביצועי המשדרים ברמת המערכת.

בנוסף, אם נעשה שימוש ברכיבי FPGA בתכן, אז ניתן להשתמש בפרוב בדיקה דינמי של FPGA כדי לחקור שלבים שונים של יישום ה-FPGA באמצעות תוכנת VSA עם Logic Analyzer. לאחר מכן ניתן להשתמש באותה תוכנת VSA יחד עם אוסילוסקופ דיגיטלי או נתח אותות RF בנקודות נוספות לאורך שרשרת המשדרים והמקלטים.

יישומים חדשים בגמ”מ

תדרים מילימטריים נחשבים כמכסים 30-300GHz, משום שבטווח תדרים זה אורכי הגל בחלל החופשי הינם באורך 10-1 מילימטרים. לאותות מילימטריים יש כמה מאפייני קליטה מעניינים באטמוספרה, שיכולים להיות מאתגרים לשימוש עבור יישומים מסוימים, אך יכולים גם לספק יתרון. אורכי גל קטנים יותר משמעותם כי מידות האנטנה קטנות מאד בהשוואה לאנטנות מיקרוגל, כך שמערכות המשדרים והמקלטים יכולות להיות מאוד קומפקטיות. אורכי גל קטנים יותר גם יכולים לספק רזולוציות גבוהות יותר, במיוחד עבור מכ”ם מפתח סינטטי (SAR). עם בסיס משתמשים קטן יותר משמעותית, הפסים המילימטריים נוטים להיות הרבה פחות עמוסים מפסי התדרים של VHF, UHF ומיקרוגל. בנוסף, ניתן יהיה לממש רוחבי פס באפנון גדול עם השפע הנוכחי של ספקטרום זמין.

יחד עם המאפיינים הרצויים של אותות גמ”מ, מגיעים מספר אתגרים וקשיים. לאותות מילימטריים יש יכולת דלה מאוד לחדור דרך חומרים והם נחסמים בקלות. ההפסדים דרך מרבית תווכי ההתפשטות, כגון האטמוספרה, או דרך קווי תמסורת, כגון כבלים קואקסיאליים או מוליכי גלים, הם גבוהים מאוד.

מכיוון שהממדים הפיזיים מצטמצמים ככל שהתדרים עולים, כל החומרה הקשורה נעשית קטנה ושבירה יותר. משמעות הדבר גם שהם קשים יותר לייצור ולעיבוד שבבי בטולרנסים הדרושים לביצועים טובים. השילוב של גורמים אלה, יחד עם הנפח הנמוך של המוצרים המילימטריים משמעותו גם שהעלויות נוטות להיות גבוהות כפי שמודגם באיור 5. ראוי גם לציין כי תקני הספק הניתנים למעקב קיימים רק עד 110GHz.

עתיד תחום הבדיקות והמדידות בתעשיית התעופה, החלל והביטחון חייב לכלול נתיב של חדשנות מתמדת. יש להתאים ולשפר את ציוד הבדיקה כדי לתמוך ביישומים באמצעות טכנולוגיות המתקדמות במהירות. מכשור המוגדר בתוכנה מספק שיטה

לשליטה בעלויות הבדיקות באמצעות שימוש חוזר בחומרה וזמן מופחת עד למדידה הראשונה. אך בכל מקרה, יש הרבה עבודה לעשות כדי להתמודד עם ההתעוררות המתקרבת בתעשיית הביטחון.