מכ”מים בעלי מערך בשלבים ומערכים נסקרים אלקטרונית אקטיביים Active Electronically Scanned Arrays היו בשימוש ונפרסו בתוך שוק החלל וההגנה במשך יותר מעשור. תקופה זו החלה ראשית עם מערכות יוצרות קרן אנלוגית עם הגירה מתמדת אל רמות גבוהות יותר של יצירת קרן דיגיטלית. מטרות הנדסת המערכות מוסיפות לשאוף בהתמדה למימושי יצירת קרן דיגיטלית בסיסיים לשם גמישות ותכנות מרביות.
ישנם אתגרים רבים הכרוכים בהגירה ליצירת קרן דיגיטלית כמעט יסודית. האתגרים נעים בין כיול, בקרה דיגיטלית, חלוקת שעונים, הספק LO, עיבוד נפח הנתונים ואילוצי הגודל הפיסי של האלקטרוניקה. ההתקדמות הרבה של RFICs עבור תעשיית האלחוט מוסיפה לאפשר רמות גבוהות יותר של שילוב בתכנוני RF ועתה, מימושים מעשיים של כל המערכים יוצרי קרן דיגיטליים היסודיים הופכים למציאות.
במאמר זה, אנחנו מתמקדים בדרישות הגודל הפיסי עבור האלקטרוניקה. דרישות הגודל הפיסי כפונקציה של תדר הפעולה נדונות ושיטות מימוש מעשיות נסקרות.
ריווח מרכיבי האנטנה כנגד תדר
ראשית נעיין בריווח מרכיבי האנטנה כפונקציה של התדר. כדי למנוע אונות צורמות, ריווח מרכיבים של /2ƛ או פחות דרוש כאשר ƛ הוא אורך הגל של תדר הפעולה. שוני (diversity) הקיטוב גם הופך למטרה רצויה של המערכת. תכונה זו מאפשרת את תכנות מגוון מרכיבי אנטנה הכוללים קיטוב אופקי, אנכי או מעגלי לכיוון ימינה או שמאלה. מימוש מרכיבי האנטנה כדי להשיג תכונה זו הוא מרכיב קורן בעל שני שערים כאשר כל שער קורן בקיטוב מאונך. על-ידי בחינה של מופע ואמפליטודה היחסיים של כל שער יוצרים את הקיטובים השונים. על אף היותה יתרון משמעותי עבור המערכת, תכונה זו למרבה הצער מכפילה את מספר השערים הדרושים ומסבכת את האלקטרוניקה התומכת.
איור 1 מראה את ריווח המרכיבים כנגד התדר בהנחה של מימוש מרכיבי אנטנה /2ƛ . בהתחשב באילוצי הממד הפיסי הללו, תת-המערכות RF מאחורי האנטנה ניתנות להערכה כדי לבצע מימושים הדרושים כדי לענות לריווח הערוצים האלקטרוניים כנגד התדר.
מחולל צורת הגל וריווח ערוצי המקלט
איור 2 מראה את כרטיס ההערכה של אחד מהמוצרים של מקמ”שי Analog Devices. כרטיס זה כולל שני מקמ”שים, כל מקמ”ש כולל שני ערוצי שידור וקליטה (ראה איור 3), ולכן ארבעה מחוללי צורת גל ומקלטים שלמים ממומשים. הכרטיס כולל גם IC של שעון, ותכונות I/O נוספות לשם הערכת החלקים.
על אף שהכרטיס לא כוון לקראת רמת השילוב הגבוהה ביותר האפשרית, הכרטיס מספק מבט לתוך גבולות הממד המעשיים עבור קטע מחולל צורת הגל והמקלט. מה שבולט מיד מהכרטיס הוא שקו המוצרים של המקמ”ש תומך בכל ריווח אנטנה דיגיטלי עד תחום ה-C ובעזרת מאמץ נוסף ניתן לבצע ריווח בתחום X. שים לב שהממד הפיסי של ממיר המעלה/מוריד RF מתאים מתואר באיור 4. הכרטיס המיוחד הזה מיועד להשוואת כרטיס הבדיקה עבור כרטיס המקמ”ש הכפול ושוב הוא ניתן לשימוש כדי להעריך אילוצי כרטיס הבדיקה עבור כרטיס המקמ”ש הכפול ושוב ניתן לשימוש כדי להעריך אילוצים של גודל פיסי עבור תת-המערכת RF הזו. הכרטיס ממומש בשיטות תקניות זולות עם כל החלקים הזמינים מסחרית. שוב הדבר מראה שסוג זה של מימוש תומך בכל האנטנות היסודיות הדיכיטליות עד תחום ה-C. הגירה של כל מרכיב דיגיטלי לתחום X אפשרית בעזרת שילוב נוסף עם SiP .
שני לוחות אלה מראים כי יישומים מסחריים בעלות נמוכה תומכים במערכי מופע דיגיטליים לכל רכיב עבור תדרים עד C-Band. רכיבי כל – יישום בתדר X-Band ומעבר יכולים להיות ברי – מימוש עם אינטגרציה נוספת או כעיצוב אלומה חילופי. ניתן להשתמש ב-מעגלים משולבים כדי להפחית את מספר ערוצי השידור והקליטה של מחולל תצורת האותות יחסית למספר האלמנטים. כיום, מעצבי אלומות בתדר של 4:1 X/Ku הופכים לזמינים בשוק המסחרי ומהווים גישה מעשית עבור מערכי מופע של מעצבי אלומות דיגיטליים בעלות נמוכה בתדרים אלו.
ריווח רכיב פס- Ka
לאחר מכן, נלקח בחשבון המרווח של אלמנט האנטנה של Ka-Band כפי שמוצג באיור 5.
ב-GHz30 , מרווח ה- λ / 2 הוא 5 מ”מ, אשר, כפי שמוצג, מהווה אתגר לא קטן עבור שילוב רכיבי האלקטרוניקה. עם זאת, זה מעשי להטמיע את מעצב האלומה האנלוגי 4:1 בתוך מרווח זה בכיוון הנגדי לרכיבי האנטנה. האתגר, עם זאת, הוא שמגבלות הגודל הפיזי מאפשרות מעט מאד מקום זמין עבור רכיבים נוספים. זה מצריך לכלול LNAs או PAs בתוך חבילת מעצב האלומה ורכיבים פסיביים כגון קבל פיצול המוטמן בתוך ה-PWB.
יתרון גדול בתכנון של מערכות הלוויין של Ka Band הוא שרוב המערכות מפרידות את פונקציות השידור והקליטה אל אנטנות נפרדות. זה מספק הזדמנות לעצב שידור בלבד או לקלוט רק מעגלים משולבים מעצבי אלומה שעברו אופטימיזציה עבור משימה מסוימת.
סיכום
ההתקדמות המתמדת של RFICs עבור תעשיית האלחוט מאפשרת צמיחת טכנולוגיית המערכים השלובים הדיגיטליים. כעת, מעשי יותר לתכנן את כל המערכים השלובים בעזרת טכנולוגיית PWB תקנית עבור תדרים עד תחום ה-C. בתדרים גבוהים יותר של תחום X, מימוש דיגיטלי של כל מרכיב הוא מעשי אולם דרוש מאמץ תכנון נוסף לשם שילוב-יתר. לחילופין יוצר אלומה אנלוגי 4:1 ניתן לשימוש ומציע מרווח נוסף עבור האלקטרוניקה ושיטות מימוש PWB תקניות. בתחום ה-Ka האילוצים הפיסיים הופכים למחייבים יותר. אולם, על-ידי שילוב אלקטרוניקת החזית בתוך מארז יוצר אלומה ניתן להשיג ארכיטקטורת אנטנה תת-מערכית או מערכת יצירת אלומה אנלוגית.
