כידוע, מכ”ם (באנגלית: RADAR) הינה מערכת אלקטרונית המשמשת לגילוי כיוון ומרחק של העצמים. הרעיון מבוסס על שידור גלים לעבר האובייקטים וקליטת ההדים החוזרים מהם, כך שיכולת זיהוי של כיוון ומרחק מתאפשרת על ידי ההדים חוזרים אל המכ”ם. השימושים העיקרים הם לגילוי מיקום של מטרות, כמו מטוסים או אוניות, למיפוי, להדמיה ולהשגת מידע על שטח, נפח או סוג החומר של האובייקט – חישה ברמה גבוהה של נוזלים או מוצקים. שימוש במכ”מים אינו מסתכם רק בזאת. מכ”ם מסייע לכלי לחימה, בחקר החלל, מציאת ממצאים ארכיאולוגיים הקבורים באדמה, מערכות נהיגה שונות, בטיחות ,אבטחה, ספירה ואיתור אנשים לצרכים שונים. ההצלחה המערכתית של כל היישומים האלה כמובן ברוב המקרים תלויה באמינות ובדיוק של ביצועי המכ”ם.
אחד המכ”מים הנפוצים הוא מכ”ם רכב, המודד מרחקים ומהירויות ומאפשר נהיגה חכמה ובטוחה יותר. כמו כן, מערכות סיוע מתקדמות לנהג כגון בלימה אוטומטית וחישה עם אזהרות מתאימות בכלי רכב מפחיתות באופן משמעותי את כמות תאונות הדרכים.
במכ”ם RF משתמשים באנטנות על מנת לשדר ולקלוט גלים אלקטרומגנטיים. ישנם הרבה פרמטרים של אנטנות כאשר מתייחסים למפרט ותכן: רוחב סרט, קיטוב, אימפדנס כניסה, רוחבי אלומה, שבח, נצילות וכו’. במקרה כאשר מדובר על מערך אנטנות, חשוב גם להתייחס לצימוד ההדדי בין האלמנטים הקורנים.
באיור 1 ניתן לראות אנטנות מחוברות לרכיב של המכ”ם. ישנן 2 אנטנות שידור ו – 4 אנטנות קליטה. מצד שמאל וימין של האנטנות הקליטה, ישנם אלמנטים שנראים כמו אנטנות המחוברים למשטח האדמה. זה נועד על מנת לאזן את עקום הקרינה (שבח ופאזה) של האנטנות הנמצאות בקצוות. הרעיון של מכ”ם MIMO (Multiple Input Multiple Output) לשפר רזולוציה זוויתית, כאשר ניתן להשתמש בפחות אנטנות ומשרדים \ מקלטים. לדוגמא, ניתן לשדר באנטנה מס’ 1 ואז לקלוט בכל האנטנות קליטה, לאחר מכן לשדר באנטנה מס’ 2 ואז לקלוט בכל האנטנות קליטה וכו’ (באופן כללי).
איור 1 – דוגמא של מערך אנטנות MIMO, 76 GHz – 81 GHz
את תכן האנטנות וההשפעות ביניהן, ניתן לבצע ע”י שימוש בסימולציה בתוכנת Ansys HFSS במישור התדר, בשיטת חישוב FEM (Finite Element Method).
כאשר מנתחים את ההשפעות של אנטנה אחת על השנייה, בנוסף למדדים כמו פרמטרי הפיזור (S parameters), מומלץ להסתכל על צפיפות הזרם על המוליכים ולבצע אנימציה של צפיפות הזרם על מנת להבין יותר את מנגנון של ההשפעות האלקטרומגנטיות בין האנטנות. באיור 2 ניתן לראות את הצפיפות הזרם משטחית על המוליכים של האנטנות ועל המוליכים הקרובים, במקרה כאשר האנטנה הראשונה משדרת.
איור 2 – צפיפות הזרם משטחית, אנטנת Tx1 משדרת, תדר 79 GHz
ככל שתדר העבודה של המכ”ם גבוהה יותר, נדרשת יותר התייחסות עבור תכן נכון של האנטנה בנוכחות הסביבה שלה. לדוגמא, עבור מכ”ם רכב מסוג FMCW (Frequency-Modulated Continuous Wave) בתחום תדרי עבודה 76 GHz – 81 GHz, קיימת השפעה גדולה מאוד של חומרים שונים הנמצאים בקדמת האנטנה. חשוב לבצע תכן אנטנות ואלקטרומגנטי נכון ע”י שימוש בכלי סימולציה בנוכחות הסביבה הקרובה של האנטנות. איור 3 מראה דוגמא של התקנת האנטנות יחד עם הראדום ועם הפגוש.
איור 3 – התקנות שונות של האנטנות עם ראדום ופגוש
כאשר התכן לא מבוצע נכון, עקומי קרינה של האנטנות יהיו מעוותים, דבר שיפגע בביצועי המכ”ם, כפי שמתאר איור 4.
איור 4 – עקום הקרינה של אנטנה במצב התקנה
בסופו של דבר, חשוב מאוד לבצע סימולציה של המכ”ם כאשר לוקחים בחשבון את הרכב שעליו מותקן המכ”ם, את הרכבים הקרובים, את הכביש ואובייקטים אחרים הנמצאים בסביבה, בגלל הפיזור של גלים אלקטרומגנטיים.
בתדר 79 GHz, אורך הגל בחלל חופשי כ – 3.8 מ”מ, לכן זירת תנועה בקנה מידה מלא יכולה להיות בגודל של מיליארדי אורכי גל מעוקבים. במקרה הזה לא ניתן לפתור את הבעיה ע”י שימוש בשיטות נומריות כגון FEM או שיטת MoM (Method of Moments), ולכן נדרש להשתמש בשיטות אסימפטומטיות. חשוב ששיטת הפתרון תהיה כמה שיותר מדויקת והפתרון שלה דומה לזה של השיטות FEM או MoM. ע”י שימוש בתוכנת Ansys HFSS ובפרט שיטת פתרון SBR+ (Shooting and Bouncing Rays) המשלב שיטות GO (Geometrical Optics) ו – PO (Physical Optics), כמו כן חישובי ותיקוני דיפרקציה PTD (Physical Theory of Diffraction), UTD (Uniform Theory of Diffraction) וגלים זוחלים (Creeping Waves) נותן פתרון מהיר וקרוב למצב המציאות.
באיור 5 ניתן לראות מעקב אחר קרניים המבוסס אופטיקה גיאומטרית בסימולציה בתרחיש של הכביש.
איור 5 – מעקב אחר קרניים מבוסס אופטיקה גיאומטרית
איור 6 מתאר זירה של מכוניות, כביש ואובייקטים אחרים, כאשר ניתן לבצע סימולציה של מפות Range-Doppler עבור מכ”מ FMCW ע”י שימוש ב – Ansys HFSS.
איור 6 – סימולציה של מכ”ם רכב בתרחיש מורכב
יישום חשוב נוסף של מכ”ם בגלים מ”מ הינו שימוש בתחום של רחפנים לזיהוי של מכשולים. בעת טיסה, רחפנים יכולים להיתקל במכשולים שונים כגון עצים, מבנים וקווי חשמל. טכנולוגיית מכ”ם בגלים מ”מ יכולה לזהות את המכשולים הללו ולספק מידע בזמן אמת למערכת בקרת הטיסה של הרחפן, ומאפשרת לו לבצע התאמות בנתיב הטיסה שלו על מנת למנוע התנגשות.
מקורות:
[1] U. Chipengo, A. P. Sligar, S. M. Canta, M. Goldgruber, H. Leibovich and S. Carpenter, “High Fidelity Physics Simulation-Based Convolutional Neural Network for Automotive Radar Target Classification Using Micro-Doppler”, IEEE Access, vol. 9, 2021.
[2] J. Yan, H. Wang, J. Yin, C. Yu and W. Hong, “Planar Series-Fed Antenna Array for 77 GHz Automotive Radar”, APCAP Conference, 2017
[3] http://www.ti.com/product/AWR1642
[4] Ansys internal material
הכתבה באדיבות Electromagnetics Infinity. לפרטים נוספים ניתן לפנות לנציגות של החברה.
על המחברים:
ולדימיר וולפין
מר ולדימיר וולפין בעל תואר שני בהנדסת חשמל עם התמחות באלקטרומגנטיות מאוניברסיטת בן גוריון. בעל ניסיון מעל 15 שנים בפיתוח בתחום אנטנות, רכיבי מיקרוגל פאסיביים וסימולציות אלקטרומגנטיות. מנכ”ל חברת Electromagnetics Infinity המשמשת כ – Channel Partner של חברת Ansys ונותנת שירותי תכן ובפיתוח מערכות RF ואנטנות חכמות.
איתמר מדר
מר איתמר מדר מהנדס חשמל ואלקטרוניקה עם התמחות ב – RF ואנטנות. ראש צוות פיתוח אנטנות בחברת Electromagnetics Infinity ומדריך קורסים של תוכנת סימולציה Ansys HFSS.
