הזנת הספק אלחוטית למרחקים גדולים לפלטפורמות סטראטוספריות: הפרעות אלקטרומגנטיות והשפעות ביולוגיות מסוכנות

מאמר זה מייצג תפיסות עדכניות בנוגע ל-“שידור הספק אלחוטי” (WPT). יוצג הפתרון החדשני למערכות פלטפורמות סטראטוספריות – Stratospheric Platforms) SP) בגבהים בין 17 ל-24 ק”מ שבהם מהירות הרוחות היא מזערית ולכן יותר קל לייצב פלטפורמות. היישומים העיקריים של פלטפורמות אלו הינם תקשורת למרחוק, חישה ולמטרות ביטחוניות אבל בגלל ההספק החשמלי הנדרש לייצוב המגיע עד ל-300 קילוואט במקרים של רוחות מרביות, עקב השכבות האטמוספריות וליקויי השמש הארוכים המגבילים את ההספק של הפלטפורמות הסטראטוספריות בתאים הסולאריים, טרם הושגה פעולה ארוכת זמן של הפלטפורמות האלו. מימוש מערכות קרקעיות לשידור הספק אלחוטי מיקרוגל המזינות פלטפורמות סטראטוספריות דרך אנטנות ליישור זרם (RECTENNA), עשוי להיות הפתרון לפעולה ארוכת טווח של הפלטפורמות הסטראטוספריות וגם עבור הבדיקות המקדמיות של מערכות לווייני הספק סולריים מורכבות הדורשות הספקים חשמליים גבוהים יותר. כמו כן, יידונו ההפרעות האלקטרומגנטית – (Electro Magnetic Interference) והסכנות

הביולוגיות מקרינה בתלות בהספק ובתדר של העברת ההספק באמצעות מיקרוגל והדרכים לצמצומם.
היתכנות שידור הספק אלחוטי מיקרוגל לטווח ארוך
התקדמות משמעותית בתחומי פיתוח וייצור שפופרות הספק מיקרוגל, אנטנות, בקרה, מערכות עקיבה, תאים סולריים פוטוולטאיים, ובמיוחד בתחום אנטנות מיישרות זרם (RECTENNA) איפשרו פיתוח מערכות יעילות לשידור הספק אלחוטי למרחקים ארוכים [1]. נושא חשוב בתחום המערכות לשידור הספק אלחוטי הוא יעילות השידור. ניתן להסביר את עקרון הפעולה של שידור הספק אלחוטי מיקרוגל באמצעות מושגים מתחום התיאוריה האלקטרו-מגנטית בנוגע לקרן אנטנות בעלות צמצם כיוונון גבוה. קרן האנרגיה המשודרת מצמצם האנטנה, נשארת מרוכזת בנפח גלילי, בעל חתך רוחב זהה לצמצם האנטנה, ואינו מתפזר בשדה אזור
ה-Raleigh הקרוב עד למרחק Raleigh גבולי dR של D2/2λ .D מייצג את המידה הגדולה יותר של צמצם האנטנה, בדרך כלל, הקוטר, ו-λ מייצג את אורך הגל המשודר. השדה הרחוק של אזור Fraunhofer מתחיל מעבר
ל-dF של [1, 2], היכן שצפיפות ההספק S קטנה לפי ריבוע המרחק d וקיים פיזור של ההספק. לכן, התקנים יעילים הקולטים את מערכות שידור ההספק האלחוטי צריכים להיות ממוקמים עד קרבת אזור ה-Raleigh של אנטנת המשדר (Tx). ו-W.C Brown חשבו את היחסים של נצילות שידור ההספק האלחוטי כפונקציה של d, התדירות f ופרמטרים אחרים [3]. אנטנת שידור ההספק האלחוטי מיקרוגל צריכה להיות בקו ראייה- (Line of Site) עם ה-RECTENNA, אנטנת המקלט. תרשים מלבנים פשוט של מערכת שידור הספק אלחוטי מיקרוגל לטווח ארוך מוצג באיור 1.
לפלטפורמות הסטראטוספריות קיים פוטנציאל להפוך לחלופה שימושית וזולה או לחלופה משלימה ללווייני ממסר רדיו בעלי מסלול היקפי סביב כדור הארץ בעל נקודה קבועה – (Geostationary Earth Orbit) ובעלי מסלול היקפי נמוך סביב כדור הארץ – (LEO). הרום המיטבי של הפלטפורמות הסטראטוספריות מצוי בתחום שבין 17 ל-24 ק”מ, עקב מהירויות רוח ותנאי טמפרטורה מזעריים. אך החיסרון העיקרי של הפלטפורמות הסטראטוספריות הוא זמני ליקויי השמש הארוכים, שהינם יותר מ-12 שעות ביממה עבור מקומות בקרבת קו המשווה, ועד 24 שעות ביממה בחורף, עבור מקומות בקרבת הקטבים של כדור הארץ. לכן, הפלטפורמות הסטראטוספריות זקוקות למערכות ייצור ומערכות אחסון אנרגיה גדולות וכבדות יותר מאשר לוויינים. ההספק החשמלי הנדרש על ידי הפלטפורמות הסטראטוספריות, נמצא בדרך כלל בתחום שבין 10 ל-300 קילוואט עבור המִטְעָן, הייצוב וקביעת מיקום קבוע [1,6]. מערכת שידור הספק אלחוטי תהווה פתרון מושך עבור פלטפורמות סטראטוספריות לצרכי רציפות פעולה למשך חודשים או שנים, כגון לוויינים, כפי שמוצג באיור 2. מימוש מערכות שידור הספק אלחוטי מיקרוגל עבור פלטפורמות סטראטוספריות, עשוי לתרום למערכות לווייני הספק סולריים עתידיות מורכבות יותר והדורשות יותר הספק למרחקים של מאות קילומטרים עבור מסלול היקפי נמוך סביב כדור הארץ LEO ועד 38,000 ק”מ עבור לוויינים בעלי מסלול היקפי סטציונרי סביב כדור הארץ – GEO. הרשויות היפניות ומספר חברות אמריקניות משקיעות בפרויקטים של לווייני הספק סולריים [1, 6-8].
בהתייחס להמלצות ITU בנושא בחירת תחומי התדרים, רק תחומי התדר התעשייתי, הרפואי והמדעי – ISM, מתוך התחום של 2.4 עד 2.5GHz או מתוך התחום של 5.725 עד 5.875GHz, ניתנים לבחירה עבור מערכות שידורי הספק אלחוטי ב מיקרוגל [9]. המידות הפיזיות של אנטנת השידור ושל האנטנה הקולטת, ה-RECTENNA, כדי להשיג נצילות מיטבית של שידור הספק, קטנות ביחס ישר לעליית התדר. תחום התדרים של 2.45GHz עדיף עבור שידור הספק אלחוטי מיקרוגל ארצי במיוחד במקרים של אזורים לחים וגשומים, היכן שניתן להתעלם מהפסדים אף בגשם כבד, כפי שמוצג באיור 3. תחום התדר של 5.8GHz, עדיף יותר עבור שידור הספק אלחוטי מיקרוגל מן הקרקע לפלטפורמות הסטרטוספריות היכן שהאטמוספרה יותר דלילה וצפויים פחות גשמים [1,3]. הדרישות העיקריות עבור שידור הספק אלחוטי מיקרוגל בפס תדר של 5.8GHz, הינן: ליניאריות, יעילות, אמינות, עלות נמוכה, וקומפקטיות [1,6]. הליניאריות חשובה יותר, זאת, על מנת לצמצם ככל האפשר הרמוניקות, אינטר מודולציה, תדרי שווא והפרעות אחרות למערכות תקשורת רדיו אחרות [2, 10]. הדבר ניתן להשגה באופן חלקי באמצעות פעילות בחלק הליניארי של אפיוני ההעברה שלמגברי ההספק של המשדרים, הרחק ממצב הרוויה המצמצם את יעילות המרת שידור ההספק. ניתן לשלב מסננים סלקטיביים (חדים) במוצא המשדרים כי אינם מאופננים ורוחב סרט המוצא מאוד צר [6, 8]. נצילות השידור של המשדר, אמינות וקומפקטיות פחות חשובים, היות שאפשרויות פיזור החום ואספקת החשמל זמינות בתחנת השידור על הקרקע כמו גם תחזוקה מתמדת במקום והעדר דרישות שיגור עבור המשדר והאנטנה שלו. ניתן להשתמש במשדרים עם מערכי אנטנות מבוקרות מופע, הקרויות SPORTS והמצטיינות ביציבות, במזער תדרי שווא והרמוניות שפותחו ע”י מדענים יפנים [7, 11]. היפנים גם פתחו למערך אנטנות השידור מפחת גאוסיאני בעל משרעת של 10dB שיכול להקטין את ההפרעות ע”י הקטנת אונות הצד של המערך ולרכז את צפיפות עוצמת האלומה למרכז הפלטפורמות הסטראטוספריות המשודרת באנטנת השידור וגם באנטנת הקליטה, ה-
[8, 11]. ניתן לפתח מערכות לכוונון עם מעגלי צימוד מופע המשתמשים במריחת ספקטרום בעל רצף ישיר עם פיילוט במחצית תדר שידור הספק אלחוטי מיקרוגל, כלומר ב-2.9GHz, על מנת למנוע איומי התאבכות והפרעות מקרן שידור הספק אלחוטי מיקרוגל בעלת רמת הספק גבוהה הרבה יותר [1]. מפחת חדש מסוג Raleigh הוצע לאחרונה ע”י מדענים רוסיים לצרכי צמצום נוסף של אונות הצד ולשיפור דיוק העקיבה של קרן שידור ההספק האלחוטי [12]. יש ליישם טכניקות שיכוך הפרעות במיוחד על אנטנות ה-RECTENNA של הפלטפורמות על מנת לצמצם הרמוניות ותוצרי אינטר-מודולציה פסיביים ואקטיביים כדי לא לשבש את פעולת המקלטים הסמוכים בפלטפורמות [9, 10]. כמו כן ניתן להרכיב משטחי תדר סלקטיביים בחזית ה-RECTENNA, אשר מצמצמים את ההרמוניות מבלי להשפיע על תדר הקרן הבסיסי. ניתן גם למקם מנחתים בולעי אנרגיה סביב ההיקף החיצוני של
ה-RECTENNA על מנת לצמצם את ההפרעות למערכות רדיו סמוכות [1, 7].
עבור אזורים באקלים יבש ובמיוחד במקומות גבוהים, ניתן להשתמש אפילו בתחומי תדרי הרדיו הגבוהים של החלונות האטמוספריים ב-35 ו-94GHz שעשויות להיות בעלות יתרון עקב ההקטנה המשמעותית במידות הפיזיות של האנטנה ושל מערכי ה-RECTENNA לקבלת נצילות גבוהה של המערכת, כמו בהקטנת חתך הרוחב של קרן שידור מיקרוגל, גם הרבה פחות מערכות רדיו פועלות בתחומי תדרים אלו. דבר המצמצם עוד יותר את האפשרות להפרעות רדיו ומקטינה במידה נכרת את המשקל והעלות של המערכת.אולם, יש לעצור את שידור ההספק עבור מרווחי הזמן הגשומים המוגבלים בגלל הניחות וההפסדים בתדרים גבוהים אלו כפי שנתן לראות באיור 3 [1].
מערכת הבקרה לייצוב ספינת האוויר של הפלטפורמה הסטראטוספרית כוללת בקרת קרן עם כוונון – בדיעבד עם יחידת בקרה מדויקת המחוברת ליחידת GPS דיפרנציאלית (DGPS) הקשורה למשדר. האנרגיה ממשדר שידור ההספק האלחוטי מיקרוגל הקרקעי, התאים הסולריים וסוללות האחסון בפלטפורמה יפעילו את מנועי הדחף החשמליים ואת המדחפים על מנת לשמור את המיקום הקבוע של הפלטפורמה הסטראטוספרית בחלל [1,6]. במקרים של רוחות קיצוניות, כמות נוספת מוגבלת של דלק המאוחסן במיכל דלק עשויה להציל את המצב ולצמצם באופן משמעותי את ההספק החשמלי המרבי הנדרש לייצוב הפלטפורמה.

השפעות התאבכות אלקטרומגנטית של שידור הספק אלחוטי לטווח ארוך
צפיפות ההספק במרכז העלומה של שידור ההספק האלחוטי מיקרוגל מהמשדר ל-RECTENNA, גבוהה מזו של החשיפה המרבית המותרת התקנית – Maximum Permissible Exposure (), במיוחד עבור תחומי התדר הגבוהים של 35GHz ומעלה. התְקָנים העיקריים של MPE הינם ANSI/IEEE ו-IRPA/WHO, הדומים זה לזה [13,14]. הזמן הממוצע של חשיפה חשוב אף הוא, ולזה, מתווסף פאקטור בטיחות של 5 פעמים על מנת להבדיל בין הציבור הכללי לבין החשיפה לקרינה של מפעילי המערכת באתרים מבוקרים. ספיגת הקרינה מסוגRF המסכנת את הבריאות, גדלה באופן משמעותי בקרבת תדרי התהודה של גוף האדם אושל הראש, אשר נמדדו בתחומי תדר מ-10 עד 300MHz. לכן, מייחסים את ערכי מגבלת צפיפות ההספק MPE הקפדניים ביותר לתחום תדרים אלו. הסכנות הבריאותיות ועומק החדירה, קְטֵנים עם הגידול בתדר, אשר הינו 120 מ”מ בתדר של 2.45GHz בהשוואה ל-0.4 מ”מ בלבד בתדר של 94GHz. בגלים מילימטריים, קרינת ה-RF אינה מגיעה לחלקי גוף חיוניים אלא רק לחלקים החיצוניים של העור האדם החשוף [1,2]. ה-MPE הממוצע של מערכות שידור הספק אלחוטי מיקרוגל הנו סביב 100W/m2 . ערך MPE זה נקבע כפאקטור של 10 עד 100 מתחת לסף של השפעות לא רצויות העשויות להיות הסיבה לנזקים ממשיים. אך הערך הקיצוני של צפיפות ההספק של שידור הספק אלחוטי מיקרוגל מפלטפורמות סטראטוספריות, אינו מתקרב לערכים המזיקים ולהספק אור השמש על פני כדור הארץ, שהוא 1500W/m2, אף במרכז קרן המיקרוגל [3,6]. יש לבקר ולהגביל את האזור המורחב של מערך אנטנות המשדר ושל קרן הספק ה המיקרוגל הכולל אזור חייץ, רק עבור סגל התחזוקה של התחנה המורשה והמוגן. בנוסף לכך, יש לכבות את המשדר או לצמצם באופן משמעותי את ההספק כאשר מטוסים, ציפורים גדולות או מכשולים אחרים חודרים את היקף קרן שידור ההספק האלחוטי. דבר זה ניתן להשיג באמצעות התקנה של מכ”מ ומצלמת וידאו המחוברות למעגלי בקרת הספק המערכת, קרוב לאתר המשדר [1, 6].

מסקנות
מאמר זה מראה כי ניתן להשיג פעולה רציפה עד שנים של פלטפורמות סטרטוספריות ע”י שימוש במערכת שידור הספק אלחוטי באמצעות שידור אלחוטי בתחום התדרים של 5.8GHz. נסקרו האמצעים לצמצום הפרעות הרדיו והסיכונים הביולוגיים. התוצאות שבמאמר עשויות להיות שימושיות לתכנון מערכות עתידיות להעברת הספק למרחקים באמצעות אלחוט בתחום תדרי מיקרוגל כדוגמת הפרויקט להעברת אנרגיה חשמלית לכדור הארץ באמצאות לוויינים גיאוסטציונרים (SPS).

פרופסור יעקב גוון הינו עמית הארגון הבינלאומי למהנדסי חשמל ואלקטרוניקה
(IEEE LIFE FELLOW)

1. J. Gavan, S. Tapuchi, “Microwave Wireless-Power Transmission to High-Altitude-Platforms systems,” The Radio Science Bulletin, N 334, September 2010, pp.25-42.
2. J. Gavan and R. Perez editor, “Handbook of Electromagnetic Compatibility,” Academic Press 1995, Chapters 19,20.
3. 3. W. C. Brown and E. E. Eves, “Beamed Microwave Power Transmission and its Application to Space,” IEEE Transactions On Microwave Theory and Techniques, June 1992, pp. 1239-1250.
4. J. Gavan, S. Tapuchi and D. Grace, “Concepts and Main Applications of High-Altitude-Platforms Radio Relays,” The Radio Science Bulletin, 330, September 2009, pp. 20-31.
5. 5. J. Gavan, M. Haridim, “Stratospheric Quasi-Stationary Platforms (SQSP) Can they Replace Communication Satellite Systems?” Telecommunications and Space journal, April 1997, pp. 275-288.
6. R.M.Dickinson, “Power in the Sky,” IEEE Microwave Magazine, March 2013.
7. H. Matsumoto, “Research on Solar Power Station and Microwave Power Transmission in Japan: Review and Perspectives,” IEEE Microwave Magazine, December 2002, pp. 36-45.
8. N. Shinohara, “Wireless Power Transmission for Solar Power Satellites,” Supporting Documents for the URSI White Paper on SPS, 2007, pp. 1-43.
9. ITU-R “Applications and Characteristics of Wireless Power Transmission” Question 210/1, September 2000.
10.. J. Gavan, “Collocated Passive and Active Inter-modulation Effects,” Proceedings of the ESA Workshop on Passive Inter-modulation, Estec. Nl, September 2000, pp. 91-103.
11. K. Hashimoto, K. Tsutsumi, H. Matsumoto and N. Shinohara, “Space Solar Power System Beam control with Spread Spectrum Pilot Signals,” Radio Science Bulletin, December 2004, pp. 31-37.
12. R.B.Vaganov, I.P.Korshunov, E.N.Korshunova, A.D.Shatrov, “On a Technique for Supplying Power to Global Radio Relays for High -Altitude Platforms by Means of Microwave Beams,” Radio Science Bulletin,338, September 2011,pp.25-31.
13. J. C. Lin, “the New IEEE Standard for Human Exposure to Radio frequency Radiation and the Current ICNIRP Guide Lines,” Radio science Bulletin, 317, 2006, pp. 61-63.
14. ANSI\IEEE, “Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure Radio Frequency Electromagnetic Fields 3 kHz to 300 GHz,” New York IEEE, 1999.
15. J. M. Osepchuk, “Microwave Power Applications,” IEEE Transactions On Microwave Technology Theory, 50, March 2002, pp. 975-985.
16. J. C. Lin, “Wireless Transmission of Space Solar Power and its Biological Implications,” Radio Science Bulletin, 301, June 2002, pp. 31-34.