מכ"ם

אנטנות מכ"ם של האונייה [[קראון איריס]]מכ"ם (ראשי תיבות של מגלה כיוון ומרחק), או רדאר (באנגלית: RADAR, ראשי תיבות של Radio Detection And Ranging או Radio Direction And Ranging), הוא מערכת אלקטרונית לגילוי ומעקב אחר מיקומם של עצמים במרחב באמצעות שימוש בגלי רדיו. המכ"ם יכול לשמש בין השאר לאיתור כלי טיס ושיט, טילים וחלליות, ואף הר, להקות ציפורים ומערכות מזג אוויר. מלבד מיקום העצם הנצפה, בדרך כלל ביכולת המכ"ם להפיק מידע אודות כיוון תנועתו ומהירותו אם הוא בתזוזה, ואף גודלו וצורתו של העצם.

לרוב מערכות מכ"ם מורכבות ממשדר המייצר את גלי הרדיו האלקטרומגנטיים, אנטנה המשדרת אותם לכיוון הרצוי, אנטנה הקולטת את גלי הרדיו החוזרים (לעיתים רבות אנטנה אחת משמשת הן לקליטה והן לשידור) ומקלט ומערכת לעיבוד גלי הרדיו החוזרים, המספקת מידע אודות העצמים הרלוונטיים. גלי הרדיו המשודרים מהאנטנה יוצאים למרחב ופוגעים בעצמים בו. לאחר פגיעות אלו הם חוזרים אל המכ"ם ונקלטים במקלט לאחר שנקלטו באנטנה. לפי אורך הזמן שעבר מרגע שידור האות לחזרתו, ולפי שיטות נוספות, מסוגל המכ"ם לחשב את מרחקו וכיוונו של העצם הנסרק ממקור השידור ועל ידי כך לאתר את מיקומו.

תחילה פותח המכ"ם לצרכים צבאיים על ידי מספר מדינות בשנים שקדמו למלחמת העולם השנייה. השימוש הצבאי במכ"ם נועד בעיקר לאיתור ויירוט מטוסי קרב, טילים וספינות מלחמה של האויב. בראשית דרכו של המכ"ם, ההתקדמות המכרעת בהתפתחותו הטכנולוגית אירעה בבריטניה. המונח האנגלי למכ"ם, RADAR, נטבע בשנת 1940 על ידי הצי האמריקאי. בימינו משמש המכ"ם לשימושים מגוונים לרבות בקרת תעופה אווירית אזרחית, חיזוי מזג אוויר, מחקר אסטרונומי אודות גרמי השמיים, ומחקר גאופיזי וגאולוגי על מערכות תת-קרקעיות. המכ"ם יכול להוות מתקן נייח היושב על הקרקע, או מתקן נייד על בסיס כלי רכב, כלי שיט וכלי טיס.

==היסטוריה==
כבר ב־1904 הדגים הממציא כריסטיאן הילסמייר (Christian Hülsmeyer) כיצד אפשר להיעזר בגלי רדיו כדי לאתר ספינות. הוא אף הוציא פטנט על מכ"ם פרימיטיבי, שיכול לגלות נוכחות של ספינות בטווח 3 ק"מ (ומאוחר יותר 10 ק"מ), אך עקב חוסר עניין מצד מפקדי הציים בעולם, המצאתו מעולם לא נכנסה לייצור.

באוגוסט 1917 ניסח הפיזיקאי ניקולה טסלה את העקרונות התאורטיים של המכ"ם והציע את השימוש בגלים אלקטרומגנטיים על מנת לגלות את תנועתם של עצמים רחוקים. טסלה גם הציע שיטות למדידת מהירות באמצעות מכ"ם. טסלה אף המליץ על המכ"ם כמכשיר לגילוי צוללות ובכך חזה במידה רבה את הסונאר האקטיבי.

ב־1922 החלו מעבדות המחקר של צי ארצות הברית בפיתוח מכ"ם. ב־1930 הצליח ל.א. איילנד לגלות מטוס באמצעות מכ"ם התאבכות גל רציף. ב־1934 וב־1935 התבצעו ניסויים במכ"ם פעימות.

ב־12 בפברואר 1935 שלח רוברט ווטסון־ואט למשרד האווירייה הבריטי מזכר בנוגע ל"גילוי ואיתור מטוסים באמצעות רדיו" ("Detection and location of aircraft by radio methods") אחרי ניסיון שצבר בתחום בהיותו מטאורולוג וחובב רדיו. ב־26 בפברואר הדגים ואט בפני ועדה את המצאתו ואיתר באמצעותה מפציץ בטווח 8 מיל. הדגמה זו, שכונתה The Daventry Experiment, הובילה לפיתוח מכ"ם מבצעי בבריטניה ופרישׂתו להגנת החופים בזמן מלחמת העולם השנייה (60 עמדות שנקראו צ'יין הום).

המכ"ם נכנס לשימוש מבצעי נרחב במהלך מלחמת העולם השנייה על ידי הבריטים, בשלב הראשון באמצעות הקמת רשת של מערכות מכ"ם לאורך החופים כדי להתריע על מטוסים מתקרבים. יש הסוברים שהשימוש שעשו בעלות הברית במכ"ם תרם תרומה משמעותית לעמידת בריטניה ולהבסת הלופטוואפה. חוקרים מייחסים גם את הכרעת הקרב בין הצוללות הגרמניות לאוניות הסוחר ששטו מאנגליה לארצות הברית במהלך המלחמה להופעת מטוסים עם טווח שאיפשר לחפש את הצוללות לאורך כל הנתיבים מאנגליה לארצות הברית ומכ"מים מוטסים באורך גל קצר שאיפשר גילוי מוקדם של הצוללות מבלי שלגרמנים הייתה יכולת לדעת שגילו אותם. גם הצבאי הגרמני הכניס לשימוש מערכות מכ"ם אך לא בהיקף שבוצע בבריטניה.

ברית המועצות ערכה סדרת ניסויים בתחום המכ"ם החל משנת 1934 אך למרות הישגים תאורטיים ומספר מערכות שנבנו בסמוך לפריצת מלחמת העולם השנייה לא הייתה בידי הצבא האדום מערכת מכ"ם ראויה לשמה. המערכת המבצעית הראשונה הייתה RUS-1, ממנה נבנו 45 יחידות שלא הוכיחו עצמן במהלך המלחמה. רק בשנת 1945, לאחר כניעת גרמניה הנאצית, הכניס הצבא האדום לשירות את מערכת P-3 – מכ"ם גילוי אווירי המבצעי הראשון.

לקראת תום המלחמה, בשנת 1945, פורסם דבר קיומו של המכ"ם ברבים.

==מבנה עקרוני==
כל מערכת מכ"ם כוללת לפחות רכיבים אלו:
* משדר – תפקידו לשדר את אות המוצא של המכ"ם. על המשדר להיות בעל עוצמה גבוהה, מכיוון שהאות מונחת בעוברו באטמוספירה.
* אנטנה – תפקידה להמיר את האות המשודר מהמשדר לגל אלקטרומגנטי לאוויר, וגם להמיר את הגל החוזר לאות חשמלי ולנתב אות זה למקלט. במקרים רבים תפקיד האנטנה הוא גם למקד את אנרגיית הרדיו לאלומה צרה.
* מקלט – תפקידו לקלוט את ההחזרים. המקלט צריך להיות בעל ספרת רעש נמוכה ובעל הגבר גבוה.
* מעבד אות – תפקידו לבצע את העיבודים המתמטיים למשל לחלץ את האות מתוך רעשי הרקע, להפריד את האנרגיה הנקלטת לפי תדרי הדופלר כדי לחלץ את האות החוקי מהמטרה, כאשר המטרה נמצאת על רקע של הקרקע וכיוצא בזה. במכ"מים מודרניים, מכ"מים של "מערכים מנוהלי פאזה" מעבד האות הוא מרכיב קריטי בביצועי המכ"ם כולו כמערכת שלמה.

ניתן לסווג מערכות מכ"ם שונות לפי הזווית הביסטטית שהיא הזווית שנוצרת בין המשדר, המטרה והמקלט. במכ"ם תקני כל הרכיבים נמצאים במיקום יחיד ואינם מפוזרים במרחב ולכן הזווית היא אפס. מכ"ם מסוג זה נקרא מכ"ם מונוסטטי. מכ"ם שבו המשדר והמקלט מופרדים גאוגרפית יכול להיות בעל זווית ביסטטית קרובה לאפס, ואז הוא ייקרא מכ"ם פסאודו־מונוסטטי או זווית משמעותית גדולה מאפס, ואז הוא ייקרא מכ"ם ביסטטי אם ההפרדה היא על פני שני מיקומים שונים, או מכ"ם מולטיסטטי אם על פני למעלה משניים. מרבית המכ"מים הם מונוסטטיים בשל נוחות התכנון והתפעול ובשל המורכבות החישובית שבאיתור מטרות באמצעות מכ"ם שבו הקליטה אינה מתקבלת באותו מקום כמו השידור (להסבר ראו ערך טווח ביסטטי).

===משדר===
דרישות מרכזיות:
*עוצמת שידור: מכיוון שהאות המשודר אמור להיקלט לאחר "מסע" ארוך באטמוספירה, ולאחר חזרת רק חלק קטן ממנו מהעצם אותו רוצים לגלות, המוצא חייב להיות חזק. עוצמת השידור היא פרמטר חשוב בקביעת טווח הגילוי של החיישן. עוצמות השידור הן סביב 30Kw.
* שמירת מופע (פאזה): לצורכי עיבוד מסוימים האות המשודר חייב להיות בפאזה.
* אות שידור בעל צורה מוגדרת.

מכיוון שבניית משדר שעונה על הדרישות וגם בעל הספק רב היא קשה, ברוב מערכות המכ"ם משתמשים במשדר חלש ואחריו מגבר חזק.

סוגי משדרים עיקריים למכ"ם:
*משדר+מגבר שפופרת: קיימים מספר סוגים של משדרים המבוססים על שפופרת רדיו. את השפופרת מזינים במתח גבוה ואות חלש (ממתנד גביש). השפופרות הן התקנים גדולים (בעייתי במכ"ם מוטס) ובעלי נצילות נמוכה.
*משדרי מצב מוצק: טרנזיסטורים שמסוגלים לשדר בתדרי רדיו. בעלי הספק נמוך אך נצילות טובה. בדרך כלל מחברים מספר רב של משדרי מצב מוצק ביחד על מנת ליצור את ההספק הדרוש.

===אנטנה===
אנטנה של מכ"ם הגילוי האווירי [[P-14 שאורכה 33 מטרים]]

תפקיד האנטנה הוא לקשר בין המשדר לאוויר כך שמירב אנרגיית הרדיו תעבור לאוויר. בנוסף האנטנה מעצבת את אלומת אנרגיית הרדיו ובכך מגבירה את יעילות המכ"ם. רוב המכ"מים קובעים את הכיוון למטרה על פי כיוון האלומה, לכן חשוב לייצר אלומות צרות.

קיימים שני סוגי אנטנות למכ"ם: אנטנה פסיבית ואנטנה פעילה (phase array).
*באנטנה פסיבית ("רגילה") מבנה האנטנה מכתיב את הצורה של אלומת המכ"ם. הסריקה מבוצעת באמצעים מכניים (סיבוב האנטנה). כיוון האנטנה מצביע על כיוון המטרה. יצירת אלומות צרות באמצעות אנטנה פסיבית דורשת אנטנה בעלת ממדים גדולים (יחסית לאורך הגל).
*אנטנה אקטיבית משתמשת בעקרון הסחת הפאזה על מנת לייצר אלומות צרות. באנטנה אקטיבית ניתן לשנות את כיוון האלומה באופן אלקטרוני, ולכן לא חייבים לסובב את האנטנה כדי ליצור סריקה גיזרתית. אנטנות אקטיביות יכולות להיות קטנות ועדיין להיות מסוגלות לייצר אלומות צרות. אנטנות אקטיביות נמצאות בשימוש נרחב במכ"מים מוטסים. אנטנות אקטיביות קשות לבניה ויקרות במידה משמעותית מאנטנות פסיביות.

===מקלט===
תפקידו לקלוט את ההד המוחזר מהמטרה. המקלט מפענח את האות הנקלט, קובע את מרחקו מהמכ"ם (בעזרת חישוב זמנים). על המקלט להיות מסוגל לקלוט אותות חלשים מאוד, וכן עליו להיות דל רעש. חשיבות מיוחדת יש לדרגת ההגברה הראשונה, מגבר קדם שצריך להיות בעל יחס אות לרעש גבוה וכן עם הגבר גבוה. רעשים מיותרים במקלט עלולים לגרום להתראות שווא.

ברוב המכ"מים בנויה גם מערכת עיבוד אות מבוססת מחשב.

==עקרונות פעולה==
=== החזרה ===
בוהק מציין את מידת ההחזרה מעצמים כפי שניתן להתרשם מתמונת [[מכ"ם מזג האוויר שצולמה ב־1960. התדר של המכ"ם, אופי הפולס, והאנטנה קובעים באילו עצמים הוא יכול להבחין.]]

גלים אלקטרומגנטיים מוחזרים (מתפזרים) בשל כל שינוי חריף במקדמים הדיאלקטריים או הדיאמגנטיים.

===משוואת מכ"ם===
ההספק P<sub>r</sub> הנקלט באנטנה הקולטת מבוטא באמצעות המשוואה :

:<math>P_r =