מכ"ם

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. 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 באורך גל של כעשרה ס"מ שאיפשר גילוי מוקדם של הצוללות מבלי שלגרמנים הייתה יכולת לדעת שגילו אותם.

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 להוציא את האות המשודר מהמשדר לאוויר (לתאם עכבות). במקרים רבים תפקיד האנטנה הוא גם למקד את אנרגיית הרדיו לאלומה צרה.
 מקלט – תפקידו לקלוט את ההחזרים. המקלט צריך להיות שקט (דל רעש) 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

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 של 120 מעלות. 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 

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

משוואת מכ"ם
ההספק Pr הנקלט באנטנה הקולטת מבוטא באמצעות המשוואה :

כאן
Pt = הספק המשדר
Gt = הגבר האנטנה המשדרת
Ar = מִפְתָּח אנטנה (שטח)
σ = שטח חתך מכ"ם, או מקדם הפיזור של המטרה
F = pattern propagation factor
Rt = מרחק מהמשדר למטרה
Rr = מרחק מהמטרה למקלט

במקרה הנפוץ שבו המשדר והמקלט נמצאים באותו מיקום Rt = Rr והגורם Rt2 Rr2 יכולים להיות מוחלפים על ידי R4, כאשר R הוא הטווח.

הצבה נותנת את הביטוי:

זה מראה שההספק הנקלט קטן כלומר ההספק המוחזר מהמטרה המרוחקת קטן ביותר.
המשוואה לעיל כאשר F = 1 היא הפשטת המודל למקרה של ריק ללא הפרעות. מקדם החלחול אחראי לתופעות המסלול המרובה ומיסוך ותלוי במאפייני הסביבה. בעולם האמיתי, הפסדי מסלול צריכים להילקח בחשבון גם כן.

פיתוחים מתמטיים אחרים בעיבוד אותות של מכ"ם כוללים ניתוח זמן־תדר וכן את התמרת צ'ירפלט שעושה שימוש בעובדה שהמכ"ם משדר "chirp" (שינוי בתדר כפונקציה של הזמן).

שימוש באפקט דופלר 

משוואת הפעולה הבסיסית של המכ"ם לא מביאה בחשבון החזרי רקע. מכיוון שחוץ מהאונה הראשית של האנטנה, ישנן "אונות צד", כלומר, שידור וקליטה מתקבלים לאו דווקא מהכיוון הראשי אליו האנטנה תוכננה – המכ"ם קולט רעשי רקע שמקורם בדרך כלל מהקרקע גם כאשר הוא "מסתכל" לכיוון אחר מהקרקע באונה הראשית שלו.

כאשר המכ"ם מסתכל עם האונה הראשית לכיוון הקרקע, כאשר יש הרים מאחורי המטרה, לדוגמה, או, במקרה של מכ"ם מוטס, כאשר מסתכלים כלפי מטה – אל מתחת לאופק, מתקבל אות מאוד חזק מהקרקע שלא יאפשר לגלות את המטרה במצב עניינים רגיל.

סינון רעשי הרקע נשען על בסיס ניתוח מטריצות טווח - דופלר. מכיוון שהקרקע לא זזה, אפשר לדעת מה יהיה התדר שהיא תחזיר. לדוגמה, עבור מכ"ם קרקעי, תדר ההחזר מהקרקע יהיה תדר הגל הנושא של השידור, ללא שינוי. מכיוון שכך, ניתן לשים, במישור הקליטה, מסנן תדר ש"ינחית" את האות בתדר השידור וכך גם מטרה שנמצאת קרובה מאוד לקרקע (ולכן היא תהיה בטווח דומה לטווח מהקרקע שברקע) כן תתגלה, מכיוון שההחזר ממנה יכלול מרכיב שינוי תדר הנובע מהמהירות הרדיאלית של המטרה כלפי המקלט־משדר על פי אפקט דופלר.

במכ"מים מוטסים מתקדמים, נהוג לממש "חלון דגימה" במישור הטווח תדר ולהגדיר "מטרה חוקית" מצב בו בתא טווח־תדר מסוים, האנרגיה הנקלטת גבוהה בקריטריון סף מסוים, יחסית לאותו חלון ולא לכלל מטריצת הטווחים – תדרים. שיטה זו מאפשרת לשמור על "יחס גילויי אמת לגילויי שווא" קבוע, גם כאשר רעש הרקע של הקרקע משתנה. במכ"מים אלה, טווח הגילוי בהסתכלות אל מעל האופק יהיה גדול יותר מאשר טווח הגילוי כאשר המכ"ם מסתכל כלפי הקרקע, בצורה דינמית ואוטומטית, מבלי שמפעיל המכ"ם נדרש לפעולה כלשהי ותוך כדי שמירה על יחס מטרות אמת למטרות שווא קבוע.

השינוי בתדירות עקב אפקט דופלר נתון על ידי המשוואה להלן, כאשר  היא תדירות דופלר,  היא התדירות המשודרת  היא המהירות הרדיאלית ו- היא מהירות האור:

מכ"ם פסיבי נתון על ידי:

רק הרכיב הרדיאלי ישים. כאשר מחזיר נע בזווית ישרה ביחס לאלומה, אין לו מהירות יחסית. פלטפורמה או מזג אוויר הנעים במקביל לאלומה מייצרים אפקט דופלר מקסימלי.

שימוש באפנון תדר ושינוי המרווחים בין דפקים 

חלק מהמכ"מים משתמשים בתדר גל נושא תלוי בזמן. שימוש כזה מאפשר לחלץ את נתון הטווח למטרה על ידי חקירת שינויי התדר ולאו דווקא על ידי מדידת הזמן בין שידור הדפק לקליטתו. טכנולוגיה זו יכולה להיות יותר מדויקת למימוש מעשי ובכל מקרה, יש לה תרומה לפתרון "רב משמעויות בטווח" – מצב הנוצר כאשר עקב מרווח בין הדפקים קטן בהרבה מהטווח אל המטרה, לא ברור איך לשייך דפק נקלט מסוים, לדפק שידור מסוים.

טכניקה נוספת לפתרון "רב משמעויות בטווח" היא שימוש ב"רכבות" משתנות בזמן של מרווחים בין דפקים בצורה שכן תאפשר לעשות שיוך בין דפק מסוים בקליטה לדפק מסוים בשידור.

הגברת הרזולוציה של המכ"ם 
הרזולוציה (כושר הפרדה) של מערכת איכון כלשהי מוגדרת כמרחק המינימלי בין שתי מטרות שמעליו עדיין ניתן יהיה להבחין ביניהם. בהתייחס למערכות מכ"ם נהוג להפריד בין רזולוציה בטווח לרזולוציה זוויתית. הרזולוציה הזוויתית תלויה ברוחב הזוויתי של האלומה המשודרת וניתן להגביר אותה באמצעות הגדלת האנטנה המשדרת, בהתאם לקשר: . הטכנולוגיה שמאפשרת הגדלה בכמה סדרי גודל של הרזולוציה הזוויתית נקראת מכ"ם מפתח סינתטי, ונעזרת במספר רב של "תמונות" מכ"ם עוקבות כדי לבנות תמונה מרחבית ברזולוציה גבוהה מאוד של תוואי הקרקע.

הרזולוציה בטווח מתייחסת להבדל המינימלי בין הטווחים של שתי מטרות שמתחתיו לא ניתן יהיה להבדיל ביניהם. בשידור בתדירות קבועה, כושר ההפרדה בטווח תלוי באורך הזמני של הדפק ; זמני ההגעה של החזרים ממטרות שונות "יחפפו" במקצת בהתאם לאורך הדפק, כך שלא ניתן יהיה להפריד בין שני ההחזרים מהמטרות. תאי הרזולוציה בטווח המתקבלים בצורה הזאת יחסיים לאורך הדפק (כלומר ככל שהדפק קצר יותר, הרזולוציה טובה יותר), ומתקיים: . הבעיה העקרונית בקיצור אורך הדפקים היא שכדי לקבל רזולוציה טובה בטווח צריך לשדר דפקים קצרים כל כך שהאנרגיה שלהם תהיה כה זעומה שלא ניתן להבחין בין ההחזרים לרעשי הרקע (יחס האות לרעש יהיה נמוך מאוד). באמצעות שידור דפקים מאופננים, בטכניקה שנקראת דחיסת פולס (דפק), ניתן בקליטת הדפקים לדחוס את הדפקים לגודל קצר בהרבה מהגודל המשודר שלהם, וכך להגביר את כושר ההפרדה בטווח מבלי לפגוע ביחס האות לרעש. הרזולוציה בטווח המושגת בדרך זו לא תלויה בתדירות הממצעת המשודרת אלא רק ברוחב הפס B של הדפק, בהתאם לקשר: .

חישובי "עקיבה" ותצוגה סינתטית 
בכמעט כל המכ"מים המודרניים, מחשב המכ"ם מנסה לעשות שיוך אוטומטי בין גילויים שונים. אם לדוגמה המכ"ם סורק 60 מעלות לכל צד (סה"כ 120 מעלות), ובכל סריקה כזו מתגלה אותה מטרה בטווח של נניח 48 מייל, מחשב המכ"ם, לאחר מספר קטן של גילויים ועל בסיס שימוש באלגוריתמיקה מתאימה, "יבין" שמדובר באותה מטרה בכל גילוי כזה. במצב זה, מחשב המכ"ם יציג למפעיל TRACK עקיבה ולא את הגילוי הגולמי. TRACK עקיבה, בדרך כלל יכלול גם נתונים מחושבים ולא רק מידע גולמי; למשל, מהירות המטרה, גובה המטרה, מידת התמרון שלה, כוון הטיסה שלה וכדומה.

תצוגה סינתטית הרבה יותר נוחה לקריאה על ידי המפעיל ובהתאם היא מאפשרת למצות מידע רב מאותו מכ"ם, אם כי הצגת "טרקים" בלבד, בהכרח גורמת לאובדן חלק מהמידע הגולמי.

פרמטרים אלקטרוניים אופייניים למכ"ם
מלבד התדר, למכ"ם מספר פרמטרים אלקטרוניים נוספים:
 PRI (Pulse Repetition Interval) – מצביע על המרווח בין כל פולס שידור של המכ"ם (בדרך כלל נמדד במיקרו־שניות).
 PW (Pulse Width) – מצביע על רוחבו של כל דפק שידור של המכ"ם (בדרך כלל נמדד במיקרו־שניות).
 קיטוב – מצביע על קיטוב השידור של המכ"ם (אופקי, אנכי, מעגלי).

קיטוב 
בכל קרינה אלקטרומגנטית (כאשר מתרחקים ממקור הקרינה), כיווני השדות המגנטי והחשמלי ניצבים לכיוון ההתפשטות - מתוך כיווני השדות והיחס ביניהם ניתן להגדיר את הקיטוב של הגל. באות המשודר ממכ"ם הקיטוב ניתן לשליטה כדי לקבל אפקטים שונים. מכ"מים משתמשים בקיטוב אופקי, אנכי, ליניארי ומעגלי כדי לגלות סוגי החזרה שונים. לדוגמה, קיטוב מעגלי משמש להפחית את השפעות ההפרעה הנוצרת כתוצאה מגשם. החזרות של קיטוב ליניארי, בדרך כלל מצביע על משטחים מתכתיים.
קיטוב אקראי מצביע על משטח לא אחוד כגון סלעים, אדמה ומשמשים מכ"מי ניווט.

גורמים מגבילים

נתיב וטווח האלומה 
אלומת מכ"ם תנוע בקו ישר בריק, אולם במציאות היא מבצעת מסלול עקום באטמוספירה עקב מקדם השבירה של האוויר, מה שגורם להתרחקות "אופק המכ"ם" ולשיפור ביצועי המערכת. גם כאשר האלומה משודרת במקביל לקרקע, היא תנסוק עקב צלילת פני כדור הארץ בכיוון האופק. בנוסף, האות נחלש בתווך בו הוא עובר והאלומה מתפזרת.

הטווח היעיל המרבי של מכ"ם יכול להיות מוגבל על ידי מספר גורמים:
 קו ראייה (Line of Sight) אשר תלוי בגובה מעל פני הקרקע. ללא קו ראייה נתיב האלומה חסום.
 טווח מרבי יעיל שנקבע על ידי תדר הישנות הפולסים. הטווח בו העמימות מתחת לערך הסף הוא המרחק אותו יכול לעבור האות לפני שמשודר האות הבא.
 רגישות המכ"ם ועצמת האות המחושבת במשוואת המכ"ם. היא כוללת משתנים כמו פרמטרים סביבתיים וגודל המטרה.

רעש 
בתחום האותות האלקטרומגנטיים רעש הוא מקור פנימי של שינויים אקראיים באות אשר נוצרים על ידי רכיבים אלקטרומגנטיים.

אותות מוחזרים דועכים במהירות עם גדילת הטווח, לכן רעש מציג הגבלה משמעותית למערכת מכ"ם. רצפת הרעש והיחס אות לרעש (SNR) הם שתי מדידות של ביצועים המשפיעות על יעילות לטווח. מחזירים רחוקים מדי מייצרים אות קטן מכדי לעבור את סף הרעש ולכן אינם מתגלים על ידי המכ"ם. גילוי דורש אות בעצמה הגבוהה מסף הרעש בלפחות היחס SNR.

רעש מופיע בתצורות אקראיות על האות המוחזר המתקבל במכ"ם. ככל שעצמת האות נמוכה יותר כך קשה יותר להבדיל אותו מהרעש. ספרת הרחש (Noise Figure) היא מדידה של הרעש המיוצר על ידי מקלט בהשוואה למקלט אידיאלי, ובאופן טבעי השאיפה היא למזער אותה ככל שניתן.

רעש שוט נוצר על ידי אלקטרונים לאורך אי רציפות, אשר מאפיינת את כל המקלטים. רעש שוט הוא הרעש הדומיננטי ברוב המקלטים. במעבר אלקטרונים דרך מכשיר הגברה נוצר גם רעש פליקר , אשר מטופל על ידי הגברה הטרודינית . סיבה נוספת לעיבוד הטרודיני היא שעבור רוחב הפס נתון, רוחב הפס הרגעי עולה ליניארית עם התדירות. על ידי כך מקבלים שיפור ברזולוציית הטווח. יוצא דופן בולט למערכת מכ"ם הטרודינית הוא מכ"ם תחום רחב סרט (UWB). כאן מחזור אחד או גל טרנזיאנטיבי משמש בדומה לתקשורת UWB.

רעש נוצר גם ממקורות חיצוניים, החשוב ביניהם הוא הקרינה התרמית של הרקע מסביב למטרה. במערכות מכ"ם מודרניות, הרעש הפנימי שווה או נמוך מהרעש החיצוני, להוציא מקרים שבהם המכ"ם מכוון ישירות למעלה והסביבה "קרה" עד כדי כך שהיא מייצרת רעש רקע נמוך.

הפרעות רקע 

 
מערכות מכ"ם צריכות להתגבר על אותות לא־רצויים כדי להתמקד במטרה בה היא מתעניינת. מקורות האותות יכולים להיות פנימיים או חיצוניים, פעילים או סבילים. היכולת של מערכת מכ"ם להתגבר עליהם מגדירה את היחס אות־רעש (SNR) של המכ"ם.

SNR מוגדר כיחס בין עצמת האות הרצוי לעצמת הרעש בתוך אות נתון. הוא משווה עצמת האות הרצוי לרמת רעש הרקע הקיימת, כגון רעש אטמוספירי ורעש פנימי של המקלט. ככל שה־SNR גבוה יותר, כך גבוהה יכולתו לבודד את האות הרצוי מהאותות האחרים.

סוגי מכ"ם
ניתן לחלק מכ"מים למספר סוגים לפי אופי הפעולה:
 מכ"ם פעימות (דפקים) – המכ"ם משדר אנרגיית רדיו בדפקים קצרים בזמן ואחר כך מחכה לקבלת ההד החוזר מן המטרה. בזמן שידור המקלט חסום לקליטה, לכן למכ"ם כזה יש "טווח מת" שבו הוא לא יכול לגלות מטרה. מיקום המטרה נמדד לפי כיוון האנטנה ומרחקה לפי מדידת זמנים. זהו סוג המכ"ם הנפוץ.
 מכ"ם גל רציף (Continuous Wave, נקרא בקיצור CW) – מכ"ם מסוג CW משדר תמיד, השידור מתבצע בתדר משתנה (מבצעים מעין דפקים של תדר), וכך ניתן למדוד טווח. מכ"מים מסוג CW דורשים שימוש בשתי אנטנות (אחת לשידור והשנייה לקליטה) אין לו טווח מת. יותר קל לבצע עיבוד דופלר במכ"ם CW.

רוב המכ"מים המודרניים מבצעים עיבוד דופלר. בעזרת עיבוד זה ניתן לגלות גם את המהירות (בכיוון המכ"ם) של המטרה. לצורך עיבוד דופלר נדרש לאסוף כמה דפקים, ונדרש שבין הדפקים המופע יישמר.

שימושים במכ"ם

מכ"ם התרעה/גילוי/בקרה אווירית
תפקיד מכ"ם זה לגלות מטוסים במרחב אווירי נתון. מכ"ם כזה יהיה תמיד מכ"ם שסורק את כל המרחב (בדרך כלל בעל אנטנה מסתובבת). מכ"מי גילוי ובקרה אווירית קיימים בכל שדות התעופה על מנת לספק יכולת בקרה אווירית למטוסים הנוחתים והממריאים מהשדה.
מכ"מי התרעה בדרך כלל בעלי אנרגיה גבוהה וטווח גדול, משמשים להתרעה מפני חדירה אווירית למרחב.

מכ"מים אלה מתחלקים לשלוש קבוצות עיקריות:
 מכ"מי גילוי אזוריים – מכ"מי ענק, בעלי טווח גילוי של מאות קילומטרים מול "מטרה אופיינית". מכ"מים אלו משרתים את יחידות הבקרה האזוריות (יב"אות) ותכליתם לאפשר הגנה אווירית ממטוסים חודרים (מכ"מים צבאיים) או בקרה של התנועה האווירית (מכ"מים אזרחיים). בעשרים השנים האחרונות התחילו להופיע לצרכים אלו גם מכ"מים הנישאים על בלון וגם מכ"מים נישאים על מטוסי התרעה מוקדמת, אם כי תצורות אלו בדרך כלל משרתות רק צבאות.
 מכ"מים מקומיים לפיקוח – מכ"מים קטנים יותר המשמשים לפיקוח "הדוק" במרחב אווירי המפוקח על ידי "מגדל פיקוח" – מרחב אווירי בעל מאפיינים ייחודיים המשמש מטוסים בשלבי ההצטרפות לנחיתה, נחיתה, המראה ועזיבת מרחב שדה התעופה.
 מכ"מים להנחיה צמודה של מטוסים לנחיתה, תוך בקרה מלאה מהקרקע – אלו מכ"מים בעלי אונה צרה מאוד, מכ"מים סטטיים שתכליתם לאפשר לפקח טיסה שהוכשר לכך לתת הנחיות רדיו בדיבור לטייסים הניגשים לנחיתה בתוך ענן. בעשורים האחרונים, מערכות אלו יוצאות משימוש ומוחלפות על ידי מערכות ILS ובשנים האחרונות גם מערכות GPS.

מכ"ם מוטס
מכ"ם שמורכב על כלי־טיס. קיים ברוב מטוסי הקרב, ובנוסף במטוסי נוסעים חדישים. שונה מאוד ממכ"ם קרקעי באופי העבודה ובאילוצים טכניים (משקל קטן, הספק נמוך).

במטוסי הנוסעים המכ"ם מספק נתוני מזג אוויר (עננות, גשמים) ואף בחלקם מיפוי בסיסי של הקרקע. במטוסי הקרב המכ"ם משמש כאמצעי גילוי, אמצעי להרכשת מטרות ולבסוף כאמצעי בקרת אש לטילי אוויר-אוויר וטילי אוויר-קרקע.

ברוב מטוסי הקרב המתקדמים ניתן להשתמש במכ"ם גם לצורך מיפוי הקרקע וגילוי מטרות נייחות באמצעות מצבי SAR (מכ"ם מפתח סינתטי), וגילוי ועקיבה אחרי מטרות נעות באמצעות מצבי GMTI.

מכ"ם מערך סריקה אלקטרוני (Active Electronically Scanned Array)

חלק מהמכ"מים המוטסים משתמשים באנטנות קבועות ובטכנולוגיה של הסחת פאזה באנטנה על מנת ליצור אלומה. יכולת זו, נכון ל־2014, נחשבת מתקדמת ביותר, וידועות מספר קטן מאוד של חברות שמסוגלות לייצר אנטנות כאלה. באופן מבצעי, אנטנות "מערך מנוהל פאזה" מובצעו כמעט רק במטוסי דור חמישי (F-35, F-22 ובחומש הקרוב, מספר מדינות שוקלות לשלב יכולת זו גם ב-F-15, F-16). אחת החברות הבודדות בעולם שמסוגלת לייצר מכ"מים כאלה היא חברת "אלתא מערכות" מאשדוד, ישראל.

למכ"ם AESA יש מספר תכונות, מאפיינים ותפקידים ייחודיים ובכלל זה:
 מכיוון שניהול מיקום האלומה במרחב מתבצע אלקטרונית, ללא הזזת האנטנה, ניתן בכל נקודת זמן, להחליט על מצב עבודה שונה; לדוגמה, מרגע שנתגלתה מטרה, ניתן "לחקור" אותה על ידי השתהות קצרה עליה, ככל הנדרש לטיוב הנתונים. מרגע שיש עקיבה, אין צורך שהמכ"ם ישתהה ברציפות על המטרה (כלומר, יהיה "נעול" עליה), אלא שאפשר לשלב בין המשך חיפוש מטרות לבין "עקיבה" שרובה יכול להתבצע רק חישובית.
 ניתן להקצות חלק ממשאבי המכ"ם לביצוע משימות גילוי קורנים ולאו דווקא לקליטת דפקים שהמכ"ם עצמו שידר. מצב זה מאפשר למכ"ם לעשות תפקידים שבאופן מסורתי היו משויכים ל"מערכות התראה ממכ"ם" (RWR).
 מכיוון שהיכולת לשדר ולקלוט באמצעות אנטנה שטוחה מרובת רכיבי שידור או קליטה היא הכרחית, הרי שמכ"מי AESA "מטבעם" מתאימים גם לביצוע חסימות לוחמה אלקטרונית בתחום התדר הישים עבורם. מצבים אלו מאפשרים למכ"ם לעשות תפקידים שבאופן מסורתי היו שייכים למערכות לוחמה אלקטרונית אקטיביות ייעודיות (ECM).
 מכיוון שהאנטנה סורקת את המרחב בצורה אלקטרונית, במהירות רבה, ניתן לשלב מצבים ייעודיים להתמודדות עם לוחמה אלקטרונית (ECCM). למשל, כאשר המכ"ם מזהה חסימה מכיוון מסוים, הוא יכול לא לשדר יותר רק בכיוון הזה, או להפך, לשדר לכוון הזה "צירוף של צורת גל ותדר" שתהווה פיתיון לחוסם להישאר "נעול" על הפיתיון ותאפשר למכ"ם לעבוד בתדרים אחרים.
 המכ"ם יכול לשלב בין מצבי אוויר־אוויר למצבי אוויר־קרקע, "בו־זמנית" בראיית המשתמש.

אוסף התכונות שלעיל מחייב מעבד אות ויכולת מיחשובית גבוהה מאוד. מרגע שיכולות אלו ישנן, אפשר גם להכניס שיטות פעולה חדשניות כמו ניהול מסד נתונים רחב על מספר גדול של מטרות בו־זמנית, טכניקות שתכליתן לזהות מטרות ולא רק לגלות אותן ועוד.

במטוס ה-F-35 האמריקאי, הצירוף של יעילות מכ"ם ה-AESA ביחד עם שטח החתך המכ"מי הנמוך שלכאורה יש למטוס הביאו את המתכננים האמריקאים להחלטה שלא לשלב בכלל מערכות ללוחמה אלקטרונית, אקטיביות, מחוץ למכ"ם.

מכ"ם ימי

מכ"ם ימי מותקן באונייות ומשמש לגילוי אונייות ולהתרעת התנגשות. אופן פעולתו דומה לפעולת מכ"ם אווירי, אבל בגלל האופי השונה של הים (רעשים שונים) נדרש תכן מיוחד למכ"ם ימי.

מכ"ם בקרת אש
משמש אמצעי בקרה לטילי אוויר־אוויר או טילי קרקע־אוויר (טק"א), על מנת להנחות את הטיל לפגיעה או לתמוך את שלבי ניווט הביניים שלו, עד שהוא ננעל בעצמו על המטרה. הדרישות ממכ"ם זה שונות, ביניהן דיוק גבוה וקצב דגימה גבוה של המטרה. רוב המכ"מים המשמשים לבקרת אש משתמשים באנטנות הסחת פאזה, ובאלגוריתמים מתוחכמים של עקיבה אחר מטרות על מנת לייעל את עבודתם.

גם במערכות הגנה אקטיבית, מערכות להפלת טילים בליסטיים באמצעות יירוט שלהם על ידי טילים־מיירטים, הגילוי הראשוני, סווג המטרות והמידע הנדרש למיירט עד לשלב בו הוא ננעל עצמאית על המטרה, מתבצעים על ידי מכ"ם בקרת אש ייעודי. נכון ל-2014, כל מערכות ההגנה האקטיבית המוכרות בעולם עושות שימוש במכ"ם "מערך מנוהל פאזה" מהסוגים המתקדמים ביותר שהטכנולוגיה מאפשרת. תחום זה, במובנים מסוימים "מוביל", את התקדמות המכ"מים המודרניים.

מכ"ם בקרת שטח
משמש אמצעי לזיהוי עצמים בתנועה. המכ"ם מזהה תנועה לפי הסטת דופלר של העצמים. מכ"ם זה אינו מדויק בתנאי מזג אוויר קשים עקב עיוותים של הגשם וכן תנועת צמחים ברוח חזקה. בישראל מכ"ם מסוג זה משמש את הצבא לגילוי תנועת אנשים ורכב בגבולות המדינה. חברת אלתא היא מובילה עולמית בתחום ופיתחה מכ"ם בוהה המספק מידע מדויק ויכולת עקיבה אחר מטרות.

מכ"ם מִפְתָּח סינתטי (SAR)
מכ"ם מִפְתָּח סינתטי, SAR, הוא מכ"ם אווירי המשתמש באנטנה סינתטית לצורך יצירת תמונה של פני הקרקע בכל מזג אוויר. המכ"ם משתמש בתנועת המטוס על מנת לייצר אנטנה סינתטית מההדים שחוזרים לאורך מסלול הטיסה. המכ"ם משתמש באינטרפרומטרית רדיו על מנת לשרטט תמונה ברזולוציה גבוהה של פני השטח, ללא תלות במזג האוויר.

מכ"ם לגילוי מטרות נעות – (GMTI (Ground Moving Targets Indication

אחת המשימות העיקריות של צבאות, היא היכולת לתת התרעה מוקדמת על כוחות עתודה המוזרמים אל חזית הלחימה. לצורך זה בעיקר, בחלק מהמכ"מים המוטסים ישנו מצב פעולה ייעודי שתכליתו לתת חיווי על מטרות נעות על הקרקע. משימה זו היא משימה לא פשוטה למכ"ם מכיוון שבהגדרה, המשימה מתבצעת כאשר האונה הראשית של המכ"ם מסתכלת אל הקרקע ובטווח שבו מצפים למצוא מטרות. מימוש מוצלח של מצב זה מחייב לכן יכולת הפרדה טובה מאוד בתדר כדי מצד אחד "לנקות" את רעשי הקרקע ומצד שני, להצליח לבודד מטרות נעות כמו טנקים בנסיעה. פרמטר מרכזי לאיכות של מצב זה היא המהירות המינימלית שבה עדיין ניתן לגלות מטרה נעה. נכון ל-2014, קיימות מספר תוכניות פיתוח שתכליתן לשלב מצבי "מכ"ם מפתח סינתטי" ביחד עם מצבים ייעודיים לזיהוי מטרות נעות כך שניתן יהיה לקבל את "תמונת הקרב הקרקעי", הן בהיבטי מיפוי והן בהיבטי מטרות נעות - על גבי אותה תצוגה. מכיוון שהמכ"ם עובד גם "דרך" עננים נכון לייחס לאפשרויות אלה חשיבות רבה. לארצות הברית ישנו מטוס ייעודי לצורך זה JSTARS.

מכ"ם חודר קרקע 
מכ"ם לטווחים קצרים (מטרים עד עשרות מטרים בודדים) המאפשר מיפוי תת־קרקע כולל חשיפת עצמים, חללים וסדקים. משמש לביצוע חקר במסגרת מדעי כדור הארץ.

מכ"ם Through The Wall 
מכ"ם לטווחים קצרים (מטרים בודדים) המשמש לחדירה של מכשולים דוגמת קירות והריסות מבנים. מכ"ם כזה מאפשר לתת מידע דו־ממדי ואף תלת־ממדי של האובייקטים הנמצאים מאחורי המכשול. המכ"ם משתמש בתדרים גבוהים לרוב בין מאות מגה־הרצים למספר אלפים. בישראל פותח מכ"ם כזה למטרות צבאיות ולחילוץ והצלה על ידי חברת "קמרו־טק".

מכ"ם Over-the-horizon radar ׁׁׂׂׂ 

מכ"ם לטווחים ארוכים מאוד בדרך כלל מאות ואלפי קילומטרים, המשמש לאיתור של איומים מעבר לקו האופק (קו ראייה). מכ"ם מסוג זה משדר גלי קול אל האטמוספירה אלו מוחזרים לארץ ומאתרים איומים ממרחק. השידור לאטמוספירה והחזרה לארץ מאפשר לעקוף את הצורה הכדורית של כדור הארץ ולראות "דרכו". בשנת 2023 הכריזה אלתא מערכות חברת בת של התעשייה אווירית על מכ"ם מסוג זה פרי פיתוחה בשם OTH-B (ELM-2040).

תדרים אפשריים 
מקור השמות של התדרים בשמות קוד שנתנו להם במלחמת העולם השנייה. השמות אומצו בארצות הברית על ידי IEEE ועל ידי ITU. לרוב המדינות יש תקנות נוספות לשליטה בתדרים שיוקצו לשימוש אזרחי ולשימוש צבאי.

התמודדות מול פעולת המכ"ם
המכ"ם מהווה איום רב על מטוסי קרב, סיור, או ריגול, היוצאים למשימה בשטח המנוטר על ידו. זאת משום שהוא מאפשר לצד המותקף לקבל התרעה מוקדמת על פלישה לתחומו האווירי, להתגונן מפניה ולנסות לסכל אותה. חשיבות מיוחדת יש למכ"ם המשמש להנחיית טילי קרקע־אוויר ליירוט המטוסים התוקפים. במשך השנים פותחו שיטות שונות להתרעה מפני פעילות מכ"ם ולשיבוש פעולתם של מכשירי מכ"ם:
 לוחמה אלקטרונית: זו כוללת התגוננות סבילה והתגוננות פעילה. התגוננות סבילה כוללת קליטה וניתוח של שידורי מכ"ם באמצעות מיכשור מיוחד הנמצא על סיפון המטוס הפולש, לצורך הצגתם של איומי המכ"ם הפעילים בשטח בפני צוות המטוס. התגוננות פעילה כוללת שיבוש יכולת החישוב של המכ"ם באמצעות שידור יזום של אותות הטעיה אלקטרוניים מסוג אלה שמכשיר המכ"ם משדר וקולט, והמונעים ממנו להבחין בין האותות שהוא עצמו שידר לבין אותות ההטעיה.
 הטעיה פיזית: פיזור מוץ מתכתי באוויר גורם למכשיר המכ"ם לטעות ולזהות את המוץ כמטרה.
 תקיפה: הכוח התוקף משגר פצצות או טילים המתבייתים על אותות המכ"ם, ובכך מביא להשמדתה של תחנת המכ"ם או להפסקת פעולתה מחשש שתתגלה.
 הקטנת חתימת המכ"ם של המטוס: תכנון מטוסים בעלי ארכיטקטורת מבנה וחומר המקשים על גילויים באמצעות מכשירי מכ"ם. מטוסים מסוג זה, כגון F-117, שפותחו על ידי ארצות הברית, קרויים "חמקנים".

ראו גם
 לוחמה אלקטרונית
 IRST (מערכת חיפוש ועקיבה תת־אדום) – מערכת לגילוי ועקיבה אחר עצמים הפולטים קרינת תת־אדום כגון מטוסי סילון ומסוקים.
 מכ"ם ביסטטי

לקריאה נוספת

קישורים חיצוניים

מידע כללי
 
 עולם המכ"ם – אתר מקיף על תולדות המכ"ם דרכי פעולת 
 סגן מנחם, המכם – מבנה ושימוש ימי, 'מערכות ים' 110, נובמבר 1972, עמ' 15.
 
 אנני אלרועי,	המכ"ם הימי – העיניים של הספינה,	'בין גלים' מאי 2014, עמ' 38.

היסטוריה של המכ"ם
 
 מדענים וממציאים: חלוצי המכ"ם – סקירה תמציתית של תרומתם של אישים שונים להתפתחות המכ"ם

דרכי פעולת המכ"ם
 מכ"ם – מגלה כוון ומרחק, באתר "שער לים"
 מכ"ם – תנועה יחסית, באתר "שער לים"
 יסודות המכ"ם – אתר מקיף על דרכי פעולת המכ"ם 
 
 כריס וודפורד, איך מכ"ם עובד, באתר ExplainThatStuff, אוקטובר 2017 
 טארון אגרוול, מכ"ם – יסודות, סוגים ויישום, באתר EL-PRO-CUS 
 איך מכ"ם עובד, באתר Commonwealth of Australia: Bureau of Meteorology

שימושים במכ"ם 

 סרטון תדמית, OTH-B (ELM-2040) an innovative Backscatter Radar System, תעשייה אווירית-אלתא מערכות.

הערות שוליים

הממלכה המאוחדת: המצאות
איכון
ארצות הברית: המצאות