דור חדש של שפופרות גל נע

בהתבסס על הרקע הנרחב שלה בפיתוח וייצור של שפופרות גל נע בסליל (TWT) ליישומים צבאיים מוטסים, פיתחה חברת e2v, “דור חדש” של שפופרות גל נע שהשימוש בהן מתרחב אל עבר יישומים מוטסים לשיבוש אותות (“דמה” – decoy), והן עומדות בדרישות החזויות של מערכות עתידיות. החברה יצרה במהלך 20 השנים האחרונות שפופרות גל נע קטנות (mini–TWT) לפס רחב (עם מתח הפעלה של 6 קילו–וולט) המיועדות לשימוש במערכות שיבוש מוטסות נגררות. החברה פיתחה בשנות התשעים המאוחרות שפופרת גל נע קטנה (עם מתח הפעלה של 4.5 קילו–וולט) לשימוש במערכות שיבוש מוטסות נגררות אשר נתנה מענה למרב התוכניות הצבאיות באירופה ובארה”ב.

המגוון הסטנדרטי של שפופרות TWT הקטנות התבסס על ההתקן בעל הפס הרחב (4.5 עד 18 ג’יגה–הרץ) המקורי של e2v ל–100 וואט ול–4.5 קילו–וולט, שתוכנן מלכתחילה לפעולה בגובה רב (70,000 רגל, כ–22,000 מ’) ובטמפרטורה גבוהה (יותר מ–140 מעלות צלזיוס במדידה בלוחית הבסיס של שפופרת TWT). המגוון החדש של השפופרות כלל גם שפופרות TWT בהתאמה אישית לפס צר, כשהמטרה היא לספק מגוון של התקנים שיתאימו ליישומים עתידיים, ביניהם אמצעי נגד אלקטרוניים (ECM), אמצעי לוחמה אלקטרונית (EW), מודולי הספק לגלי מיקרו (MPM), מכ”ם חריר סינתטי (SAR) וקישורי נתונים בגלי מיקרו. שפופרות חדשות אלו, המתבססות על טכנולוגיה מוקשחת ומוכחת קיימת, מציעות הספק מוצא, טווח תדירויות ונצילות מורחבים.

דור חדש של שפופרות TWT

מודלים שנוצרו לצורך תכנון של אזורים חשובים בשפופרות TWT, משולבים ביצירה מהירה של אבי טיפוס הובילו להתפתחות של משפחה חדשה של שפופרות TWT קטנות, תוך שימוש בתכנון של שפופרות TWT הקטנות הסטנדרטיות כבסיס. התוצאה הניבה שלושה טווחי שפופרות TWT קטנות:

טווח השפופרות N20173 – 6 עד 18 ג’יגה–הרץ, המגיעים לפחות ל–100 וואט;
טווח השפופרות N20160 – 4.5 עד 18 ג’יגה–הרץ, המגיעים להספק אופייני של 140 וואט;
טווח השפופרות N20154 – 13.75 עד 14.5 ג’יגה–הרץ (פס התדר Ku), המגיעים לפחות ל–120 וואט.

במאמר זה מתוארים נתוני ביצועים חשובים, מאפיינים ופרמטרי פעולה של שלושת ההתקנים האלה.

N20173

שפופרות TWT הסטנדרטיות פועלות כיום בתחום הפס הזה, 6 עד 18 ג’יגה–הרץ, אולם הספק המוצא שלהם קטן בטווח התדירויות העליון. המניע לתכנון של N20173 (המוצגת באיור 1) היה להגדיל את הנצילות של ההתקן החדש בתדירויות הגבוהות בלי להוריד מהביצועים בקצה הנמוך של פס תדירויות הפעולה. מטרה זו הושגה בעזרת מבנה גלים איטיים (SWS) עם נגד משתנה (taper) חדיש למהירות המופע.

כתוצאה מכך, שפופרת N20173 החדשה משיגה יותר מ–100 וואט על פני פס תדירויות הפעולה השלם ומבנה ת”ר (RF) החדש מקטין את ההרמוניה מסדר שני ביציאה עד פחות מ––9 dBc ב–6 ג’יגה–הרץ. איור 2 מציג את ביצועי ההספק לעומת התדירות של N20173 בהשוואה לשפופרת TWT קטנה הסטנדרטית של e2v.

כמו כן, יציאת מחבר TNC קואקסיאלי מותאם באופטימיזציה מספקת יחס גלים עומדים (VSWR) טוב יותר מ–2.2:1 הגרסאות של מגוון שפופרות אלו כוללות קולטים (collector) בשתי דרגות ובשלוש דרגות ואפשרות לאלקטרודת מיקוד או לפעולה רציפה (CW). שפופרת NV20173 תואמת לעיצוב הקומפקטי של שפופרות TWT הקטנות של e2v, עם אורך של 220 מ”מ, רוחב של 27 מ”מ וגובה של 29 מ”מ ועם מסה של 320 גרם. היא יכולה לפעול בטמפרטורות לוחית בסיס של עד 140 מעלות צלזיוס ובגבהים של עד 70,000 רגל, וברמות גבוהות של הלמים ורעידות.

איור 1 – שפופרת TWT הקטנה N20173

איור 2 – ביצועי ההספק לעומת התדירות של השפופרת N20173 ושל שפופרת TWT קטנה סטנדרטית.

N20160

מזה זמן מה קיימת דרישה גוברת לשפופרות TWT קטנות בהספק גבוה יותר, שיכולות לפעול ברוחב פס מוגדל של 4.5 עד 18 ג’יגה–הרץ. לכן, ההתקן N20160 (המוצג באיור 3) תוכנן כתחליף ישיר לשפופרת TWT הקטנה הסטנדרטית, והוא בעל יכולת לפעול באותם מתחים ולשמור על מעטפת פיסית מרחבית זהה.

הביצועים המורחבים הושגו על ידי שילוב של הגדלת הנצילות עם שימוש בנגד משתנה למהירות במבנה הגלים האיטיים ועם זרם מוגדל בקרן. ההתקן N20160 מציע גם הספק של לפחות 140 וואט בין 6 ל–13 מגה–הרץ, יותר מ–100 וואט ב–18 ג’יגה–הרץ ויותר מ–50 וואט ב–4.5 ג’יגה–הרץ. דחיפת ת”ר המרבית הנחוצה לרוויה היא +22 dBm, והגבר האות הקטן המושג בפס הביניים הוא 59 dB.

בעזרת ביצוע אופטימיזציה של מבנה הגלים האיטיים הייתה אפשרות להרחיב את ביצועי ההרמוניה השניה, שהם המאפיין השליט של התקן מרובה אוקטבות. ההתקן משיג בדרך כלל רמות של +1 dBc בהרמוניה שניה ב–4.5 ג’יגה–הרץ ו––10 dBc ב–6 ג’יגה–הרץ. איור 4 מציג את ביצועי ההספק לעומת התדירות של N20160 בהשוואה לשפופרת TWT קטנה הסטנדרטית של e2v.

דגמי טרום ייצור של N20160 נבדקו באמצעות קולטים בשתי דרגות ובשלוש דרגות והשיגו הספקים קבועים (prime power) של פחות מ–460 וואט. ביצועים מורחבים אלו הושגו תוך שמירה על גודל ומשקל קומפקטיים – אורך של 220 מ”מ, רוחב של 27 מ”מ, גובה של 29 מ”מ ומסה של 320 גרם.

איור 3 – שפופרת TWT הקטנה N20160

N20154

שפופרת TWT הקטנה N20154 (המוצגת באיור 5) פותחה כדי לספק את הדרישה הגוברת כל העת לשפופרות TWT שעלותן נמוכה, הן קומפקטיות, קלות משקל ועם נצילות גבוהה ליישומי תקשורת וקישור נתונים. התכנון של שפופרות TWT קטנות מתרחק מהתפישה המקובלת של פס רחב ומותאם באופטימיזציה במיוחד לפעולה בפס תקשורת צר. באופן כזה מתקבלים יתרונות של ליניאריות ואחידות הגבר משופרות לעומת התקני הפס הרחב.

מעגל ת”ר הותאם באופטימיזציה סביב נגד משתנה שלילי למהירות, במטרה להשיג נצילות גבוהה של המעגל ובשילוב עם קולט בריבוי דרגות, כדי לממש נצילות כוללת של השפופרת שהיא יותר מ–33 אחוזים. הספק המוצא על פני הפס הוא לפחות 120 וואט, עם הגבר אות קטן אופייני של 52 dB. פרמטרי הליניאריות חיוניים לשפופרות תקשורת. ביצועי IP האופייניים מסדר שלישי בניתוק המוצא (OBO) של 4 dB הם –22 dBc וב–OBO של 7 dB הם –28 dBc.

בין השיפורים הנוספים נכללים אופטימיזציה של יחס גלים עומדים (VSWR) בכניסה וביציאה שמשיג ערך טוב יותר מ–1.5:1 על פני פס תדירות הפעולה כולו. על מנת לעמוד בדרישות של אורך חיים תפקודי ארוך הקיים בהתקני תקשורת, תוכננה הקטודה של N20154 לפעול בצפיפות זרם נמוכה מ–1.5 אמפר לסמ”ר. משקלו של התקן N20154 הוא פחות מ–280 גרם, אורכו 171 מ”מ, רוחבו 30 מ”מ וגובהו 25 מ”מ, ונתונים אלו הופכים אותו למתאים במיוחד ליישומי מודולים להספק בגלי מיקרו.

התכנון המכני של N20154 משותף בחלקי רכיבים ותהליכים ייצור רבים לשפופרות TWT קטנות הסטנדרטיות לפס רחב של e2v. התוצאה היא מוצר עם עלות נמוכה ואמינות גבוהה, המציע ליצרני המערכות חלופה רצינית למגברי המצב המוצק.

איור 4 – ביצועי ההספק לעומת התדירות של השפופרת N20160 ושל שפופרת TWT קטנה סטנדרטית.

איור 5 – שפופרת TWT הקטנה N20154.

מסקנה

דור חדש של שפופרות TWT קטנות מבית e2v נותן מענה לדרישות של תכנון מוקשח ומוכח ולמאפיינים מורחבים של ביצועי ת”ר. אפשר להתאים באופן אישי את שלושת התקני שפופרות TWT הקטנות האחרונים שהושקו עם קולטים בשתי דרגות או בשלוש דרגות, עם חיבורי ת”ר ב–SMA או ב–TNC, עם גרסאות מיתוג אלקטרודת מיקוד ועם מגבר–דוחף להספק בהגבר מופחת. חברת e2v תשקול גם לספק לפי הזמנה מארז בהתאמה לדרישות לקוח מסוימות.

במבט לעתיד, הפיתוח וההרחבה נוספים של טווח מוצרי שפופרות TWT יימשכו, ובהם מתוכננים שיפורי נצילות באמצעות המשך האופטימיזציה של הקולטים. יעדי תכנון נוספים כוללים הגדלת הספק המוצא ל–200 וואט, והוספה של התקני סריג ממותגים. נוסף לכך, נמצאת כעת בפיתוח שפופרת TWT קטנה לפס צר אשר תציע את היתרונות (ליניאריות, אחידות) שנמצאים במוצר פס התדירות Ku עבור פס התדירות X. מוצר זה ישלים את המגוון ויציע התקן קל משקל וקומפקטי המתאים ליישומים של מודולי MPM, מכ”ם ומכ”ם SAR.