דור חדש של שפופרות גלים נעים

בהתבסס על הרקע המוצק שיש לחברת e2v בפיתוח ובייצור של שפופרות גלים נעים (TWT) מסוג Helix, המיועדים ליישומים צבאיים מוטסים, פיתחה החברה דור חדש של שפופרות TWT אשר מתפשט מעבר ליישומים מוטסים מבוססים המשמשים להטעיה, וצופה את הדרישות העתידיות של המערכות. במשך עשרים השנים האחרונות ייצרה החברה שפופרות TWT זעירות לפס רחב (מתח הפעלה של 6 קילו-וולט) לשימוש במערכות הטעיה מוטסות נגררות (airborne towed decoy systems). בסוף שנות התשעים, היא פיתחה שפופרות TWT זעירות (מתח הפעלה של 4.5 קילו-וולט) לשימוש במערכות הטעיה מוטסות נגררות אשר ענו על דרישות רוב התוכניות הצבאיות הרציניות של אירופה וארה”ב.
המבחר של שפופרות TWT זעירות התבסס על התקן הפס הרחב המקורי של (4.5 עד 18 ג’יגה הרץ), 100 ואט, 4.5 קילו-וולט, שתוכנן בראש ובראשונה להפעלה בגבהים גבוהים (70,000 רגל) ובטמפרטורה גבוהה, (יותר מ-140 מעלות צלזיוס שנמדדה בלוחית הבסיס של שפופרת TWT). הטווח החדש של שפופרות מספק אף הוא שפופרות TWT זעירות ברוחב פס צר ובהתאמה אישית, כשהמטרה היא לספק מבחר של התקנים שיתאימו ליישומים עתידיים, לרבות אמצעי נגד אלקטרוניים (ECM), אמצעים המיועדים ללוחמה אלקטרונית (EW), מודולי הספק של גלי מיקרו (MPM), מכ”מ מפתח סינתטי (SAR) וקישורי נתונים בגלי מיקרו. בהתבסס על טכנולוגיות מוקשחות ומוכחות של היום, שפופרות אלו מציעות הספק מוצא, טווח תדירויות ונצילות משופרים.

שפופרות TWT זעירות מהדור החדש
יצירת המודלים בתכנון של התחומים החשובים של שפופרות TWT בצירוף יצירה מהירה של אבי טיפוס הביאה להתפתחות של משפחה חדשה של שפופרות TWT זעירות תוך שימוש בשפופרת TWT הזעירה כאמצעי בסיסי לתכנון. התוצאה שהתקבלה היא שלושה טווחים של שפופרות TWT זעירות חדשות:
טווח שפופרות TWT דגם N20173, ל-6 עד 18 ג’יגה הרץ המגיעות ל-100 וואט לפחות
טווח שפופרות TWT דגם N20160, ל-4.5 עד 18 ג’יגה הרץ עם הספק אופייני של 140 וואט
טווח שפופרות TWT דגם N20154, ל-13.75 עד 14.5 ג’יגה הרץ (תחום פס Ku) המגיעות ל-120 וואט לפחות
הנתונים המתייחסים לביצועים, לתכונות ולפרמטרי הפעולה החשובים של שלושת ההתקנים החדשים האלו מתוארים במאמר זה.
N20173
שפופרות TWT הזעירות הסטנדרטיות הקיימות כיום, פועלות בטווח רוחב הפס של 6 עד 18 ג’יגה הרץ, אף הן לא עומדות בהספק המוצא הנדרש בטווח התדירויות העליון. הדחף לתכנון של N20173 (המוצגת באיור 1) היה מתוך מטרה להגדיל את נצילות ההתקן החדש בתדירויות העליונות, בלי לפגוע בביצועים בתחום הנמוך של טווח הפעולה. מצב זה הושג על ידי שימוש במבנה גלים איטיים (SWS) עם טכניקה חדשנית של חרוט מהירות במופע
(phase velocity taper).
התוצאה היא ששפופרת N20173 החדשה מגיעה להספק גבוה מ-100 ואט על פני פס תדירויות הפעולה המלא, ומבנה ת”ר (RF) החדש מקטין את ההרמוניה השנייה במוצא לערך נמוך מ-9dBc ב-6 ג’יגה הרץ. איור 2 מציג את ביצועי ההספק בתלות בתדירות של N20173 בהשוואה לשפופרת TWT התקנית של e2v.
כמו כן, יציאת TNC קואקסיאלית מתואמת באופטימיזציה מגיעה ליג”ע (VSWR) טוב יותר מאשר 2.2:1 והדגמים שבמבחר כוללים אפשרויות לקולט (Collector) בשתי דרגות או בשלוש דרגות, ואפשרות לאלקטרודת מיקוד במיתוג לפעולה באותות (פולסים) או לפעולת גל רציף (CW). השפופרת N20173 שומרת על העיצוב הקומפקטי של שפופרות TWT הזעירות הסטנדרטיות של e2v, באורך של 220 מ”מ, ברוחב של 27 מ”מ ובגובה של 29 מ”מ ועם מסה של פחות מ-320 גר’. היא יכולה לפעול בטמפרטורה של לוחית הבסיס של עד 140 מעלות צלזיוס ובגובה של עד 70,000 רגל (כ-21,700 מ’) בתנאי הלמים ורעידות ברמות קשות.

N20160
לאחרונה הורגשה דרישה גוברת לשפופרות TWT זעירות הפועלות בהספק גבוה יותר ובעלות יכולת לפעול על פני רוחב פס מורחב של 4.5 עד 18 ג’יגה הרץ. לצורך זה תוכנן ההתקן N20160 (המוצג באיור 3) כתחליף ישיר לשפופרות TWT זעירות סטנדרטיות, בעל יכולת פעולה באותם המתחים ועם שמירה על אותה מעטפת מרחבית.
הביצועים המשופרים הושגו על ידי שילוב של שיפורי נצילות, שימוש בחרוטי מהירות
(velocity taper) במבנה הגלים האיטיים ועל ידי הגדלת זרם האלומה. ההתקן N20160 מציע גם הספק של 140 וואט לפחות בין 6 ל-13 ג’יגה הרץ, יותר מ-100 וואט ב-18 ג’יגה הרץ ויותר מ-50 וואט ב-4.5 ג’יגה הרץ. דחיפת ת”ר המרבית הנדרשת לרוויה היא +22dBm והגבר האות הקטן המתקבל בפס הביניים הוא 59dB.
בעזרת אופטימיזציה של מבנה הגלים האיטיים נוצרה האפשרות לשפר את ביצועי ההרמוניה השנייה, ביצועים שהם המאפיין השולט של התקנים מרובי אוקטבות. ההתקן מגיע בדרך כלל לרמות של +1dBc של ההרמוניה השניה ב-4.5 ג’יגה הרץ ול- 10dBc ב-6 ג’יגה הרץ. איור 4 מציג את ביצועי ההספק בתלות בתדירות של שפופרת N20160 בהשוואה לשפופרת TWT הזעירה התקנית של e2v.
דגמים של N20160 בייצור מוקדם שנבדקו באמצעות קולטים (collector) הן בשתי דרגות והן בשלוש דרגות, הגיעו להספקים של פחות מ-460 וואט. ביצועים מוגברים אלו הושגו תוך שמירה על ממדים ומשקל קומפקטיים – אורך של 220 מ”מ, רוחב של 27 מ”מ וגובה של 29 מ”מ ועם מסה של 320 גר’.

N20154
שפופרת TWT הזעירה N20154 (המוצגת באיור 5) פותחה על מנת לתת מענה לדרישה הגוברת תמיד לשפופרות TWT בעלות נמוכה, קלות משקל, בעלות נצילות גבוהה וקומפקטיות עבור יישומי תקשורת ויישומים של חיבורי העברת נתונים. התכנון של שפופרת TWT זעירה התרחק מהמוסכמות של רוחב פס והוא מותאם באופטימיזציה במיוחד לפעולה בפס תקשורת צר. פעולה כזו מעניקה לו יתרון על פני התקנים הפועלים בפס רחב בתחום של ליניאריות ושטיחות (flatness) הגבר משופרות.
מעגל תדר הרדיו הותאם באופטימיזציה סביב חרוט מהירות שלילי (negative velocity taper) על מנת להשיג נצילות גבוהה של המעגל בשילוב עם קולט (collector) רב דרגתי, כדי לממש נצילות כוללת של השפופרת יותר גדולה מ-33 אחוזים. הספק המוצא על פני פס השידור הוא 120 וואט לפחות, עם הגבר אות קטן אופייני של 52dB. פרמטרי הליניאריות חיוניים ביותר לשפופרות תקשורת; ביצועי IP מסדר שלישי בהורדת הספק המוצא (Output Back-Off-OBO) של 4dB הם בדרך כלל – 22dBc ומגיעים ל-28dBc בהורדת OBO של 7dB.
שיפורים נוספים כוללים אופטימיזציה של היג”ע בכניסה ובמוצא על מנת להגיע ליחס של 1.5:1 על פני פס תדירויות הפעולה. על מנת לעמוד בדרישות חיי הפעולה הארוכים של התקני תקשורת, הקתודה של N20154 תוכננה לפעול בצפיפות זרם קטנה יותר מ-1.5 אמפר לסמ”ר. משקלו של ההתקן N20154 כשהוא נתון במארז פחות
מ-280 גר’, אורכו 171 מ”מ, רוחבו 30 מ”מ וגובהו 25 מ”מ, וממדים אלו הופכים אותו למתאים במיוחד עבור יישומים של מודול הספק לגלי מיקרו.
התכנון המכני של N20154 זהה בחלקי רכיבים רבים ובתהליכי הייצור לאלו של שפופרות TWT הזעירות הסטנדרטיות לפס הרחב של e2v. עובדה זו הניבה מוצר בעל עלות נמוכה ואמינות גבוהה אשר מציע ליצרני מערכות חלופה רצינית למגברי המצב המוצק. טבלה 1 מראה את מאפייני הביצועים של סדרת שפופרות TWT הזעירות החדשות.

מסקנות
הדור החדש של שפופרות TWT זעירות של חברת e2v, עונה על דרישות של תכנון מוקשח מוכח ומאפייני ביצועים מורחבים בת”ר. אפשר להתאים באופן אישי את שלושת ההתקנים המתקדמים של שפופרות TWT זעירות עם גרסאות של קולטים (collector) בדרגה כפולה או משולשת, עם סיומות ת”ר מסוג SMA או TNC, עם מיתוג אלקטרודת מיקוד ועם מעלה הספק בעל הגבר מופחת. חברת e2v תשקול גם אספקה במארזים על פי דרישה כדי לעמוד בדרישות ייחודיות של לקוחות.
במבט לעתיד התהליך של פיתוח תכנונים נוספים והרחבות של טווח מוצרי TWT נמשך, עם שיפורי נצילות מתוכננים באמצעות אופטימיזציה מתמשכת של קולטים (Collector). יעדים נוספים של תכנון כוללים הספק מוצא מוגדל של 200 ואט והכללה של התקן מיתוג רשת. בנוסף, נמצאת בפיתוח שפופרת TWT זעירה לפס צר אשר תציע בפס X את היתרונות (ליניאריות ושטיחות) שסופקו במוצרי פס Ku. שפופרת זו תהווה השלמה של הטווח ותציע התקן קומפקטי קל משקל שמתאים למודולי הספק בגלי מיקרו (MPM), ליישומי מכ”מ וליישומי מכ”מ מפתח סינתטי (SAR).

הכתבה נמסרה באדיבות חברת אלקטרונדארט