دور أجهزة تقوية السلطة في نظم رادار وسونار المتقدمة

فأجهزة استنشاق الطاقة تعمل كعضلة حرجة وراء كل نظام راداري وسوناري متقدم، وتحوّل إشارات الاستنفار المنخفضة المستوى إلى موجات عالية القدرة يمكن أن تقطع مسافات واسعة عبر الهواء أو الماء، وبدون هذه الأجهزة المضخمة، حتى أكثر أجهزة تجهيز الإشارات تطوراً، وتصميمات هوائيات، لأن الطاقة المبثوثة ستكون ضعيفة جداً أمام إعادة صدى مُتزع.

Understanding Power Amplifiers in Radar and Sonar

ويأخذ جهاز كمبلد للطاقة في صميمه تردداً إذاعياً ضعيفاً نسبياً أو إشارة صوتية ويزيد من حجمه إلى مستوى مناسب للانتقال عبر هوائي أو متحول، وفي الرادار، تشع الإشارة المضخمة كموجة كهرومغناطيسية؛ وفي السونار، تتحول إلى موجة تواترية في الماء، ويجب أن تحافظ عملية الإجهاد على سلامة الإشارات.

وينطوي تصميم مضخم للطاقة لهذه النظم على المبادلات بين القدرة على الإنتاج، والسلوك، والكفاءة، وضمادات النطاق الترددي، مثلا، قد يعطي رادار طويل المدى لمراقبة الهواء الأولوية لقوة عالية في إنتاج (ميغاوات في بعض الحالات) على التسلسل، في حين أن وجود رادار حديث محدد للبرامجيات يستخدم في الحرب الإلكترونية يتطلب تسلسلا ممتازا عبر نطاق ضوئي مرتفع فوري.

أنواع أجهزة تقوية الطاقة المستخدمة

وتستخدم نظم الرادار والسونار عدة تكنولوجيات مضخمة، كل منها يبرز في مزيج محدد من الطاقة والتواتر وعامل الشكل، أما الأنواع الثلاثة الكلاسيكية - الموجة الترابية، وجهاز الدولة الصلبة، وشركة Klystron-remain، فتتمثل على نطاق واسع، ولكن الأجهزة الجديدة شبه الموصلات تكتسب بسرعة.

مضخمات السفر

وتحتوي أجهزة التكتل على أجهزة لتفريغ الفراغ، تضخ إشارات الترددات المتوسطة، وذلك بتجاوزها شعاعاً كهربائياً على طول هيكل بطيء، ويمكنها أن تنتج أيضاً قدرات عالية جداً في مجال الإنتاج (عشرات كيلوات من المايكوات) على نطاق واسع، تتجاوز في كثير من الأحيان الفارق بين الرؤوس، مما يجعلها مثالية للرادارات الإلكترونية ذات المدى الطويل، والرادارات المتحكمية في الطقس مثل نظام " إنكور " .

أجهزة لتصنيع السلطة القائمة على الدولة الصلبة

وتستخدم أجهزة SSPA أجهزة شبه موصلة مثل أجهزة الوصل، أو أجهزة تحويل الغازات، أو أجهزة تحويل الغازات لتضخم إشارات الترددات، وتتوفر أجهزة SSPA الحديثة درجة عالية من الموثوقية، وصيانتها المنخفضة، وتدهورها سميك (تخفيض عدد قليل من المترجمين يخفض من قدرة الإنتاج، ولكنه لا يسبب فشلاً في النظام) وهي تعمل في فولت أقل من وحدات الأشعة المميتة ويمكن تصميمها على نطاق واسع

Klystron Amplifiers

كما أن كلاسترون هي تكنولوجيا أخرى من تكنولوجيا التفريغ التي تستخدم التعبئة السريعة لشعاع كهربائي لإنتاج التكاثر، وهي عادة توفر مكاسب عالية جداً وكهرباء عالية الإنتاج، وغالباً ما تكون في نطاق الموجات المتناهية الصغر، ولكن أكثر اتساعاً في نطاق مشروع الوصلات الكهربائية من TWT.

شركة باندغاب الواسعة لصناعة الأمبلايين (GaN, SiC)

وقد أدى تصميم جهاز تصعيد الطاقة على مدى العقد الماضي إلى إحداث ثورة في تصميم جهاز توليد الطاقة الكهربائية، حيث أن هذه المواد الواسعة النطاق تتيح للمترجمين أن يعملوا في ارتفاع الفول، ودرجات الحرارة، وترددات عالية، مقارنة بالسيليكون التقليدي أو الغازات المتطورة.

Importance in Radar and Sonar Systems

ويرتبط أداء كل رادار أو نظام سونار ارتباطا مباشرا بقدرات مضخة الطاقة، وتبين معادلة الرادار أن الطاقة الاستلامية تناسب مع مربع قوة الإرسال؛ وتضاعف الناتج المضاعف كميا، وتسمح بالكشف عن أهداف أصغر أو نطاق واسع، ويشتمل معادلة الامتصاص النشطة على كل من الطاقة المحمولة والخروط الصوتية العالية الهدف على زيادة سرعة التقلب.

طلبات الرادار

وفي رادارات الموجات الأرضية المتطورة من الهواء، يمكن أن ينتج جهاز كمين مزود بمقياسات الترددات المتوسطة الحجم قوة ذروة من طراز 1-2 MW، مما يتيح الكشف عن طائرة مقاتلة ذات حجم عال عند 400 كيلومتر، وبالنسبة للرادارات المحمولة على مراحل مثل نظام AEGIS، فإن مئات وحدات الأشعة فوق البنفسجية المتينة لكل منها تصل إلى 50 إلى 100 Wture، ولكن تركيبتها المترابطة تولدة من المئات من الطاقة الكيلوتية الفعالة في الوقت الذي توفر فيه الترددات الحرارية

تطبيقات القمر

وتستخدم نظم السونار العلمية على السفن البحرية أجهزة مضخمة قوية لحمل مُصدِرات الأشعة المُنَفَّة أو مُغَرِّرات مُصَوَّبة، وقد تُستخدم غواصة نموذجية لصرف الصيادين المغناطيسي لإنتاج عشرات الكيلوتات من الطاقة الصوتية في إطار النطاق الترددي 1-10 كيلوهرتز، مما يسمح بكشف الغواصات الخفية الديّة في عشرات من الكيلومترات.

عوامل الأداء الرئيسية

وينطوي تصميم جهاز كميّد للطاقة على الرادار أو السونار على تحقيق الحد الأمثل من عدة بارامترات مترابطة، وتتوقف الأهمية النسبية لكل عامل على خصائص البعثة المحددة وعلى بيئة التشغيل.

الناتج

إن القدرة على الإنتاج هي أكثر البارامترات وضوحا: فهي تحدد أقصى نطاق للكشف والطاقة المتاحة للردود، وفي الرادار، فإن القدرة على إنتاج الذروة (التي كثيرا ما تُعبر عنها في كيلوات) هي ذات أهمية حاسمة بالنسبة للكشف البعيد المدى، بينما يحدد متوسط الطاقة القدرة على تتبع الأهداف المتحركة من خلال تجهيز دوبلر، وفي السونار، فإن مستوى المصادر المقيسة في ثاني أكسيد الكربون عند مستوى واحد من الترددات العالية هو أيضا مستوى مماثل لحجم قوة الراد.

الكفاءة

ويمكن أن يؤدي ارتفاع الكفاءة في استخدام الطاقة الكهربائية أو القدرة الإنتاجية الصوتية إلى التأثير المباشر على الإدارة الحرارية، وحجم الإمداد بالطاقة، وتكاليف التشغيل، بينما يؤدي ارتفاع الكفاءة إلى خفض احتياجات مصارف الحرارة، وهو أمر مهم بصفة خاصة بالنسبة للرادارات المحمولة جواً والمركبات غير المأهولة تحت الماء التي تكون فيها التبريد محدودة.

الصف

ويصف التسلسل مدى صدقية المضخم في إعادة إنتاج الإشارة إلى المدخلات وطولها، وتتسبب العواطف في النمو الطيفي (الارتفاع إلى القنوات المتاخمة) والتشوه في الاختلاط، الذي يمكن أن يخفي ضعف العائدات أو يتداخل مع نظم أخرى، وتحتاج الرادار الحديثة التي تستخدم ضغط النبض وأجهزة تتبع الترددات العالية إلى أجهزة تكييف

باندويث ورنج التردد

ويحدد نطاق الترددات الترددية لمضخم الطاقة قدرة على التردد الفوري وحل المدى للرادار أو السونار، بينما تتيح أجهزة التصعيد ذات النطاق الواسع (مثلا 2 إلى 18 غيغاهيرتز) التواتر الموزعة على أجهزة القياس العكسي الإلكترونية، وفي السونار، يؤثر النطاق الترددي على شدة النبض المرسل، كما أن النطاقات المصممة على نطاق أوسع من النطاقات التي يمكن تحقيقها.

الإدارة الحرارية

وتولد أجهزة الضخ ذات الطاقة العالية حرارة كبيرة يجب إزالتها للحفاظ على موثوقية المكونات، ودرجات الحرارة التي تزيد عن الحد الأقصى المحدد لشبه الموصلات، ويمكن أن تتسبب في الفشل الفوري، وكثيرا ما تستخدم نظم الرادارات حلقات التبريد باللوحات الباردة، بينما تستخدم النظم المحمولة جوا أو مواد تغيير تدريجي قسرية، وفي السونار، فإن التشت الحراري يشكل تحديا لأن أجهزة التعبئة المحتوية على مضخمات المائية هي ضغط ثقيل؛

دال - التقدم والاتجاهات المستقبلية

وقد شهدت السنوات الخمس الماضية تطورا سريعا في تكنولوجيا مضاعفة الطاقة، مدفوعا بالطلب على الأداء الأعلى، وانخفاض حجم/وزن/قوة، وانخفاض التكلفة، وهناك اتجاهات عديدة تمثل الجيل القادم من أجهزة مصفاة الرادار والسونار.

وادي باندغاب سميكونور

GaN on Siftive technology for military and commercial radio amplifiers above 1 GHz. Devices now operate at voltages up to 65 V (compared to 28 V for GaAs) and can handle power densities above 10 W/mm. This diminishs the size of amplifier module and simplifies power combining. For example, a GaNbased transmit/receive

التحلل الرقمي والتسلسل

(د) إن الافتراض الرقمي (DPD) هو الآن معيار في العديد من نظم الرادار والاتصالات المتقدمة. وتعوض إدارة التنمية عن عدم خطية الكمّل من خلال التبكير في تحديد إشارة النطاق الرقمي بحيث يكون الناتج الموسّع خطياً، مما يتيح للمضخم أن يكون أقرب إلى التشبع - حيث يكون أكثر كفاءة - مع انتهاك الأقنعة الطيفية.

أجهزة مضخمة مبردة للاستشعار المفرط

وبالنسبة لتطبيقات رادار الفضاء البعيدة والمتعمقة، يمكن للمضخمات المبردة أن تحقق أرقاما ضوضاء منخفضة للغاية ومكسبا كبيرا، فعلى سبيل المثال، تستخدم أجهزة التصفير المبردة للأشعة فوق البنفسجية في علم الفلك والاتصالات في الفضاء العميق، ويجري استكشاف أجهزة استنشاق التنبيه المبردة لتقليل التشخيص الذاتي في صفائف المراقبة الحساسة.

التكامل مع الشكل الرقمي

ويتزايد استخدام الرادارات الحديثة المتحركة المتحركة للأشعة الرقمية، حيث يكون لكل عنصر من عناصرها ADC/DAC وسلسلة مكبرة، وهذا يتطلب مضخات عالية التكامل، ومزودة بالطاقة المترابطة يمكن وضعها مباشرة خلف عناصر الهوائي، ويجري تطوير وحدات متعددة الأقمشة تجمع بين أجهزة امبل متعددة الترددات وبين أجهزة التحكم في السيغي والمنطق الرقمي للشبكة.

التحديات في مجال تصميم أجهزة تقوية الطاقة

ورغم التقدم السريع، لا تزال هناك تحديات كبيرة، فالتفكك الحراري في صفائف متدرجة كثيفة يدفع حدود السلوك وتبريد الترددات العالية، وتتطلب معدات عالية القدرة للتغذية واستبدالا دوريا، ولا تزال التسلسل والكفاءة تتداول ضد بعضها البعض؛ ولا توجد طبوة واحدة تضخ في نفس الوقت تحقق كفاءة ودرجة حرارة عالية من الماس على نطاق متعدد الأطقم.

خاتمة

وتُعدُّ أجهزة تكييف الطاقة الكهربائية مُمكِّنة من نظم رادارية وسونارية طويلة المدى ومُحكمة الاستبانة، سواء أُخذت على أساس أنبوب الموجات المُتَرَقة أو أجهزة حديثة ذاتية صلبة تعمل بالشبكة، أو على أن تُعدّ هذه الأجهزة أجهزة قياسية ذاتية ذاتية عملية، أو على شكل جهاز لاسلكية مُعدِّم، أو على شكل أجهزة رادارية.