بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله ابتدا به ارائه تعریف دقیق و رسمی از تحقیق و توسعه1 می پردازیم، در ادامه اصلاحات پایه این صنعت تعریف می شود، سپس توضیحاتی راجع به فناورری های موجود در صنعت لامپ های مایکروویو2 داده می شود و در ادامه نقش تحقیق و توسعه - R&D - به عنوان موتور محرک فناوری مذکور مورد بررسی قرار می گیرد. انتخاب صنعت لامپهای مایکروویو به عنوان پدیده ای که تحقیق و توسعه در آن بررسی می شود از چند جهت حائز اهمیت است. نخست آنکه این فناورری در رسته فناوری های نوین قرار می گیرد و علاوه بر آن صنعت مذکور تنوع محصولی زیادی دارد که در اکثر موضوعات مرتبط هنوز تحقیق و توسعه در حال انجام است. باید خاطر نشان کرد پیشرفت در صنعت لامپهای مایکروویو به عنوان یکی از ابزارهای بازدارنده در توان دفاعی هر کشوری مورد توجه قرار دارد,
-1 مقدمه
بنا به تعریف سازمان همکاری اقتصادی و توسعه، تحقیق و توسعه به کار خلاقانهای گفته میشود که به طور سیستماتیک انجام میشود تا به دانش موجود بیفزاید و این دانش را برای ابداع کاربردهای تازه بهکارببرد.[1]-[3] ما در اینجا به تحقیق و توسعه در صنعت لامپ های مایکروویو خواهیم پرداخت بدین منظور لازم است با اصلاحات کلیدی این صنعت آشنا شویم. مایکروویو در لغت به معنای موج میکرومتری است یعنی امواجی که طول موج انتشار آنها بسیارکوچک است. این واژه در علوم مهندسی به امواج الکترومغناطیسی3 اطلاق می شود که طول موج آنها در فضای آزادحدوداً بین 1 میلیمتر تا 1 متر می باشد.[4]
مزیت موجود در این طیف فرکانسی4 نسبت به فرکانس های دیگر در ذیل بیان می شود. می دانیم امواج الکترومغناطیس در هنگام انتشار در محیط های مادی باعث گرم شدن محیط مادی می شوند این گرم شدن محیط یک نوع از مکانیزم های تلف5 امواج الکترومغناطیس است که باعث کاهش توان6 امواج الکترومغناطیس می شود. در محدوده فرکانسی مایکروویو7 توان جذب شده توسط محیط انتشار اندک است لذا این محدوده فرکانسی برای مخابره پیام در محیط مادی بسیار مناسب است.
ادوات تولید کننده و دریافت کننده این امواج در حدود سانتیمتر هستند لذا ساخت آنها بسیار کم هزینه خواهد بود، باید توجه داشت ساخت انتشار دهنده امواج الکترومغناطیس در ابعا حدود متر به علت حجم زیاد، بسیار پر هزینه خواهد بود و ساخت اینگونه ادوات در ابعاد کوچکتر از میلیمتر نیازمند فناوری های گران قیمت است. امواج الکترومغناطیسی را نخستین بار ماکسول پیشبینی کرد و سپس هاینریش هرتز آن را با آزمایش به اثبات رساند. ماکسول پس از تکمیل نظریه الکترومغناطیس، از معادلات این نظریه شکلی از معادله موج را به دست آورد و بنابراین نشان داد که میدانهای الکتریکی و مغناطیسی هم میتوانند رفتاری موجگونه داشته باشند.
سرعت انتشار امواج الکترومغناطیسی از معادلات ماکسول درست برابر با سرعت نور به دست میآمد، و ماکسول نتیجه گرفت که نور هم باید نوعی موج الکترومغناطیسی باشد.[5] , [6] طبق معادلات ماکسول، میدان الکتریکی متغیر با زمان باعث ایجاد میدان مغناطیسی میشود و برعکس. بنابراین اگر یک میدان الکتریکی متغیر میدان مغناطیسی بسازد، میدان مغناطیسی نیز میدان الکتریکی متغیر میسازد و این گونه موج الکترومغناطیسی ساخته میشود و پیش میرود.[6], [7]
-2 آشنایی با لامپهای مایکروویو
امروزه مایکرو ویو علاوه بر اینکه بیشتر از %60 سیستم های راداری را در بر می گیرد،در ارتباطات، هوانوردی،هواشناسی، دریا نوردی،ماهواره های ارتباطی،ماهواره های سنجش از راه دور،نجوم تشخیص پزشکی،وسایل صنعتی و ... نقش عمده ای دارد. برای ارسال یک سیگنال لازم است که سیگنال مورد نظر توسط یک اسیلاتور تولید شده و بعد از تقویت ارسال شود که این کار توسط لامپ ها انجام می گیرد.
اولین لامپ مایکرویو در دهه 1930 در انگلیس ساخته شد و سپس از آن در ساخت توسعه سیستم رادار در خلال جنگ جهانی دوم استفاده شد.در سالهای اخیر قطعات نیمه هادی به طور فزایندهای جایگاه لامپهای مایکرویو را پر نموده و مزایای متعدد هم دارند.اما هنوز هم لامپها برای تولید توانهای بسیار بالا 10 - کیلو وات تا 10 مگا وات - و فرکانسهای بالاتر امواج میلی متری 100 - گیگا هرتز و بالاتر - لازم ضروری میباشند.
انواع بسیار متعددی از شکل لامپها در کنار مفاهیم مختلفی که بر اساس آن عملکرد لامپ بنا گذاشته شدهاست وجود دارند. اما تمامی لامپها جنبههای مشترک متعددی دارند. اول آنکه در تمامی لامپها بر هم کنش اشعه با یک میدان مغناطیسی در داخل روکش خلا شیشهای یا فلزی را داریم. بنابراین میبایست به طریقیانرِژی RF8 در خارج این روکش به آن تزویج نماییم اینکار را معمولاً با پنجرههای سطحی یا حلقهها و پروبهای تزویجی هم محور انجام میدهیم. پهنای باند9 کم تقویت کننده کلایسترون در لامپ با موج حرکتی - TWT - 10 بر طرف گردیدهاست. یک تقویت کننده با اشعه خطی است که از یک تفنگ الکترونی و یک آهنربای متمرکز کننده جهت شتاب بخشیدن به اشعه الکترونها در خلال یک ناحیه بر هم کنش استفاده میکند.
معمولاً ناحیه بر هم کنش از یک ساختار هیلیکس با موج آهسته با یک ورودی RF درانتهای تفنگ الکترونی و یک خروجی RF در انتهای کلکتور تشکیل میشود. ساختار هیلیکس سرعت انتشار موج RF را کاهش داده بنابراین، این موج با همان سرعتی حرکت میکند که موج و اشعه در ناحیه بر هم کنش حرکت مینمایند و اثر تقویت کنندگی بدست میآید. سپس سیگنال تقویت شده از انتهای هیلیکس تزویج میگردد.TWT بالاترین پهنای باند را در میان لامپهای تقویت کننده دارد که مقدار آن ار 30 تا 120 متغیر است.
در نتیجه این لامپ جهت استفاده در سیستمهای جنگ الکترونیک بسیار مفید است. EIO خیلی مشابه یک کلایسترون است و از ناحیه بر هم کنش شامل تعدادی حفره تزویج شده با یکدیگر با فیدبک مثبت جهت انجام نوسان استفاده مینماید. این لامپ دارای یک پهنای باند تنظیم شده نازک و یک راندمان متوسط است اما میتوان توانهای بالا نزدیک چند صد گیگا هرتز را تامین نماید. نوع دیگر لامپ های مایکروویو ژیراتون است که میتواند توان بیشتری را تحویل نماید. لامپهایی با میدان متقاطع شامل مگنترون، تقویت کننده با میدان متقاطع وژیراتون است.توان RF میتواند خارج از لامپ با یک پروب، حلقه یا پنجره روزنه دار تزویج گردد. مگنترونها میتوانند توانهای خروجی بسیار بالا، در حد چند صد کیلو وات را فراهم نمایند.
همچنین مگنترون دارای راندمانی در حدود 80 یا بیشتر میباشد. اما یک عیب بزرگ آن این است که مگنترون نویز11 زیادی را تولید میکند و نمیتواند فرکانس یا ارتباط فاز را تثبیت نماید در حالی که در حالت پالسی عمل مینماید. این فاکتورها جهت عملکرد بالای رادارهای12 پالسی بسیار مهم هستند که درآنها تکنیکهای پردازش یر روی مجموعهای از پالسها ی بازگشتی عمل مینمایندکاربرد. مگنترونها عموماً جهت پختوپز با مایکروویو میباشد. .[4] , [5] , [7] , [8]
3 تحقیق و توسعه در صنعت لامپ مایکروویو
اولین منبع عملی واقعی مایکرویو لامپ مگنترون بود که در دهه 1930 در انگلیس ساخته شد و سپس از آن در ساخت و توسعه سیستم رادار در خلال جنگ جهانی دوم استفاده شد. در سالهای اخیر قطعات نیمه هادی به طور فزآیندهای جایگاه مایکروویو را پر نموده و مزایای متعدد هم دارند. اما هنوز هم لامپها برای تولید توانهای بسیار بالا 10 - کیلووات تا 10 مگاوات - و فرکانسهای بالاتر امواج میلی متری 100 - گیگا هرتز و بالاتر - لازم و ضروری میباشند. قبل از بیان چالش های صنعت لامپ مایکروویو ابتدا مزایا و معایب انواع لامپ های مایکروویو بیان می شود.
الف - لامپ های مگنترون:
-1 میتوانند توانهای خروجی بسیار بالا-در حد چند صد کیلو وات را فراهم نمایند.
-2 دارای راندمانی در حدود 80 یا بیشتر میباشند .
-3 یک عیب بزرگ آن این است که مگنترون نویز زیادی را تولید میکند و نمیتواند فرکانس یا ارتباط فاز را تثبیت نماید در حالی که در حالت پالسی عمل مینماید.این فاکتورها جهت عملکرد بالای رادارها ی پالسی بسیار مهم هستند که درآنها تکنیکهای پردازش یر روی مجموعهای از پالسها ی بازگشتی عمل مینمایند.
-4 کاربرد لامپ مگنترون به عنوان نوسانساز در سیستم های مایکروویو و فرستنده رادارهایی که قابلیت چنگ الکترونیک کمی دارند دارند مطرح است و امروزه کاربرد مگنترونها عموما جهت پخت و پز با مایکروویو نیز میباشد .
ب - لامپ های کلایسترون:
-1 پهنای باند آنها کم میباشد که نتیجه حفرهها با Q بالا مورد نیاز جهت خوشه بندی الکترون میباشد.
-2 کلایسترونها برای سطوح نویزAM و FM بسیار پایین میباشند.
-3 امکان کار با شکل موج های پیچیده تر از رشته پالس های معمولی را
فراهم کردند.
-4 این لامپ به عنوان نوسانساز و یا تقویت کننده سیگنال های باند UHF ، به منظور کاربرد در ایستگاه های ارتباطی مایکروویو و یا فرستنده و گیرنده رادار استفاده می شود.
ج - لامپ با موج حرکتی: - TWT -
-1 بالاترین پهنای باند را در میان لامپهای تقویت کننده دارد که مقدار آن ار 30 تا 120 متغییر است.
-2 این لامپها دارای توان نامی چند صد وات - به طور اسمی - است اما میتوان این مقدار را تا چند کیلو وات نیز افزایش داد که این کار توسط ایجاد یک ناحیه بر هم کنش با استفاده از مجموعهای از حفرههای تزویج شده انجام میشود البته در عوض پهنای باند کاهش خواهد یافت .
-3 راندمان TWT تقریبا پایین است و به طور اسمی بین 20 و 40 میباشد.
-4 این لامپ جهت استفاده در سیستمهای جنگ الکترونیک بسیار مفید است چرا که در این سیستمها نیاز به توانی بالا در پهنای باند هایی وسیع داریم.
-5 رادارهای مدرن از این نوع امروزه عموما از منابع نیمه هادی با نویز کم به همراه یک TWT جهت تقویت کنندگی توان استفاده مینمایند
-6 پهنای باند کم تقویت کننده کلایسترون در لامپ با موج حرکتی - TWT - بر طرف گردیدهاست.
-7 تشخیص دقیق فاصله ،حذف تداخل ، اجتناب از سیگنال های گمراه کننده رادار از جمله امکاناتی است که با پهنای باند وسیع فرستندهیّمسر میگردد در نتیجه امروزه از لامپهای TWT بیشتر از سایر لامپهای مایکرو ویو استفاده میشود طوری که تقریبا نیمی از لامپهای مایکروویو سیستم ها را TWT تشکیل میدهد. تحقیق و توسعه در زمینه لامپ های مایکروویو بسیار کند و پرهزینه پیش می رود چراکه دستاوردها در این صنعت با چالش های زیر همراه می باشد:
-1 لامپ های مایکروویو را نمی توان تماماً در رسته محصولات تجاری افراد جامعه - مشابه موبایل، رایانه، یخچال و غیره - دانست لذا بازگشت سرمایه در این محصول با ضریب بازدهی کم همراه خواهد بود و از طرفی چون این محصول در گروه محصولات نظامی قرار می گیرد نمی توان آن را به کشورهای دشمن فروخت لذا بازار هدف بسیار کوچک خواهد شد.
-2 تنوع تخصص دانشمندان این حوزه باید بسیار زیاد باشد. برای مثال ساخت یک آنتن13 - که یک محصول الکترومغناطیسی دیگر در همین باند فرکانسی است - نیازمند یک نخصص ویژه است ولی تیم تحقیق و توسعه لامپ مایکروویو می بایست شامل چندین گرایش برق، فیزیک، شیمی باشد.
-3 بسیاری از مسائل قابل افراز به پروژه هایی هستند که هر یک از این پروژه ها را یک تیم تخصصی خاص انجام میدهد ولی لامپ مایکروویو را نمی توان به تخصص هایی مجزا افراز کرد. لذا تیم تحقیقاتی می بایست از ابتدا تا انتها کار را به صورت گروهی پیش ببرند، بنابراین این گونه مسائل نیازمند روحیه انجام کار گروهی در تک تک افراد هست. در یک جمله می توان گفت لزوم کار گروهی یکی از چالش های ساخت لامپ مایکروویو است.
-4 نبود نرم افزار های شبیه ساز یکی دیگر از مشکلات تحقیقات در حوزه لامپ مایکروویو است. سائلیم که پیش از ساخت نمونه اولیّه با نرم افزار های شبیه ساز شبیه سازی می شوند بسیار موفق تر ساخته خواهند شد.
-5 چرخه بازگشت سرمایه کند در این صنعت از جمله موانع تحقیق و توسعه در این صنعت می باشد.
-6 نتیجه گیری و پیشنهاد
سرمایه گذاری روی تحقیق و توسعه در صنعت مایکروویو بسیار پر هزینه خواهد بود و بازگشت سرمایه آن بسیار کند خواهد بود ولی از آنجایی که الزامات نظامی و غیر نظامی ما را مجبور به پیشرفت در این حوزه می کند، راهی جز سرمایه گذاری در این صنعت نخواهیم داشت. برای کاهش هزینه و افزایش بهره وری پیشنهاد می شود تیم های تحقیقاتی مشترکی بین کشورهای مشترک المنافع تشکیل شود. با این کار ضمن بالا رفتن سرمایه گذاری اولیّه می توان انتظار داشت کشورهای مختلف از دانش و ایده یکدیگر استفاده کرده و این استفاده موجب هم افزایی گردد.
