Radar: TWT simulator (1988)

TWT simulator

TNO ontwikkelde in 1988 een zogenoemde “Travelling Wave Tube (TWT)-simulator”. De simulator maakte het mogelijk hoogspanningsvoedingen voor microgolfbuisversterkers uitgebreid te testen, zowel onder bedrijfscondities als onder extreme omstandigheden zoals overbelasting. Hierdoor werd het risico tot een minimum beperkt dat de dure en kwetsbare buisversterker door een foutieve aansturing met de hoogspanning wordt vernield.

Introductie

Voor het opwekken van grotere vermogens in het microgolfgebied werden in 1988 vrijwel zonder uitzondering buisversterkers (Travelling Wave Tubes, magnetrons en klystrons) gebruikt. De belangrijkste kenmerken van dergelijke buisversterkers zijn:

  • een hoge kostprijs (5.000 – 5 miljoen gulden voor een TWT),
  • een hoge benodigde voedingsspanning (enkele tot vele kV),
  • een grote kwetsbaarheid voor onjuiste instelling vanwege het feit dat grote vermogens door een fysiek kleine structuur worden verwerkt.

De voedingsapparatuur bestaat meestal uit:

  • hoogspanningsvoeding(en),
  • modulator,
  • hulpvoedingen, en
  • meet-, controle- en beveiligingscircuits.

Zowel bij de ontwikkeling als bij het onderhoud van dergelijke voedingen is het gebruik van een buissimulator een groot voordeel. Immers, alvorens de dure buis op de voeding aan te sluiten zal men de voeding grondig willen testen, ook onder omstandigheden die normaal gesproken niet zullen voorkomen. Het laatstgenoemde is goed mogelijk met een buissimulator, in tegenstelling tot met een buisversterker. Ook uit financieel oogpunt is dit dus aantrekkelijk.

De TWT-simulator met verwijderde afdekplaat. Afmetingen (lxbxh) : 85x29x12 cm
De TWT-simulator met verwijderde afdekplaat. 40 FET’s van 800 V in serie. Afmetingen (lxbxh)  85 x 29 x 12 cm

TWT’s zijn uitgevonden door Rudi Kompfer die de TWT architectuur beschreef als “pseudo-Gothic-Cotswold”

Het ontwikkelde simulatorsysteem

TNO heeft daarom in 1988 de universele buissimulator ontwikkeld die een TWT vervangt. Door de modulaire opzet was de simulator op eenvoudige wijze geschikt te maken voor andere buistypen. Gangbare TWT-simulatoren op dat moment maakten gebruik van een hoogspanningstriode. De hulpapparatuur voor de triode-instelling zorgde echter voor een groot en log systeem. De geheel in halfgeleidertechniek uitgevoerde simulator die TNO ontwikkelde was daarentegen handzaam en betrouwbaarder door de afwezigheid van hulpapparatuur.

Prototype TWT simulator
Prototype TWT simulator

Het grootste probleem bij de toepassing van halfgeleiders is het feit dat de schakeling moet kunnen werken met een voedingspanning van vele kilovolts. TNO gebruikte een techniek waarbij een willekeurig aantal FET’s in serie wordt gezet. Deze stapeling (‘stack’) van FET’s gedraagt zich als een enkele FET met een zeer hoge toelaatbare drainspanning. Het geheel is onvoorwaardelijk stabiel en vertoont een uitstekend pulsgedrag. De stapeling is daardoor uitermate geschikt als bouwsteen voor een buissimulator. Vrijwel elk type buisversterker kan daarmee worden gesimuleerd. Complexe buisversterkers kan men nabootsen door toepassing van meer stacks. Het gedrag van de stack(s) wordt met een eenvoudig netwerk aangepast aan dat van de buisversterker. De specifieke componenten van het netwerk zijn daarom op een verwisselbare printkaart ondergebracht. De simulator is intern beveiligd zodat de voeding onder geen voorwaarde de simulator kan vernielen. De simulator is wel tot ver buiten de specificaties van de TWT uit te sturen om bijvoorbeeld de beveiligingssystemen van de voeding te kunnen testen.

Als voorbeeld van de prestaties is een TWT buisversterker genomen waarbij de helix en collector zijn doorverbonden. De Vg-lg en Vg-la karakteristieken van de simulator zijn nauwkeurig gelijk aan die van de te simuleren TWT.

Maximale waarden van de te simuleren buis:

  • Spanning 15 kV
  • Stroomsterkte 3 A
  • Pulsduur 6 microsec
  • Frequentie 500 Hz.

De simulator heeft de volgende maximale waarden:

  • Spanning 25 kV / 30 kV non operating
  • Stroomsterkte 20 A begrensd op 6 A
  • Pulsduur 100 microsec, tot 6A 10 msec
  • Frequentie: elke waarde waarvoor het gemiddeld vermogen kleiner is dan 2 kW.