機(jī)載連續(xù)波行波管維修調(diào)試技術(shù)研究

呂慧權(quán)，于騎兵

(江蘇金陵機(jī)械制造總廠，江蘇 南京 211100)

機(jī)載連續(xù)波大功率行波管是航空電子對抗裝備中的關(guān)鍵器件，由于其無可替代的寬帶特性，在電子對抗裝備中被廣泛使用。行波管的頻率帶寬、發(fā)射功率、噪聲系數(shù)等技術(shù)指標(biāo)水平直接決定了電子對抗裝備的性能。由于目前部分電子對抗裝備使用、維修單位對行波的管理論研究不足，在行波管工作異常時(shí)往往采用換件的的方式進(jìn)行維護(hù)，浪費(fèi)較大。受行波管技術(shù)難度、制造工藝復(fù)雜程度等因素以及其手工操作、單件生產(chǎn)成品率低等生產(chǎn)模式影響，國內(nèi)采購價(jià)格高昂，一般每只需要數(shù)十萬元，國外采購價(jià)格更加昂貴。目前航空電子對抗裝備中的行波管保有量逾千只，艦載、彈載、地面行波管的裝備量更大。因此開展行波管裝備后的維修調(diào)試技術(shù)研究，實(shí)施深化修理具有重要的經(jīng)濟(jì)和軍事意義。

1 連續(xù)波行波管主要工作原理

連續(xù)波行波管是一種特殊的電真空器件，采用螺線狀的慢波結(jié)構(gòu)，一般由電子槍、螺旋線、控制極(陽極或者柵極)、輸入輸出裝置和收集極等部分組成，圖1為連續(xù)波行波管典型結(jié)構(gòu)圖，圖2為連續(xù)波行波管典型電路圖。燈絲電源通過燈絲給陰極加熱，受熱的陰極不斷發(fā)射電子，在陽極的加速作用下，陰極電子槍產(chǎn)生的電子注保持一定的截面形狀通過慢波系統(tǒng)，在電子注通過螺旋線時(shí)產(chǎn)生群聚，群聚過程不斷與輸入沿螺旋線傳播的微波射頻信號相互耦合作用，將高速電子流的部分能量交換給微波射頻信號并輸出，實(shí)現(xiàn)微波輸入信號的放大，而在慢波系統(tǒng)中完成了能量轉(zhuǎn)換任務(wù)的電子注穿出螺旋線后被收集極所收集。

圖1 連續(xù)波行波管典型結(jié)構(gòu)圖

圖2 連續(xù)波行波管典型電路圖

2 連續(xù)波行波管主要故障模式及維修策略

連續(xù)波行波管是電子對抗裝備的高故障率器件，失效模式與失效機(jī)理之間的映射關(guān)系復(fù)雜，產(chǎn)生問題的原因多種多樣。下面以某型行波管作為修理案例對其常見的故障原因和解決方法進(jìn)行分析。

2.1 輸出功率低

在連續(xù)波行波管中，射頻信號以行波的方式沿慢波結(jié)構(gòu)前進(jìn)，在電場的作用下，加速的電子從射頻信號電場獲得能量，減速的電子又將能量還給射頻信號，完成了射頻信號與電子束的能量交換。由于穿過慢波結(jié)構(gòu)的電子的速度低于其進(jìn)入慢波結(jié)構(gòu)時(shí)的初速度，因此能量交換的最終結(jié)果是電子束的能量降低，而射頻信號電場的能量增加，使得射頻信號得以放大，因此陰極電子發(fā)射和電場作用是行波管輸出功率大小的關(guān)鍵因素。行波管陰極的發(fā)射下降是行波管的主要失效模式之一，約占行波管總失效率的30%［1］，主要失效機(jī)理為:一是陰極表面氧化層高溫下蒸發(fā)，此為正常損耗，一般當(dāng)陰極電流下降10%時(shí)，行波管的飽和發(fā)射功率下降約1dB，此時(shí)行波管壽命終了［2］;二是行波管的器壁和電極都會蒸發(fā)出各種有害氣體吸附在陰極表面，造成發(fā)射降低，即陰極中毒;三是陰極材料、覆膜和工藝處理等存在制造缺陷［3］。

實(shí)際維修中的做法是:將燈絲電壓上調(diào)10%(一般供電為6.3V，可上調(diào)至7V左右)，連續(xù)通電1小時(shí)。燈絲電壓的上調(diào)將提高陰極表面的溫度，蒸發(fā)掉行波管陰極氧化物表面附著的有害氣體，激活陰極表面氧化層的活性，恢復(fù)陰極熱電子發(fā)射能力。陰極激活結(jié)束后應(yīng)立即恢復(fù)原燈絲電壓，否則，長時(shí)間在7V左右的燈絲電壓下工作，陰極的發(fā)射加速，損耗加大，陰極將加速老化，縮短行波管的正常使用壽命。

應(yīng)當(dāng)注意的是，行波管貯存期超過六個(gè)月或連續(xù)六個(gè)月未通電的，再次使用通電前，應(yīng)在未加高壓前給熱絲加電老練2小時(shí)。

2.2 帶內(nèi)增益一致性差

連續(xù)波行波管在執(zhí)行電子對抗任務(wù)時(shí)，在全頻帶內(nèi)任意頻率處均能以不小于某固定功率值向外輻射強(qiáng)干擾信號，對行波管的帶內(nèi)一致性有具體要求，一般應(yīng)不大于5 dB，帶內(nèi)一致性差的主要失效機(jī)理為:一是同步電壓偏離，二是輸入輸出裝置駐波失配。其中同步電壓偏離的主要原因是給行波管供電的螺旋線電壓在長時(shí)間工作后電壓參數(shù)發(fā)生漂移，導(dǎo)致傳輸?shù)母哳l電磁波的相速度偏離與電子注的同步速度，電子注與高頻場能不能有效地相互作用而實(shí)現(xiàn)能量交換，即行波管未在最適合的高壓供電環(huán)境下工作;輸入輸出裝置的主要作用是將高頻輸入信號能量耦合到慢波線上和將已經(jīng)放大的高頻信號能量耦合到輸出回路上去，駐波失配的主要原因是高頻輸入輸出接口出現(xiàn)磨損、松動等導(dǎo)致駐波增大，部分頻段或頻點(diǎn)由于反射增大導(dǎo)致行波管帶內(nèi)增益一致性變差。

對于同步電壓偏離的故障，因現(xiàn)役裝備上的行波管除部分管體上自帶額定工作電壓值外，一般均無隨機(jī)履歷文件，在實(shí)際維修中的具體做法是根據(jù)實(shí)際維修經(jīng)驗(yàn)假定額定工作值，并設(shè)置電壓調(diào)整步進(jìn)值，通過反復(fù)實(shí)踐才能確定行波管的同步電壓。

對于輸入輸出裝置駐波失配的故障，實(shí)際維修中是在行波管冷態(tài)下采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對輸入輸出裝置的駐波比進(jìn)行測試，一般輸入輸出駐波均要求不大于2.5。當(dāng)駐波大于2.5時(shí)，應(yīng)打開行波管的輸入輸出裝置，檢查輸入輸出接口是否完好、有無污染，內(nèi)芯是否完整無缺口。如果接口完整無損傷，則應(yīng)測量輸入、輸出內(nèi)導(dǎo)體與行波管外殼地之間的電阻，通常阻值為50Ω，一般不應(yīng)大于100Ω。

在測試中應(yīng)當(dāng)注意，行波管內(nèi)部有周期永磁聚焦系統(tǒng)，高頻信號在螺旋線內(nèi)部實(shí)現(xiàn)電磁能量交換，對磁性物質(zhì)比較敏感，分解、固定需使用非磁性螺釘旋具，在通電測試過程中，其他鐵磁物質(zhì)應(yīng)遠(yuǎn)離行波管管體200mm以外，避免影響技術(shù)指標(biāo)測試，甚至對行波管造成永久性影響。

2.3 高壓放電打火

高壓放電打火是行波管在使用壽命周期內(nèi)的常見故障，其失效機(jī)理主要包括:管體零件吸附的各種固態(tài)和氣態(tài)微粒逸出、管體漏氣、電極表面突起或毛刺、老化不充分、局部極間距離小、極間絕緣變差等［3］。主要表現(xiàn)為在燈絲預(yù)熱后，行波管無法加上高壓;采用高壓探頭、電流表對行波管各極的供電狀態(tài)進(jìn)行檢測，可以發(fā)現(xiàn)螺旋線電壓瞬間掉電，螺旋線電流迅速上升后直接回零，通常在掉電前可聽到吱聲后高壓電源保護(hù);用2500V兆歐表測量行波管各極間及各極對地絕緣電阻值小于1000MΩ。

實(shí)際維修中的做法是:第一步，“打高壓”。選用各極高壓輸出均可無級調(diào)壓并能實(shí)時(shí)監(jiān)測的行波管調(diào)試臺，利用其自保護(hù)功能，采用發(fā)生放電打火的該極額定電壓或0.75倍額定電壓對行波管進(jìn)行多次重復(fù)的“打高壓”。當(dāng)行波管在此電壓值下不再發(fā)生放電打火后，逐步提高行波管的調(diào)試臺的輸出電壓，重復(fù)“打高壓”，直至在1.5倍額定值的情況下行波管不再發(fā)生高壓放電打火為止。第二步，老練。在斷開燈絲電壓的情況下，將各級電壓按照0.75倍、1倍、1.25倍額定電壓供電電壓依次加電，每個(gè)電壓值加電30分鐘，測試加電結(jié)束后的各極絕緣電阻。當(dāng)絕緣電阻恢復(fù)到1000 MΩ后，先加燈絲電壓，預(yù)熱30分鐘后加上額定高壓值，連續(xù)通電2小時(shí)。

與連續(xù)波行波管配套裝備的高壓電源普遍價(jià)格昂貴，本身故障率較高且維修困難，因此連續(xù)波行波管維修調(diào)試一般在綜合調(diào)試臺上進(jìn)行，避免因非正常(故障)行波管的短路、打火或其他原因損壞原配高壓電源［4］，綜合調(diào)試臺的自保護(hù)電路至少應(yīng)具備螺旋線過流保護(hù)、收集極過流保護(hù)以及各極電源對地短路保護(hù)。

2.4 螺旋線不穩(wěn)定或過流保護(hù)

部分行波管在使用過程中存在螺旋線電流過大、不穩(wěn)定或過流保護(hù)等現(xiàn)象，失效機(jī)理為:由于螺旋線存在的色散因素，有少量能量較弱的電子將不能穿過螺旋線而被螺旋線截獲吸收，由此產(chǎn)生了螺旋線電流［5］;其次螺旋線部分發(fā)生彎曲或末端與輸出內(nèi)導(dǎo)體處接觸不良，也會導(dǎo)致駐波比變大或傳輸失配，造成螺旋線電流增大、不穩(wěn)定或過流保護(hù)，一般螺旋線電流要求不大于10mA。

在行波管實(shí)際修理中，首先要排除是否為高壓電源的故障引起。第二步，在現(xiàn)有螺旋線電壓左右各50V范圍內(nèi)對行波管的螺旋線電壓進(jìn)行微調(diào)，降低螺旋線電流。第三步，對以上兩步均無法穩(wěn)定或降低螺旋線的行波管進(jìn)行周期永磁聚焦調(diào)整:在行波管的高頻輸出端接上30 dB的耦合器，將行波管的輸入端口和耦合器輸出端口分別與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的port1和port2口相連，設(shè)置輸入端的高頻信號功率為額定功率值的0.1倍，用小片釤鈷磁鋼在緊貼行波管管體表面緩慢移動，同時(shí)監(jiān)控螺旋線電流和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的S21增益曲線;當(dāng)磁鋼移動到某個(gè)位置發(fā)現(xiàn)螺旋線電流趨于穩(wěn)定或降低，而矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的S21增益曲線沒有明顯變化時(shí)，將該磁鋼臨時(shí)固定在此處;另取其他磁鋼重復(fù)以上調(diào)試工作，直至螺旋線電流滿足要求;微調(diào)各枚磁鋼位置，直至螺旋線電流和S21增益曲線為最佳狀態(tài)，用環(huán)氧樹脂牢固粘接磁鋼。

當(dāng)修理中行波管的增益曲線發(fā)生變化或更換行波管時(shí)，應(yīng)當(dāng)對其前端功率均衡器(如有時(shí))的均衡量進(jìn)行匹配調(diào)整。

3 結(jié)論

基于在機(jī)載電子對抗裝備維修中對連續(xù)波行波管失效機(jī)理和維修策略的經(jīng)驗(yàn)分析和研究，對使用多年后的行波管，采用正確的維護(hù)和調(diào)整手段，有利于提高發(fā)射功率，增加電子對抗裝備的干擾作用距離，延長使用壽命，對從事類似真空電子產(chǎn)品維修保障工作具有較好的借鑒作用。由于對行波管的非線形互作用理論研究的不足，對于連續(xù)波行波管的失效模式和機(jī)理尚需作進(jìn)一步研究。

［1］陶春虎.軍用產(chǎn)品失效分析技術(shù)手冊［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2009.

［2］王輝，李季，閻肅秋.陰極壽命試驗(yàn)評估［C］.包頭:中國電子學(xué)會真空電子學(xué)分會第十六屆學(xué)術(shù)年會，2007.

［3］姚立真.可靠性物理［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004.

［4］謝章貴.螺旋線行波管收集極電源穩(wěn)壓取樣方法螺旋線行波管收集極電源穩(wěn)壓取樣方法［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2008，(5).

［5］羅青.室外大功率行波管發(fā)射機(jī)小型化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［D］.南京:南京理工大學(xué)，2006.