某雷達(dá)大功率脈沖行波管可靠性研究

戴春華

(海軍駐揚(yáng)州723所軍事代表室，揚(yáng)州 225001)

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某雷達(dá)大功率脈沖行波管可靠性研究

戴春華

(海軍駐揚(yáng)州723所軍事代表室，揚(yáng)州 225001)

摘要：就各種影響某雷達(dá)大功率脈沖行波管可靠性的因素進(jìn)行研究，通過(guò)分析導(dǎo)致大功率脈沖行波管失效的種類(lèi)和成因，提出了提高設(shè)計(jì)冗余量、優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工藝改進(jìn)、材料選擇和定期維護(hù)等具體的解決手段。

關(guān)鍵詞：雷達(dá);脈沖行波管;可靠性

0引言

目前，隨著戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境的復(fù)雜化，雷達(dá)的威力和精度面臨著巨大的考驗(yàn)，行波管作為雷達(dá)整機(jī)的核心器件，對(duì)于大幅度提升雷達(dá)整機(jī)的性能至關(guān)重要。新材料和新工藝的進(jìn)步，柵控大功率脈沖行波管已經(jīng)發(fā)展到相當(dāng)?shù)乃?，為?shí)現(xiàn)大功率、長(zhǎng)壽命、低噪聲、寬頻帶和高可靠的行波管，在行波管設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的各階段對(duì)工藝、材料和結(jié)構(gòu)等方面應(yīng)嚴(yán)格把關(guān)。圖1為大功率脈沖行波管結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1　大功率脈沖行波管結(jié)構(gòu)示意圖

1國(guó)內(nèi)外大功率脈沖行波管可靠性現(xiàn)狀

我國(guó)的大功率行波管在可靠性數(shù)據(jù)上與美國(guó)和歐洲國(guó)家存在一定的差距，實(shí)際使用情況更是有較大的差距，以某型美國(guó)放大器和國(guó)內(nèi)指標(biāo)相當(dāng)?shù)姆糯笃鞅容^為例，美國(guó)的放大器可連續(xù)20余年工作無(wú)故障，20余年后由于電源故障導(dǎo)致放大器無(wú)法使用，且經(jīng)測(cè)試行波管的各項(xiàng)指標(biāo)均未惡化；而國(guó)內(nèi)的放大器故障頻發(fā)，行波管連續(xù)工作1 000 h都無(wú)法保證。當(dāng)然行波管的可靠性與功率和頻率有關(guān)，功率越大，頻率越高，可靠性越低。如某雷達(dá)用大功率脈沖行波管壽命指標(biāo)為1 000 h，但很少有行波管可以達(dá)到壽命指標(biāo)，該型大部分行波管工作500 h后性能就開(kāi)始下降，少部分行波管壽命只有200 h左右。近幾年，隨著裝備可靠性要求逐步提高，對(duì)行波管的可靠性要求也在逐年提升[1-3]。

2大功率脈沖行波管失效的種類(lèi)和成因

根據(jù)對(duì)應(yīng)用中的某大功率脈沖行波管進(jìn)行失效原因統(tǒng)計(jì)，得到表1。

表1　某大功率脈沖行波管失效原因

從圖2可以看出，陰極發(fā)射能力下降、燈絲斷、偶發(fā)打火等是造成某大功率脈沖行波管失效的主要原因，下面分別對(duì)這幾種失效原因進(jìn)行分析說(shuō)明。

圖2　某大功率脈沖行波管失效原因圖

2.1陰極發(fā)射能力下降

陰極溫度過(guò)高時(shí)，容易造成陰極蒸發(fā)。陰極蒸發(fā)易導(dǎo)致陰極發(fā)射能力下降，進(jìn)而造成射頻功率下降，最終導(dǎo)致行波管失效。影響陰極發(fā)射能力的原因主要有兩方面：(1)陰極材料缺陷，采用不同材料制備的陰極，比如采用A鹽和B鹽制備的陰極，在相同的陰極溫度下，A鹽制備的陰極蒸發(fā)明顯小于B鹽；(2)行波管由于有輸出功率的要求，需提高陰極的溫度，以改善陰極發(fā)射電子的能力，這在短時(shí)間內(nèi)可提高射頻輸出功率，但過(guò)高的陰極溫度容易造成陰極蒸發(fā)，一般來(lái)說(shuō)，陰極的正常工作溫度為1 050 ℃，陰極溫度每升高50 ℃，陰極壽命減半。長(zhǎng)時(shí)間提高陰極溫度，將會(huì)導(dǎo)致行波管迅速失效。圖3為陰極溫度和壽命關(guān)系示意圖。

圖3　陰極溫度和壽命關(guān)系示意圖

2.2熱絲斷

由于熱沖擊或承受電壓過(guò)高易導(dǎo)致熱絲斷故障，該類(lèi)型故障是導(dǎo)致行波管過(guò)早失效的主要原因之一。熱絲熔斷導(dǎo)致熱絲無(wú)法繼續(xù)為陰極加熱，并且無(wú)法進(jìn)行維修，一般情況下，導(dǎo)致熱絲斷主要有3個(gè)方面的原因：(1)焊接原因。熱絲的焊接面由2種不同的材料構(gòu)成，其膨脹系數(shù)不一致。若接觸面焊接不牢，在熱絲受到長(zhǎng)時(shí)間的熱沖擊(如反復(fù)的加電)時(shí)，焊接面處容易出現(xiàn)接觸不良，這時(shí)接觸面上的電阻將逐漸變大，最終熱絲斷開(kāi)造成行波管失效。(2)熱絲電源電壓偏高。熱絲電源電壓偏高易導(dǎo)致熱絲電流過(guò)大，超出熱絲承受范圍，最終由于過(guò)熱等原因?qū)е聼峤z熔斷。(3)材料原因。熱絲的材料如果有雜質(zhì)或氣孔，當(dāng)熱絲有電流通過(guò)時(shí)，電壓和電流應(yīng)力將施加在該處，造成熱絲熔斷，行波管失效。

2.3偶發(fā)打火

偶發(fā)打火會(huì)造成電子槍區(qū)域瞬間真空度下降，致使陰極中毒，表現(xiàn)為陰極受損、發(fā)射電流變小，行波管無(wú)法繼續(xù)使用。打火主要有以下原因：(1)電極表面的微小毛刺、加工過(guò)程中殘留的微小顆粒、生產(chǎn)線(xiàn)不潔凈造成的灰塵、陰極蒸發(fā)在電極表面上形成的松散薄膜、來(lái)自熱絲絕緣陶瓷材料的粒子、化學(xué)刻蝕的殘留粒子都有可能導(dǎo)致真空中的直流擊穿，進(jìn)而導(dǎo)致行波管偶發(fā)打火；(2)行波管內(nèi)無(wú)可避免的會(huì)存在金屬、絕緣體與真空之間的三重交匯點(diǎn)，這種三重交匯點(diǎn)是真空器件最薄弱的環(huán)節(jié)之一，由于該處形成的電子發(fā)射機(jī)理以及絕緣體的表面效應(yīng)，絕緣體表面的擊穿強(qiáng)度要遠(yuǎn)低于真空間隙或等距離的固態(tài)絕緣體，因此在三重交匯點(diǎn)有可能會(huì)出現(xiàn)偶發(fā)打火現(xiàn)象[4]。

2.4電子槍漏電

在電子槍殼封接時(shí)，高溫會(huì)使焊料中的“易于活動(dòng)”的導(dǎo)電物質(zhì)“爬到”高壓絕緣陶瓷的內(nèi)壁。此后，在管子工作過(guò)程中，這些“易于活動(dòng)的物質(zhì)”還要繼續(xù)沿著絕緣陶瓷表面“爬動(dòng)”，進(jìn)一步縮短絕緣距離。同時(shí)，由于陰極物質(zhì)會(huì)不斷蒸發(fā)，進(jìn)一步把導(dǎo)電物質(zhì)附著在電子槍殼絕緣陶瓷的內(nèi)表面上，導(dǎo)電物質(zhì)會(huì)不斷疊加。導(dǎo)電物質(zhì)擴(kuò)散和陰極蒸發(fā)到一定程度便會(huì)造成高壓擊穿。陰極材料不純或制造工藝不嚴(yán)格時(shí)，在工作溫度下陰極蒸發(fā)較為嚴(yán)重。一般來(lái)說(shuō)，這種漏電到擊穿的危險(xiǎn)性隨時(shí)間的推移而上升。

2.5自激振蕩

行波管自激指的是無(wú)激勵(lì)的情況下，行波管輸出有功率，輸出功率的頻點(diǎn)固定。當(dāng)然，行波管自激機(jī)理較為復(fù)雜，自激主要有2個(gè)方面的原因：(1)電參數(shù)設(shè)置不合理，或電源自激振蕩，導(dǎo)致行波管偏離正常工作狀態(tài)；(2)行波管自身設(shè)計(jì)缺陷，高頻系統(tǒng)存在泄漏或存在諧振頻率，導(dǎo)致行波管自激振蕩。

3大功率脈沖行波管可靠性的提高

3.1大功率脈沖行波管設(shè)計(jì)方面

(1) 提高設(shè)計(jì)冗余量,優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)

首先要引入計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段。隨著計(jì)算機(jī)軟件及硬件的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已成為大功率脈沖行波管設(shè)計(jì)的主要手段之一，可以實(shí)現(xiàn)行波管從電子槍到收集極的一體式設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)時(shí)使用多種電磁學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)仿真軟件，模擬行波管在各種環(huán)境條件下的工作狀態(tài)，找到行波管內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的薄弱點(diǎn)，有針對(duì)性地進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化行波管內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以大幅提高行波管使用的可靠性。

(2) 關(guān)鍵材料的選擇及工藝改進(jìn)

某些關(guān)鍵材料(如陰極材料及熱絲材料)的選擇在一定程度上決定了大功率脈沖行波管的壽命，需要結(jié)合行波管特點(diǎn)及實(shí)際使用環(huán)境進(jìn)行選擇，可以在滿(mǎn)足使用的情況下提高行波管的使用壽命及可靠性。

為了預(yù)防打火現(xiàn)象的發(fā)生，需要對(duì)行波管的部分制造工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。如為預(yù)防電子槍漏電，需要在槍殼焊接時(shí)選用溫度較高的焊料來(lái)預(yù)防蒸發(fā)，在上整管前一定要對(duì)電子槍殼進(jìn)行處理，去除因封接帶來(lái)的導(dǎo)電層。對(duì)于蒸發(fā)嚴(yán)重的陰極，在裝管前應(yīng)實(shí)施預(yù)先蒸散的工藝。

圖4為電子槍組件熱、力仿真示意圖，圖5為采用改進(jìn)工藝加工的電子槍電極零件及仿真圖。

圖4　電子槍組件熱、力仿真示意圖

圖5　采用改進(jìn)工藝加工的電子槍電極零件及仿真圖

從圖4、圖5可以看出，通過(guò)工藝改進(jìn)后制作的電子槍電極零件表面非常光潔，通過(guò)對(duì)仿真表面極間電場(chǎng)強(qiáng)度明顯降低，可以減小電子槍打火的概率。

3.2大功率脈沖行波管使用方面

將大功率脈沖行波管的某些故障歸因于管子在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中問(wèn)題的同時(shí)，還有許多故障源于整機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不當(dāng)或保護(hù)功能過(guò)差。此外，還存在著由外部損壞引起的故障，顯然這是由安裝和使用不當(dāng)造成的。因此，為提高行波管的可靠性，合理的使用也很重要。例如：行波管工作時(shí)最佳工作點(diǎn)的測(cè)量及選擇，在使用中用研雙方需要細(xì)化明確陰

極工作點(diǎn)的測(cè)試方法，充分考慮到陰極電壓在發(fā)射機(jī)中的線(xiàn)壓降等影響因素，使行波管工作在最佳狀態(tài)。

大功率脈沖行波管的核心工作區(qū)域?yàn)槌哒婵窄h(huán)境，存在著物理熱電子的發(fā)射、傳輸和接收過(guò)程，有極高的工作電壓和聚焦磁場(chǎng)，有眾多的真空密封焊縫，使用材料涵蓋了70%以上的已知元素等，這些特有的構(gòu)造特點(diǎn)使得行波管存在著苛刻的庫(kù)房及整機(jī)維護(hù)要求。必須按照制造方提供的規(guī)范進(jìn)行例行維護(hù)，才能保證行波管一直處于良好的使用狀態(tài)。

4結(jié)束語(yǔ)

本文分析了國(guó)內(nèi)外大功率行波管的可靠性現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)行波管的可靠性指標(biāo)與歐美國(guó)家行波管還存在一定的差距。重點(diǎn)介紹了導(dǎo)致大功率脈沖行波管失效的主要種類(lèi)，并就行波管可靠性的提高提出了具體的改進(jìn)措施和方向。

參考文獻(xiàn)

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Research into Reliability of High-power Pulse TWT in A Certain Radar

DAI Chun-hua

(Naval Representative Office Based in The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Abstract:This paper studies various factors influencing the reliability of high-power pulse traveling wave tube (TWT) in a certain radar,analyzes the classification and cause leading the failure of high-power pulse TWT,provides specific solution means such as increase of design redundancy,optimization of internal structure,technics improvement,material selection and periodical maintenance,etc.

Key words:radar;pulse traveling wave tube;reliability

收稿日期:2015-10-08

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.06.010

中圖分類(lèi)號(hào)：TN124

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：CN32-1413(2015)06-0039-03