行波管與電源匹配可靠性提升?

王鄭力

（海軍裝備部駐重慶地區(qū)軍事代表局 重慶 400042）

1 引言

行波管具有頻帶寬、效率高、輸出功率大等特點，廣泛運用于電子干擾和雷達系統(tǒng)中［1～2］。由于行波管真空器件的屬性，故障率高、維修性差［3～4］。開機關(guān)機時序的不合理、開機關(guān)機時間過長、行波管浪涌電流過大等因素［5～6］，都會造成行波管輸入、輸出天線及螺旋線損壞，使行波管螺流變大、無法正常輸出功率，導(dǎo)致發(fā)射機故障，影響電子戰(zhàn)裝備作戰(zhàn)效能［7～8］。

總結(jié)分析裝備監(jiān)造過程中發(fā)射機常見故障，研究行波管及電源故障機理，從設(shè)計匹配性的角度出發(fā)，通過減少行波管螺旋線的浪涌電流、降低螺旋線動態(tài)電流、行波管與整機電源匹配檢測、優(yōu)化電源設(shè)計等措施，提升行波管與電源的匹配性，提高裝備設(shè)計可靠性，從設(shè)計源頭消除故障隱患。

2 行波管原理

螺旋線行波管在結(jié)構(gòu)上主要包括電子槍、慢波電路、聚焦系統(tǒng)、能量耦合器和收集極等部件［9］。

圖1 行波管原理示意圖

·電子槍：通過熱絲的加熱，讓陰極達到工作溫度，使陰極發(fā)射電子；同時建立電子光學(xué)透鏡，獲得需要形狀的電子注。

·慢波系統(tǒng)：電子注與慢波電路中的高頻場發(fā)生相互作用，在同步條件下，使電子注部分直流能量轉(zhuǎn)化為微波場的能量，從而使微波信號得到放大。

·聚焦系統(tǒng)：使電子注在慢波通道內(nèi)保持所需要的形狀，使盡量少的電子轟擊螺旋線，形成螺流。

·收集極：回收參與互作用交換后的電子，一般采用降壓收集極以提高收集極回收效率，降低功耗［10～11］。

·輸入、輸出輸能部件：輸入部件，將微波信號輸入到行波管；輸出部件，將放大后的微波信號輸出到天饋系統(tǒng)［12～13］。

行波管各電極接線示意圖，見圖2。

圖2 行波管電極接線示意圖

按照行波管的銘牌值，將行波管各電極電壓、電流加到工作點，接入輸入信號，即可獲得輸出功率。

3 常見故障機理分析

在整機應(yīng)用中，行波管常見故障現(xiàn)象有：1）輸入、輸出不通；2）螺旋線電流變大，螺流保護。經(jīng)行波管廠家解剖發(fā)現(xiàn)，行波管輸入、輸出天線已燒斷，輸入輸出接口處部分螺旋線被燒熔；從熔斷的痕跡看，有部分行波管是因為電子注轟擊造成。這些行波管已被損壞，不能再使用。

圖3 天線與螺旋線焊接處示意圖

結(jié)合返修故障裝備質(zhì)量監(jiān)督工作實際，本文從以下幾個方面進行機理分析。

3.1 行波管加電/關(guān)電方式

1）行波管比較適應(yīng)的加電方式是：

（1）陽極工作模式：加熱絲電壓的同時將陽極電壓和陰極等電位，再建立收集極電壓和螺旋線電壓，在此加電過程，行波管陽極和陰極之間沒有電場作用，陰極不會產(chǎn)生電子發(fā)射；然后再啟動陽極電壓，使陰極產(chǎn)生發(fā)射。這樣，在整個加電過程中，螺旋線電流峰值較小，不會產(chǎn)生螺旋線浪涌電流對行波管的沖擊，而燒毀行波管。

（2）柵控工作模式：加熱絲電壓的同時將柵極連接到負偏電壓，一般小于陰極300V左右；然后建立收集極電壓和螺旋線電壓；最后導(dǎo)通到柵極正偏，使陰極產(chǎn)生發(fā)射。

（3）控制極工作模式：加熱絲電壓的同時將控制極置于比陰極負1000V左右的電壓；然后建立收集極電壓和螺旋線電壓；再將控制極導(dǎo)通到陰極等電位，使陰極產(chǎn)生發(fā)射。

行波管的這幾種工作模式，按上述的加電方式，均會使螺旋線電流較小，對行波管的沖擊最小。

2）行波管關(guān)機方式：按照加電的逆順序關(guān)電。對陽極工作模式，陽極降到陰極等電位；對柵極工作模式，將柵極切換到柵極負偏電壓，一般小于陰極300V左右；對控制極工作模式，控制極切換到控制極截止?fàn)顟B(tài)，一般比陰極負1000V左右的電壓。然后關(guān)掉螺旋線電壓收集極電壓，最后關(guān)掉燈絲電壓。按這種關(guān)機方式，也會使螺旋線浪涌較小，對行波管的沖擊較小。

3）在加電和關(guān)機時，導(dǎo)通和關(guān)掉陽極電壓/柵極正偏電壓/控制極電壓時，有一個延時時間更好，一般為幾十毫秒，這樣，可以更好地減小螺旋線浪涌電流。

4）在打火保護電路設(shè)計時，按照關(guān)機方式進行處理。

3.2 整機電源與行波管有效匹配

在整機使用中，有一種工作方式是，先建立陽極和螺旋線之間的壓差，然后再開啟螺旋線電壓和收集極電壓。螺旋線電壓的建立需要一個過程，建立時間一般是幾十毫秒，而行波管在螺旋線電壓未完全建立到位之前，具有散焦特性，螺流浪涌較大，超過了正常工作點時的螺流，具體表現(xiàn)就是行波管開機瞬間螺旋線浪涌電流較大，對行波管有一定的沖擊。關(guān)機過程，也有同樣的現(xiàn)象。

因此，需要行波管進行匹配，減少開機、關(guān)機過程中的螺旋線浪涌時間和浪涌的大小，減小對行波管的沖擊。

螺旋線浪涌電流，這些電子會對螺旋線產(chǎn)生轟擊，此時電子注轟擊的部位一般集中在行波管輸入部分；當(dāng)浪涌時間維持時間較長，浪涌電流較大，產(chǎn)生的熱量無法迅速被傳導(dǎo)出去，就會造成局部溫度過高，一種情況會燒毀輸入段天線；同時使材料受熱放氣，陰極接觸到這些氣體，就會出現(xiàn)中毒現(xiàn)象，陰極一旦出現(xiàn)中毒，電子注的剛性就會變差，大電流負荷下，螺旋線電流就會變大，造成螺流保護現(xiàn)象。

每只行波管的聚焦特性存在一定的差異，在低螺旋線電壓下的螺流浪涌的峰值和維持時間不同，產(chǎn)生的電子注轟擊也不一樣，轟擊小的行波管能長時間穩(wěn)定工作；而浪涌電流大、時間長的在開機瞬間會使行波管受到損傷，容易造成陰極中毒而無法正常工作。

針對這一情況，我們進行了以下試驗。用整機電源對故障行波管1#和一只正常行波管2#進行開機加電試驗，并用示波器監(jiān)測行波管在啟動過程中螺旋線電流和螺旋線電壓的變化，并進行比對。1#故障管的現(xiàn)象為開機多次出現(xiàn)螺流保護現(xiàn)象。

1#行波管的螺流浪涌維持時間超過35ms，陰極電壓建立到位所需的時間為30ms。

2#行波管的螺流浪涌維持時間只有15ms，陰極電壓建立到所需的時間為30ms。

通過對比我們可以發(fā)現(xiàn)，故障管1#的螺流浪涌保持時間是35ms比2#的15ms要長得多。螺流浪涌維持時間越長，電子注轟擊天線部位的時間越長，經(jīng)過多次開機、關(guān)機的沖擊，使螺旋線局部過熱，材料放氣，陰極就會出現(xiàn)中毒，電子注剛性就會變差，由此造成螺流保護現(xiàn)象。

部分行波管浪涌時間更長，浪涌電流更大，就會燒毀輸入天線，使輸入斷，不能輸出功率而損壞。

3.3 行波管自身缺陷造成輸入、輸出天線和螺旋線燒毀

1）輸入、輸出天線焊接不牢靠

行波管螺旋線輸入、輸出與天線焊接處不可靠，在經(jīng)受電子轟擊時，自身的承受能力不夠，使焊接處彈開，造成輸入、輸出天線斷。

2）行波管自身絕緣差，高壓打火，造成整機電源的頻繁保護。

3）行波管動態(tài)螺流大造成電源保護。

4 解決措施

1）設(shè)計控制，減少螺旋線的浪涌電流和浪涌時間，優(yōu)化電子光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計，使在低陽極電壓、低螺旋線電壓情況下，電子注有較好的聚焦特性。

2）工藝控制和保證，減少螺旋線的浪涌電流

在行波管調(diào)試中，不僅對陰極電壓、陽極電壓工作點處進行調(diào)試使螺流較小，而且要對低電壓下的狀態(tài)進行調(diào)試和控制，使螺旋線浪涌電流變小、時間變短。

3）篩選控制

在行波管生產(chǎn)過程和檢驗時，使用整機電源對行波管進行匹配檢測，將螺流浪涌過大、時間過長的行波管剔除掉，使螺流浪涌大小和維持時間滿足使用要求，工作穩(wěn)定。

4）提高螺旋線與天線焊接的可靠性

在天線焊接時，控制焊接能量、焊接時間，保證天線焊接的可靠性。

5）整機電源應(yīng)保證合適的延遲時間。

5 結(jié)語

通過減少行波管螺旋線浪涌電流的大小和維持時間、降低螺旋線動態(tài)電流、行波管與整機電源匹配檢測、優(yōu)化電源設(shè)計等措施，提升行波管與電源的匹配性，能夠有效提升發(fā)射機的可靠性，為電子戰(zhàn)裝備可靠性提升設(shè)計和質(zhì)量控制提供有效參考。

同時，提高行波管和整機電源自身的耐壓、抗打火、散熱等能力，也是降低行波管失效率的有效措施。

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