多注速調(diào)管發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化探討

南京電子技術(shù)研究所 柳尚光

本文基于多注速調(diào)管發(fā)射機(jī)的實(shí)踐，給出了此類(lèi)發(fā)射機(jī)的工程化改進(jìn)思路和方案。應(yīng)用高次模的多注速調(diào)管、高壓一體化方案、干式冷卻技術(shù)、頻譜試驗(yàn)成果等，提高了多注速調(diào)管發(fā)射機(jī)的適應(yīng)性和先進(jìn)性。

引言：多注速調(diào)管是一種基于速度調(diào)制原理將電子注能量轉(zhuǎn)換成微波能量的真空電子器件。電子注的形成、電子注與微波場(chǎng)的互作用、電子剩余能量的耗散和微波能量的輸出是在相互分離的空間中進(jìn)行的，而且高頻互作用系統(tǒng)是分離的諧振腔。因而它具有高功率、高增益、高效率、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)。

配備多注速調(diào)管作為核心放大器件的雷達(dá)發(fā)射機(jī)，一般采用先進(jìn)的零電壓移相式全橋脈寬調(diào)制高壓電源和固態(tài)調(diào)制器。在使用中，發(fā)射機(jī)的一些問(wèn)題逐漸浮出水面，引起廣大設(shè)計(jì)人員和裝備使用人員的關(guān)注。本文結(jié)合裝備實(shí)踐，從使用過(guò)程中的相關(guān)問(wèn)題著手，給出相關(guān)的工程化思路和方案。

1 多注速調(diào)管發(fā)射機(jī)工作原理

圖1 發(fā)射機(jī)信號(hào)流程圖

發(fā)射機(jī)通常放置在跟蹤饋線(xiàn)發(fā)射艙中，主要由高頻部分、電源部分、全固態(tài)調(diào)制器以及控制全機(jī)的控保電路等組成。射頻信號(hào)由頻率源送往前級(jí)放大器放大，經(jīng)多注速調(diào)管放大和高頻元件傳輸，最終到饋線(xiàn)系統(tǒng)。發(fā)射機(jī)的信號(hào)流程見(jiàn)圖1虛線(xiàn)部分。調(diào)制器大量采用了復(fù)合型場(chǎng)控功率器件IGBT串并聯(lián)制作調(diào)制開(kāi)關(guān)。這種固態(tài)開(kāi)關(guān)調(diào)制器不但具有效率高、體積小、重量輕、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，而且使用和維護(hù)費(fèi)用也隨之下降。高壓電源由四臺(tái)逆變器和高壓整流組件構(gòu)成，四臺(tái)逆變器并聯(lián)工作，通過(guò)高壓整流組件進(jìn)行功率合成。

2 速調(diào)管發(fā)射機(jī)典型問(wèn)題

多注速調(diào)管發(fā)射機(jī)經(jīng)過(guò)多年的使用，積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。設(shè)計(jì)、加工、使用和維護(hù)技術(shù)日臻成熟。目前典型的問(wèn)題有速調(diào)管打火、IGBT動(dòng)態(tài)雪崩、耐壓和密封問(wèn)題等。

2.1 多注速調(diào)管打火

多注速調(diào)管具有工作電壓低、瞬時(shí)帶寬寬、效率高、冷卻方便、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，適合在高機(jī)動(dòng)雷達(dá)中使用。但它存在管內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、陰極電流發(fā)射密度大、離子擊穿概率高等不足之處。特別是管內(nèi)打火尤其應(yīng)該關(guān)注。

速調(diào)管打火原因有：電子槍陶瓷絕緣下降、電子槍極間打火、管內(nèi)真空度下降、速調(diào)管陰極工作在溫度限制區(qū)、老練時(shí)間不充分、壽命終止等。生產(chǎn)階段的熱測(cè)和老練可以提高速調(diào)管的可靠性和壽命。一般認(rèn)為，波導(dǎo)打火導(dǎo)致輸出窗片損壞的時(shí)間在幾十μS到幾百μS，因此，速調(diào)管工作時(shí)的波導(dǎo)打火保護(hù)動(dòng)作時(shí)間設(shè)置在10-100μS內(nèi)，可以有效的保護(hù)速調(diào)管。速調(diào)管陰極和陽(yáng)極之間放電機(jī)理是：鋇鎢陰極在發(fā)射電子注的同時(shí)，會(huì)蒸散出諸如鋇的化合物、碳等物質(zhì)。這些蒸散物在真空狀態(tài)下會(huì)擴(kuò)散到聚束極和陽(yáng)極頭上，隨著速調(diào)管工作時(shí)間的加長(zhǎng)，表面蒸散物越來(lái)越多，在不同的高壓下造成陰、陽(yáng)極放電打火。為了有效減少陰極表面多余物質(zhì)的蒸散對(duì)極間耐壓的影響，在制管過(guò)程中，采取電子槍預(yù)除氣工藝。在該工藝中，通過(guò)增加燈絲電流和提高保溫時(shí)間，提前加速陰極表面多余物質(zhì)的蒸發(fā)，從而避免這些物質(zhì)后續(xù)蒸散到整管中造成極間耐壓下降打火。

2.2 IGBT動(dòng)態(tài)雪崩

在逆變器和固態(tài)調(diào)制器中大量使用了IGBT。在高壓大電流的極端條件下，高壓IGBT內(nèi)部出現(xiàn)動(dòng)態(tài)雪崩和電流成絲難以避免。但理想條件下，芯片正面因動(dòng)態(tài)雪崩而形成的電流絲是移動(dòng)的，稱(chēng)為“活絲”。它可以大大緩解局域過(guò)流導(dǎo)致的過(guò)熱問(wèn)題，使芯片溫度分布相對(duì)均勻，有效抑制最高溫升，提高抗動(dòng)態(tài)雪崩的能力。如果電流絲由于某種原因在某處固定不動(dòng)或移動(dòng)緩慢，就構(gòu)成了“死絲”，使局部過(guò)熱形成強(qiáng)烈的熱電正反饋而導(dǎo)致器件燒毀。

基于通過(guò)壽命控制優(yōu)化快速掃出內(nèi)部載流子的理念，新設(shè)計(jì)的3.3kV IGBT模塊具有快速開(kāi)關(guān)和快速恢復(fù)特性。在諧振DC/DC轉(zhuǎn)換器模擬電路中，與傳統(tǒng)高速模塊比，初級(jí)端IGBT的損耗降低15%，次級(jí)端二極管的損耗降低47%。這一設(shè)計(jì)概念也可用于6.5kV IGBT和其他電壓級(jí)別器件。在有源區(qū)采用特殊設(shè)計(jì)和工藝，使有源區(qū)的靜態(tài)擊穿電壓和動(dòng)態(tài)雪崩箝位電壓都低于非有源區(qū)的擊穿電壓，模塊恢復(fù)特性顯然比傳統(tǒng)高速模塊更快。

2.3 高壓連接器耐壓不足

圖2 高壓插頭和插座對(duì)接配合示意圖

高壓部分通過(guò)高壓插座實(shí)現(xiàn)高壓互連。雷達(dá)使用中出現(xiàn)了高壓插頭座故障。插座與對(duì)應(yīng)插頭的配合存在間隙，該間隙處存在的空氣膜使得產(chǎn)品的耐電壓性能降低，從而造成耐壓不合格，高壓擊穿。高壓連接器設(shè)計(jì)要求插頭和插座對(duì)接并鎖緊時(shí)，插座中上基座和插頭中插針套筒的兩個(gè)錐面正好完全貼合并過(guò)盈，形成緊密配合，貼合面所有的空氣被全部排出，產(chǎn)品能夠承受30kV長(zhǎng)時(shí)間高壓而不出現(xiàn)飛弧。

2.4 發(fā)射機(jī)滲油

產(chǎn)生滲油的原因很多，它與密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝、環(huán)境溫度、溫差、密封件的材質(zhì)、密封件的安裝質(zhì)量、油壓的大小、機(jī)械振動(dòng)等等都有密切的關(guān)系?？偨Y(jié)雷達(dá)發(fā)射機(jī)滲油的原因，主要因素有兩種：密封面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理；裝配后密封圈逐漸失去彈性。改進(jìn)方法為：密封圈采用有自密能力的O型密封圈，經(jīng)模具壓制成形；改進(jìn)密封圈裝配工藝，在密封接觸面上均勻涂抹一層密封膠，然后對(duì)稱(chēng)均勻緊固螺釘；改進(jìn)膨脹器，增大膨脹器的變化量，同時(shí)在與膨脹器另一端連通的氣密箱體上增加排氣閥，排氣閥排氣壓力設(shè)置在0.8-1.2個(gè)大氣壓，這樣可保證油箱內(nèi)油壓不會(huì)大于1.2個(gè)大氣壓。

膨脹袋在加工完成后存在沙眼缺陷，后續(xù)長(zhǎng)期使用后，裂紋裂口變大，也會(huì)造成滲油。膨脹袋沙眼滲油原因有：原材料存在雜志、制備流程操作不當(dāng)、轉(zhuǎn)運(yùn)不當(dāng)?shù)取z查可以在明亮環(huán)境下，用放大鏡檢查外觀，不得有裂縫、裂紋、氣眼等微小缺陷；有條件時(shí)，使用充氣工裝，按照要求進(jìn)行檢漏測(cè)試。

3 發(fā)射機(jī)改進(jìn)方案

盡管對(duì)各種問(wèn)題都已經(jīng)有了改進(jìn)措施，仍然需要從頂層方案設(shè)計(jì)上避免問(wèn)題的發(fā)生。

3.1 速調(diào)管改進(jìn)方案考慮

高發(fā)射電流密度和長(zhǎng)壽命陰極、高電子注通過(guò)率的聚焦系統(tǒng)、濾波器加載雙間隙耦合腔寬帶輸出電路是多注管需要解決的問(wèn)題。為了提高工作頻率和輸出功率，正在發(fā)展高次模的多注速調(diào)管。速調(diào)管還需要展寬頻帶，提高效率和可靠性，改進(jìn)加工制造技術(shù)。

例如，對(duì)于脈沖輸出功率200 kw 的C波段多注速調(diào)管，在工作電壓較低的情況下為了減少物質(zhì)蒸散，使陰極電流發(fā)射密度減小，應(yīng)擴(kuò)大陰極面積。本管選擇矩形諧振腔，工作在高次模式，以有效擴(kuò)大漂移頭面積及陰極面積。整管采用28個(gè)電子注，分4組，分別對(duì)應(yīng)于腔內(nèi)TM220模式4個(gè)電場(chǎng)集中區(qū)域。為實(shí)現(xiàn)群聚段寬頻帶，群聚段設(shè)計(jì)9個(gè)諧振腔，輸入系統(tǒng)采用多級(jí)濾波器系統(tǒng)。為擴(kuò)展輸出帶寬，輸出腔采用雙間隙結(jié)構(gòu)、輸出系統(tǒng)采用多級(jí)濾波器系統(tǒng)。

圖3 高壓一體化發(fā)射機(jī)

3.2 高壓一體化方案

高壓一體化是將高壓電源、調(diào)制器、燈絲電源及速調(diào)管等放置于同一油箱中。這樣既減小了發(fā)射機(jī)的體積和重量，還提高了安全性和適應(yīng)性。整機(jī)采用循環(huán)油冷技術(shù)實(shí)現(xiàn)整機(jī)散熱。發(fā)射機(jī)采用直接耦合調(diào)制方式，高壓電源采用全開(kāi)關(guān)高壓電源，調(diào)制器采用了直接耦合類(lèi)型全固態(tài)調(diào)制器。發(fā)射機(jī)體積和重量較小，而且速調(diào)管的工作電壓小于30KV，平均輸出功率小于20KW。有利于實(shí)現(xiàn)小型化、高壓絕緣。采用IGBT“穩(wěn)壓復(fù)合結(jié)構(gòu)”來(lái)解決動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}，大大減小了均壓網(wǎng)絡(luò)所占用的體積空間。檢測(cè)電路采用加直流高壓檢測(cè)主回路電流的方法檢測(cè)調(diào)制器開(kāi)關(guān)的損壞情況。這種檢測(cè)方案不但避免了使用大量的檢測(cè)電路，同時(shí)也使得檢測(cè)的精度大大提高，由原來(lái)的定位到板級(jí)，到現(xiàn)在的定位到開(kāi)關(guān)級(jí)。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后小型化的調(diào)制組件采用“立式”結(jié)構(gòu)，改進(jìn)了均壓網(wǎng)絡(luò)和檢測(cè)電路，使得調(diào)制組件的體積大大減小。

3.3 干式密封絕緣技術(shù)

干式密封絕緣技術(shù)已在在相關(guān)產(chǎn)品中使用，可以考慮代替油冷散熱，克服油冷的滲漏、成本等問(wèn)題。采用特種工藝，實(shí)現(xiàn)大比例硅微粉摻入灌封，使灌封后抗電強(qiáng)度達(dá)20-30KV/mm，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)0.8，完全滿(mǎn)足了現(xiàn)階段絕緣封裝與散熱的需要。

3.4 頻譜特性提升

高壓電源由一系列整流逆變電路構(gòu)成。正弦波電流經(jīng)過(guò)整流后，變成單向脈動(dòng)電流。此電流不再是單一頻率，而是由一直流分量和一系列不同頻率的正弦分量疊加而成。這些電流的高次諧波分量沿著輸電線(xiàn)路產(chǎn)生電磁干擾，影響發(fā)射機(jī)射頻信號(hào)的頻譜質(zhì)量?；诖朔治?，在系統(tǒng)中引入電源濾波器，用于抑制射頻和電磁干擾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)的射頻信號(hào)相噪值提高1-2分貝，略有改善。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，既要使輸出射頻信號(hào)頻譜最優(yōu)，也要盡可能減小損耗，提高發(fā)射機(jī)工作效率。設(shè)計(jì)波形時(shí)，射頻激勵(lì)信號(hào)前后沿避開(kāi)調(diào)制脈沖波形的前后沿，特別是適當(dāng)?shù)剡h(yuǎn)離抖動(dòng)較大的后沿，從而使射頻激勵(lì)信號(hào)在調(diào)制脈沖平頂部分加入的同時(shí)，盡可能拓展射頻激勵(lì)信號(hào)的脈寬，充分提高發(fā)射系統(tǒng)的工作效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)階段大功率雷達(dá)發(fā)射機(jī)在C波段和X波段仍以多注速調(diào)管為主。砷化鎵場(chǎng)效應(yīng)管放大技術(shù)與有源相控陣技術(shù)相結(jié)合，使發(fā)射機(jī)固態(tài)化成為可能。但是，考慮成本、功率和脈沖形式，速調(diào)管發(fā)射機(jī)仍占優(yōu)勢(shì)。兩種體制發(fā)射機(jī)技術(shù)將相互滲透，長(zhǎng)期共存。廣大真空管發(fā)射機(jī)的從業(yè)人員還應(yīng)總結(jié)多年工程經(jīng)驗(yàn)，從效率、可靠性、維修性、適應(yīng)性等方面進(jìn)一步提升發(fā)射機(jī)性能。