某型空空導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭高頻器件故障分析及處理

崔雙洋 姜飛 倪冬 霍亞璽 付強(qiáng)

摘要：空空導(dǎo)彈中的高頻電子組件主要用于雷達(dá)導(dǎo)引頭或引信，其產(chǎn)生高頻探測(cè)信號(hào)并通過發(fā)送探測(cè)信號(hào)來獲取目標(biāo)信息。本文主要針對(duì)某型空空導(dǎo)彈雷達(dá)引信部分的耿氏振蕩器進(jìn)行原理介紹和故障分析。

關(guān)鍵詞：耿氏振蕩器；耿氏二極管；故障分析；高頻組件

Keywords：gunn oscillator；gunn diode；failure analysis；high frequency component

0 引言

當(dāng)前高頻電子組件已經(jīng)作為一種關(guān)鍵器件廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈發(fā)射設(shè)備中?？湛諏?dǎo)彈雷達(dá)引信的高頻信號(hào)發(fā)生裝置多使用耿氏振蕩器，其將低頻電壓轉(zhuǎn)化為高頻信號(hào)，再通過后端放大、波導(dǎo)傳輸，經(jīng)天線發(fā)射出去，形成標(biāo)準(zhǔn)的探測(cè)信號(hào)，用于搜索、截獲及目標(biāo)跟蹤。

某型空空導(dǎo)彈雷達(dá)引信所用耿氏振蕩器具有功率大、損耗低、泄漏小等優(yōu)點(diǎn)，其設(shè)計(jì)精密、工藝復(fù)雜，主要由耿氏二極管、諧振腔、調(diào)諧桿、調(diào)匹配桿等組成。在修理過程中，引信經(jīng)常出現(xiàn)無信號(hào)輸出、功率低、頻率偏移等現(xiàn)象，故障率較高，因器件精細(xì)，要求有較高的修理精度，實(shí)現(xiàn)起來偏困難。

本文針對(duì)該型高頻器件修理過程中出現(xiàn)的多種故障形式，分析其工作原理，總結(jié)其故障現(xiàn)象和排故方法，以達(dá)到更換最小單元從而提高修理精度、保障導(dǎo)彈質(zhì)量的目的。

1 耿氏二極管及其原理分析

1.1 耿氏效應(yīng)

某些半導(dǎo)體材料在同質(zhì)體中由于電子傳輸機(jī)制，會(huì)產(chǎn)生負(fù)微分電阻特性，這些半導(dǎo)體材料擁有多于一個(gè)的導(dǎo)帶能谷的直接帶隙特性。在這些能谷里面，活動(dòng)的電子密度和有效質(zhì)量各不相同。當(dāng)外加電場(chǎng)強(qiáng)度大于高阻態(tài)所能承受的電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，電子就向高能谷方向轉(zhuǎn)移。電場(chǎng)越強(qiáng)，轉(zhuǎn)移至高能谷的電子數(shù)越多。這種半導(dǎo)體材料存在的現(xiàn)象就叫做耿氏效應(yīng)。

1.2 耿氏二極管產(chǎn)生頻率與功率分析

1）耿氏二極管最高工作頻率分析

電子在轉(zhuǎn)移過程中會(huì)形成偶極疇，一個(gè)疇從陰極向陽極轉(zhuǎn)移時(shí)，一邊生長(zhǎng)一邊漂移，疇從開始漂移達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間即為最高振蕩頻率。最高頻率由谷間傳輸時(shí)間和谷間能量馳豫時(shí)間決定。

2）耿氏二極管功率分析

2 耿氏振蕩器工作原理

2.1 諧振腔

如圖1所示，耿氏振蕩器采用矩形波導(dǎo)與圓柱波導(dǎo)相組合的諧振腔，其內(nèi)部形成電磁振蕩的介質(zhì)區(qū)域，具有儲(chǔ)存電磁能及選擇頻率信號(hào)的特性，相當(dāng)于低頻電路中的LC諧振回路。

諧振腔中的電磁能量關(guān)系類似于LC諧振回路中的能量關(guān)系。在LC振蕩回路中，當(dāng)電路開始振蕩時(shí)，電場(chǎng)能量集中于電容器中，磁場(chǎng)能量集中于電感中。當(dāng)電場(chǎng)能量變大時(shí)，諧振回路將磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換為電場(chǎng)能量，反之亦然。LC諧振回路這樣周而復(fù)始地形成振蕩，諧振腔中的振蕩也是這樣進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，只不過在諧振腔中因工作頻率很高，工作時(shí)電路中元件的工作機(jī)制利用了其寄生的分布效應(yīng)。

2.2 耿氏振蕩器起振條件、平衡條件及穩(wěn)定條件

1）起振條件

一個(gè)有損的振蕩回路受到一個(gè)初始激勵(lì)后產(chǎn)生的自由振蕩是一個(gè)衰減振蕩。如果在該電路中引入一個(gè)負(fù)電阻，用這個(gè)負(fù)電阻提供的能量來補(bǔ)償正電阻所消耗的能量，那么這個(gè)振蕩就可以維持下去，從而形成振蕩波。

耿氏振蕩器的基本原理是用一個(gè)負(fù)阻器件耿氏二極管與一個(gè)有損回路連接（見圖2），利用耿氏二極管表現(xiàn)出來的負(fù)阻特性，提供正電阻所消耗的能量，構(gòu)成負(fù)阻振蕩。

式（14）表明，對(duì)于穩(wěn)定的振蕩，回路的總阻抗必須為零。采用的做法是：調(diào)諧桿和調(diào)匹配桿應(yīng)同步調(diào)整，即調(diào)了“調(diào)諧桿”之后立即調(diào)一下“調(diào)匹配桿”，如此反復(fù)調(diào)整，直到耿氏振蕩器輸出信號(hào)的頻率和功率合格、穩(wěn)定為止。

3）穩(wěn)定條件

在平衡振蕩條件下，如果存在某種因素如外界因素、環(huán)境溫度或電源電壓的波動(dòng)等使振蕩偏離了原來的平衡點(diǎn)，當(dāng)引起的偏離因素消失后，若振蕩器能回到原來的工作點(diǎn)，則稱這樣的工作點(diǎn)為穩(wěn)定工作點(diǎn)，否則稱為非穩(wěn)定工作點(diǎn)。

耿氏二極管的伏安特性曲線如圖4所示。圖4中的直線Ⅰ、直線Ⅱ表示耿氏振蕩器的兩條不同的直流負(fù)載線，直線Ⅰ與耿氏二極管的特性曲線只有一個(gè)交點(diǎn)且處于負(fù)阻區(qū)，假如原先工作點(diǎn)在Q點(diǎn)，由于偶然因素致使供電電壓偏移，但不會(huì)影響耿氏二極管工作在負(fù)阻區(qū)。

直線Ⅱ與耿氏二極管的特性曲線有三個(gè)交點(diǎn)且只有一個(gè)處于負(fù)阻區(qū)，假如原先工作點(diǎn)在Q點(diǎn)，由于偶然因素致使供電電壓偏移至Q′點(diǎn)或Q″點(diǎn)，Q′點(diǎn)或Q″點(diǎn)均處于正阻區(qū)，故會(huì)導(dǎo)致振蕩器停振。因此，為了使耿氏振蕩器能穩(wěn)定振蕩，應(yīng)選擇直流負(fù)載線Ⅰ。

3 常見的故障現(xiàn)象及失效分析

在加電正常情況下，引信經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)無信號(hào)輸出、有信號(hào)但功率低或者頻率偏移、不穩(wěn)定等現(xiàn)象，經(jīng)分析認(rèn)為：有信號(hào)但功率低或者出現(xiàn)頻率偏移現(xiàn)象，大部分是因?yàn)橹C振腔的匹配性不夠或外加電壓不足以使二極管達(dá)到最優(yōu)值。

3.1 耿氏振蕩器無信號(hào)輸出

無信號(hào)輸出情況多半是因?yàn)楣⑹险袷幤鞑黄鹫褚鸬?，將耿氏二極管加管座擰出后一般會(huì)發(fā)現(xiàn)外觀發(fā)黑，用萬用表進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)電阻開路或者短路。

1）耿氏二極管極間短路

某型產(chǎn)品耿氏二極管在之前測(cè)試無故障情況下，在某一次測(cè)試或者裝配后測(cè)試時(shí)出現(xiàn)極間短路情況，經(jīng)失效分析，判定耿氏二極管腔體內(nèi)存在多余物或某些工藝缺陷。一般情況下表現(xiàn)正常，但當(dāng)遇到外界振動(dòng)或者沖擊時(shí)，腔體內(nèi)部多余物或者工藝缺損導(dǎo)致兩級(jí)連接在一起，出現(xiàn)極間短路，從而有大電流經(jīng)過，導(dǎo)致管芯燒毀。

2）耿氏二極管極間斷路

經(jīng)失效分析認(rèn)為極間斷路現(xiàn)象多為金引線與管芯脫開導(dǎo)致，這種情況通常是受到了機(jī)械或者熱應(yīng)力作用。外界溫度的刺激或外部機(jī)械沖擊都有可能引起耿氏二極管斷路。二極管修理時(shí)應(yīng)非常重視這一點(diǎn)，必須確保機(jī)械力和熱應(yīng)力適度。

3.2 耿氏振蕩器輸出功率低、不穩(wěn)定

當(dāng)耿氏振蕩器有功率輸出但功率達(dá)不到技術(shù)指標(biāo)要求時(shí)，可能是外加場(chǎng)強(qiáng)沒有使耿氏二極管達(dá)到最優(yōu)值或耿氏二極管本身性能不好導(dǎo)致其內(nèi)部偶極疇數(shù)量少、傳輸速度慢。

這類情況的判定可以通過調(diào)整外加供電電壓檢測(cè)輸出功率的變化來確定。采用的做法是，在指標(biāo)范圍內(nèi)調(diào)整耿氏振蕩器的供電電壓，若供電電壓調(diào)至V0、V0-0.5V、V0+0.5V時(shí)功率計(jì)讀數(shù)均在1～2MW范圍內(nèi)且頻譜儀讀數(shù)均在f0±45MHz范圍內(nèi)，則認(rèn)為耿氏振蕩器穩(wěn)定工作且V0為其工作電壓，此時(shí)二極管工作正常。如果調(diào)整后仍無法達(dá)到指標(biāo)要求，還可以通過同時(shí)調(diào)整耿氏振蕩器上的調(diào)諧螺釘和調(diào)匹配螺釘來檢測(cè)是否滿足要求，若仍無法滿足要求，則證明該耿氏二極管性能下降，無法繼續(xù)使用。

3.3 耿氏振蕩器輸出頻率偏移

耿氏振蕩器輸出頻率發(fā)生偏移的可能原因是阻抗不匹配或耿氏二極管性能下降。

針對(duì)阻抗不匹配現(xiàn)象，可以通過調(diào)整耿氏振蕩器上的調(diào)諧螺釘和調(diào)匹配螺釘微調(diào)輸出頻率來糾正，如果調(diào)整后輸出仍無法滿足要求，則證明該耿氏二極管性能下降，需更換。

4 拆裝方法

耿氏二極管體積較小，耐熱性較差，修理起來有異于普通器件。為確保裝配時(shí)耿氏二極管性能完好，首先需提高焊接技術(shù)，挑選熟練工作人員，采購(gòu)熱壓焊接器件，焊接時(shí)通過熱壓方式配合焊錫裝入管座中。其次，在拆裝過程中對(duì)操作、焊接過程進(jìn)行管控，對(duì)焊接后的結(jié)果應(yīng)設(shè)立過程檢、內(nèi)控指標(biāo)等多種質(zhì)量管控措施，避免發(fā)生故障。應(yīng)特別注意以下幾點(diǎn)：

1）用沾有無水乙醇的脫脂棉球浸泡管座上方的黃色硝基膠液，2h更換一次脫脂棉球，累計(jì)浸泡時(shí)間不小于12h。

2）耿氏二極管的鍍金層端位于管座外，螺紋端旋于管座內(nèi)，且其尾部與管座焊接，分解耿氏二極管時(shí)須將焊接處的焊錫清理干凈。

3）耿氏二極管裝配前后均用數(shù)字萬用表電阻檔測(cè)量其正反向阻值，阻值均應(yīng)在1～2Ω范圍內(nèi)。

4）耿氏二極管裝配后，焊接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制焊接部位，一方面確保焊接后管座能順利裝至諧振腔內(nèi)，另一方面焊接的可靠性一定要高，確保在振動(dòng)、溫度沖擊和高低溫等環(huán)境條件下不會(huì)出現(xiàn)接觸不良的現(xiàn)象。

5 總結(jié)

本文深入分析了耿氏二極管的工作原理、產(chǎn)生頻率和功率的機(jī)理及在耿氏振蕩器中的應(yīng)用，并將常見故障和失效分析相結(jié)合，探討使用方法和注意事項(xiàng)，為正確使用器件、正確處理問題提供了一定的參考和依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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