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(duì)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(duì)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(duì)抗裝備的性能。由于目前部分電子對(duì)抗裝備使用、維修單位對(duì)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(duì)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(hào)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(hào)并輸出，實(shí)現(xiàn)微波輸入信號(hào)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(duì)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(duì)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(hào)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(hào)電場獲得能量，減速的電子又將能量還給射頻信號(hào)，完成了射頻信號(hào)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(hào)電場的能量增加，使得射頻信號(hào)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(huì)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(duì)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(hào)，對(duì)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(hào)能量耦合到慢波線上和將已經(jīng)放大的高頻信號(hào)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(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)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(hào)在螺旋線內(nèi)部實(shí)現(xiàn)電磁能量交換，對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(jí)調(diào)壓并能實(shí)時(shí)監(jiān)測的行波管調(diào)試臺(tái)，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(duì)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(tái)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(jí)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(tái)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(tái)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(duì)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(huì)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(duì)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(duì)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(hào)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(dòng)，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(dòng)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(duì)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(duì)抗裝備維修中對(duì)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(duì)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(duì)抗裝備的干擾作用距離，延長使用壽命，對(duì)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(duì)行波管的非線形互作用理論研究的不足，對(duì)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(píng)估［C］.包頭:中國電子學(xué)會(huì)真空電子學(xué)分會(huì)第十六屆學(xué)術(shù)年會(huì)，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.