发射机行波管修理研究

2016-02-09陈媛，庞朋

科技传播 2016年24期

关键词：行波管高压电源灯丝

陈媛，庞朋

江苏金陵机械制造总厂，江苏南京 210000

发射机行波管修理研究

陈媛，庞朋

江苏金陵机械制造总厂，江苏南京 210000

本文介绍了满足发射机行波管应用设计与实现的相关技术，介绍了行波管在发射机中的应用与保护、更换行波管、系统调试及行波管日常维护等注意事项。

发射机；行波管；修理维护

在雷达、电子对抗和通信设备等领域，行波管发射机因具有频带宽、输出功率大、频谱纯度高等优点而被广泛应用。而行波管发射机的构造复杂，供电电路电压高，绝缘和散热也不容忽视，因此行波管更换调试存在较大困难。

军用行波管对其体积和重量的要求较其他的高得多。在实际应用过程中，由于制造技术不完善及使用不当导致真空器件的寿命较短，维修发射机过程中更换行波管还是比较普遍的。

1 系统概述

栅控行波管是行波管中应用较为广泛的一种，典型的栅控行波管发射机由行波管、脉冲调制器、高压电源、灯丝调制电源、控制与保护系统和冷却系统等组成。

1.1 行波管

行波管（TWT）是整个发射机的核心部件，其信号放大功能是通过谐振腔内电子注和高频电磁波相互作用进行能量交换而实现的。其行波管结构示意图如图1所示。

图1 行波管结构示意图

行波管能量变换只有在电子速度与微波传输速度接近的情况下才能实现。电子束经电场加速进入慢波电路，首先在微波场作用下形成速度调制，然后继续向前并逐渐形成密度调制，此时大部分电子群聚于减速场中，且滞留时间较长。因此，电子束动能部分转化为微波场的能量，使微波信号得到放大。交换完能量的电子最后由收集极收集。

1.2 脉冲调制器

脉冲调制器主要用于调制行波管电子注的通断。其工作原理为：由信号处理机送来的定时信号，经预调脉冲放大电路的接收、控制和放大，送至高电位隔离脉冲变压器，在脉冲变压器输出驱动开启管和截尾管的脉冲信号，控制调制器生成栅极脉冲。脉冲调制器基本原理如图2所示。

图2 脉冲调制器原理框图

1.3 高压电源

高压电源（HVPS）为行波管提供工作电源。高压电源的电路框图如图3所示，它的工作原理为：交流三相115V电压经整流、防冲滤波后变成约270V的直流电压，后级逆变器将270V的直流电压变频后形成120kHz～200kHz高频交流电压，高频变压器升压及高压整流滤波后，形成行波管阴极工作的-15kV的高压。

图3 高压电源原理图

高压侧的采样电阻器上形成反馈信号并与基准电压进行相比较，比较结果送到误差放大器放大后送至PWM控制器，PWM控制器通过调频、调宽来进行稳压。

1.4 灯丝调制电源

采用灯丝是为了给阴极加热，保证阴极以需要的速率发射电子。但灯丝冷态时具有低阻特性，因此灯丝电源应有限流的能力以限制电路启动时的浪涌电流。同时，灯丝热态时其阻抗会增加，灯丝必须工作在恒流状态以保证灯丝的热量。因此，灯丝电源应具有限流和恒流两个特性。常用的灯丝电源是一个以阴极为地（既浮在阴极高电位上）的低压电源，所以在低压状态下可以先完成灯丝电源的电压调试。

1.5 控制与保护

发射机监控系统主要完成控制发射机的开/关机、检测工作状态并进行指示、故障判定，发射机与雷达航电系统的通信也是由监控系统完成。发射机监控系统由CPU、监控电路和可编程器件（CPLD）来共同实现。其原理如图4所示。

图4 控制与保护原理框图

2 更换行波管后系统集成实现

发射机修理过程中更换行波管占相当一份比例，除了行波管到寿（正常使用的情况下，行波管寿命可到1 000小时）外，还有长时间不用导致行波管失效、通电异常等导致行波管失效。更换行波管后，要对整个发射系统重新调试集成。

行波管发射机系统的集成实现是形成最终产品交付用户过程中最重要的一环，还是检验发射机性能指标是否满足要求和评价其质量优劣的关键环节。系统集成调试分3个阶段。首先，各类组件的调试集成；其次，整个系统的调试集成；最后进行系统测试。

2.1 各组件模块的调试实现

在发射机集成联试之前，首先应将高压电源组件、灯丝调制组件及低压控保等组件进行单独调试，使其满足相应技术指标要求。各电源组件的调试通常分为2个阶段。首先，接负载调试，要求电源输出的各项参数满足行波管的具体指标要求并在电阻负载下进行老练；其次，在电源各参数调试正常的情况下，进行空载通电调试（既不接负载调试），并保证各项参数与负载状态基本一致。

新的行波管在装机前要先测量其静态值，包括阴极对栅极、栅极对地、收集极对地的绝缘电阻，使用数字兆欧表对上述各级之间打500V耐压。这里要注意，阴极对地不能测绝缘，阴极对地的电阻可以用电桥来测得。预防级间有毛刺导致上高压打火。

2.2 发射机系统集成实现

在各级组件调试完成后，可进行发射机系统的集成。根据行波管工作状态参数的要求。应先调整好正负偏电压、灯丝电压、螺旋线电压使其与行波管相匹配。

保证冷却系统正常工作的情况下，按图连接好定向耦合器、射频负载和相应的测试仪表示波器、功率计等，进行通电调试。最后进行故障模拟，检验监控系统是否能够完好地做出相应的故障保护。

各项技战术指标满足要求后再对发射机系统进行拷机。

图5 发射机系统测试原理图

2.3 系统测试

发射系统技术参数测试是发射机行波管修理过程中最后的也是最重要的一步。随着测试技术的不断发展与完善，各类先进的高精度仪表和设备的使用，大大提高了测试精度，降低人为因素带来的误差。测试时要重点关注功率测试和发射机整机效率测试。

2.3.1 功率测试

脉冲功率和平均功率存在确定关系，即：

按以往修理发射机经验看，影响行波管发射机输出功率的主要因素有以下几种情况：

1）栅控行波管调制电压，直接影响电子注的发射；2）栅控行波管灯丝电压，决定灯丝加热效果；

3）高稳定度的高压电源，保证各种工作条件下能量的转换；

4）射频信号输入，关系到行波管的饱和增益；5）射频输出系统的驻波变化，关系到微波能量能否正常传输。

对其可能的原因做出适当调节或调整，使其完全满足频带内功率要求。

2.3.2 发射机整机效率测试

发射机效率计算公式如下，其中P1～P11为11个频点的功率，P-为115V/400Hz中频电源的消耗功率，P+为直流28V电源的消耗功率。

发射机整机效率不仅与发射机电源的效率有关，并且取决于行波管自身的工作效率。将与行波管的各极电压相匹配的电压值调到与其出厂额定值一致，可以让行波管工作在最佳状态，从而提高行波管的工作效率。

3 行波管保养维护

稳定的产生和维持电子注是行波管正常工作和保持寿命的关键，电子注由电子枪预热在阴极电压作用下发射产生，因此阴极电压稳定是行波管工作的必要条件。行波管出厂前，经过激活、老练后，腔内具有较高的真空度，阴极表面具有活性良好的发射面。长期存放，一方面阴极表面的活性物质会流失，表面氧化，俗称阴极中毒。另一方面，行波管的真空度也会发生微小变化。因此行波管需要定期加电老炼使阴极表面重新激活，真空度得以提升。

存放的行波管应每隔半年进行一次老炼。老炼时应保持散热环境良好，然后对行波管加电工作，每次老练时间大概4～8小时。