行波管与电源匹配可靠性提升∗

2018-02-07王郑力

舰船电子工程 2018年1期

王郑力

（海军装备部驻重庆地区军事代表局重庆 400042）

1 引言

行波管具有频带宽、效率高、输出功率大等特点，广泛运用于电子干扰和雷达系统中［1～2］。由于行波管真空器件的属性，故障率高、维修性差［3～4］。开机关机时序的不合理、开机关机时间过长、行波管浪涌电流过大等因素［5～6］，都会造成行波管输入、输出天线及螺旋线损坏，使行波管螺流变大、无法正常输出功率，导致发射机故障，影响电子战装备作战效能［7～8］。

总结分析装备监造过程中发射机常见故障，研究行波管及电源故障机理，从设计匹配性的角度出发，通过减少行波管螺旋线的浪涌电流、降低螺旋线动态电流、行波管与整机电源匹配检测、优化电源设计等措施，提升行波管与电源的匹配性，提高装备设计可靠性，从设计源头消除故障隐患。

2 行波管原理

螺旋线行波管在结构上主要包括电子枪、慢波电路、聚焦系统、能量耦合器和收集极等部件［9］。

图1 行波管原理示意图

·电子枪：通过热丝的加热，让阴极达到工作温度，使阴极发射电子；同时建立电子光学透镜，获得需要形状的电子注。

·慢波系统：电子注与慢波电路中的高频场发生相互作用，在同步条件下，使电子注部分直流能量转化为微波场的能量，从而使微波信号得到放大。

·聚焦系统：使电子注在慢波通道内保持所需要的形状，使尽量少的电子轰击螺旋线，形成螺流。

·收集极：回收参与互作用交换后的电子，一般采用降压收集极以提高收集极回收效率，降低功耗［10～11］。

·输入、输出输能部件：输入部件，将微波信号输入到行波管；输出部件，将放大后的微波信号输出到天馈系统［12～13］。

行波管各电极接线示意图，见图2。

图2 行波管电极接线示意图

按照行波管的铭牌值，将行波管各电极电压、电流加到工作点，接入输入信号，即可获得输出功率。

3 常见故障机理分析

在整机应用中，行波管常见故障现象有：1）输入、输出不通；2）螺旋线电流变大，螺流保护。经行波管厂家解剖发现，行波管输入、输出天线已烧断，输入输出接口处部分螺旋线被烧熔；从熔断的痕迹看，有部分行波管是因为电子注轰击造成。这些行波管已被损坏，不能再使用。

图3 天线与螺旋线焊接处示意图

结合返修故障装备质量监督工作实际，本文从以下几个方面进行机理分析。

3.1 行波管加电/关电方式

1）行波管比较适应的加电方式是：

（1）阳极工作模式：加热丝电压的同时将阳极电压和阴极等电位，再建立收集极电压和螺旋线电压，在此加电过程，行波管阳极和阴极之间没有电场作用，阴极不会产生电子发射；然后再启动阳极电压，使阴极产生发射。这样，在整个加电过程中，螺旋线电流峰值较小，不会产生螺旋线浪涌电流对行波管的冲击，而烧毁行波管。

（2）栅控工作模式：加热丝电压的同时将栅极连接到负偏电压，一般小于阴极300V左右；然后建立收集极电压和螺旋线电压；最后导通到栅极正偏，使阴极产生发射。

（3）控制极工作模式：加热丝电压的同时将控制极置于比阴极负1000V左右的电压；然后建立收集极电压和螺旋线电压；再将控制极导通到阴极等电位，使阴极产生发射。

行波管的这几种工作模式，按上述的加电方式，均会使螺旋线电流较小，对行波管的冲击最小。

2）行波管关机方式：按照加电的逆顺序关电。对阳极工作模式，阳极降到阴极等电位；对栅极工作模式，将栅极切换到栅极负偏电压，一般小于阴极300V左右；对控制极工作模式，控制极切换到控制极截止状态，一般比阴极负1000V左右的电压。然后关掉螺旋线电压收集极电压，最后关掉灯丝电压。按这种关机方式，也会使螺旋线浪涌较小，对行波管的冲击较小。

3）在加电和关机时，导通和关掉阳极电压/栅极正偏电压/控制极电压时，有一个延时时间更好，一般为几十毫秒，这样，可以更好地减小螺旋线浪涌电流。

4）在打火保护电路设计时，按照关机方式进行处理。

3.2 整机电源与行波管有效匹配

在整机使用中，有一种工作方式是，先建立阳极和螺旋线之间的压差，然后再开启螺旋线电压和收集极电压。螺旋线电压的建立需要一个过程，建立时间一般是几十毫秒，而行波管在螺旋线电压未完全建立到位之前，具有散焦特性，螺流浪涌较大，超过了正常工作点时的螺流，具体表现就是行波管开机瞬间螺旋线浪涌电流较大，对行波管有一定的冲击。关机过程，也有同样的现象。

因此，需要行波管进行匹配，减少开机、关机过程中的螺旋线浪涌时间和浪涌的大小，减小对行波管的冲击。

螺旋线浪涌电流，这些电子会对螺旋线产生轰击，此时电子注轰击的部位一般集中在行波管输入部分；当浪涌时间维持时间较长，浪涌电流较大，产生的热量无法迅速被传导出去，就会造成局部温度过高，一种情况会烧毁输入段天线；同时使材料受热放气，阴极接触到这些气体，就会出现中毒现象，阴极一旦出现中毒，电子注的刚性就会变差，大电流负荷下，螺旋线电流就会变大，造成螺流保护现象。

每只行波管的聚焦特性存在一定的差异，在低螺旋线电压下的螺流浪涌的峰值和维持时间不同，产生的电子注轰击也不一样，轰击小的行波管能长时间稳定工作；而浪涌电流大、时间长的在开机瞬间会使行波管受到损伤，容易造成阴极中毒而无法正常工作。

针对这一情况，我们进行了以下试验。用整机电源对故障行波管1#和一只正常行波管2#进行开机加电试验，并用示波器监测行波管在启动过程中螺旋线电流和螺旋线电压的变化，并进行比对。1#故障管的现象为开机多次出现螺流保护现象。

1#行波管的螺流浪涌维持时间超过35ms，阴极电压建立到位所需的时间为30ms。

2#行波管的螺流浪涌维持时间只有15ms，阴极电压建立到所需的时间为30ms。

通过对比我们可以发现，故障管1#的螺流浪涌保持时间是35ms比2#的15ms要长得多。螺流浪涌维持时间越长，电子注轰击天线部位的时间越长，经过多次开机、关机的冲击，使螺旋线局部过热，材料放气，阴极就会出现中毒，电子注刚性就会变差，由此造成螺流保护现象。

部分行波管浪涌时间更长，浪涌电流更大，就会烧毁输入天线，使输入断，不能输出功率而损坏。