基于空间行波管研制全过程的标准化工作

张朋 张玉芹 刘逸群 成红霞 张晓冉 陈扬

（1工业和信息化部电子第四研究院，北京，100007；2南京三乐集团有限公司，南京，211800）

1 空间行波管特点及存在的问题

空间行波管广泛应用于通信卫星转发器、导航卫星转发器、高速数据传输系统、微波成像仪器、微波遥感仪器和测控系统等卫星有效载荷系统中，用于微波的末级功率放大，其技术性能直接影响各星载系统的指标。

与地面、舰载和机载系统中使用的行波管相比，空间行波管有以下特点[1]：

a）空间能源供给有限，所以要求空间行波管有尽可能高的效率；

b）星载产品不可替换和维修，所以要求空间行波管具备极长的寿命；

c）空间行波管既要能经受住卫星发射时的冲击和振动等机械应力，又需要适应空间环境中的辐照、空间电磁干扰和散热等一系列恶劣条件的影响，所以空间行波管必须有极高的可靠性。

近年来，空间行波管使用需求不断增大，国产空间行波管在性能指标和可靠性方面与国外产品相比还有一定差距；同时，整机生产企业反映国产空间行波管在使用中还存在质量一致性不高和参数离散性大等问题，因此研制单位需要通过加强可靠性设计和过程控制、优化工艺和开展失效分析等措施进行持续改进。

2 基于空间行波管研制全过程的标准化需求

空间行波管研制全过程包括产品设计、产品制造和检验。标准化工作对于保证空间行波管的质量与可靠性具有重要作用。

以往真空电子器件的标准化工作主要集中在对产品的检验考核方面，主要标准有GJB 3312A—2011《微波电子管通用规范》、GJB 3311A—2011《微波电子管测试方法》和GJB 616A—2001《电子管试验方法》，涵盖了对产品的电性能要求、环境适应性要求、质量保证规定、电性能参数测试方法和环境试验方法。以此为基础制定的空间行波管详细规范可全面表征产品性能和可靠性，并为产品的检验考核提供依据。

目前空间行波管在产品设计和制造工艺方面还没形成标准，在行波管的设计和制造工艺过程控制方面加强标准化工作，制定相关标准，可提高产品的固有可靠性，使 “可靠性是设计出来的、制造出来的”得以落实。

3 空间行波管详细规范控制要求

空间行波管详细规范在GJB 3312A—2011等通用要求的基础上，结合使用要求，规定产品的电性能参数、绝对最大额定值、工作条件、一般试验条件、环境试验要求、检验要求、包装和储存要求等。

空间行波管的指标有很多，可以大致分为：主要参数指标、副特性指标、外形指标、电气参量指标、环境适应性指标、寿命指标和适用性指标。

为了全面表征空间行波管性能和可靠性要求，并满足使用要求，空间行波管详细规范应规定的内容见表1。其他内容和格式遵循GJB 3312A—2011的相应要求。

表1 空间行波管详细规范内容

从批量应用和维护角度来说，行波管的一致性越高越好。对整机而言，最重要的是保证行波管各极电压的一致性。这样可降低电源的设计难度、提高电源的通用性，也可使整机装备的维护更加简便。这类指标在详细规范中通常通过工作条件的最大值和最小值表征，差值越小说明一致性越好。

行波管成品率一般作为行波管制造过程的控制评价参数，对于单个产品而言，不作为检验的指标，但从批量生产制造的角度来看，成品率的高低也能反映行波管可靠性和一致性。

4 空间行波管设计规范控制要素

空间行波管通常由电子枪、慢波系统、收集极、聚焦系统、输能系统和外包装组成。设计规范要素要求主要包括：空间行波管的电设计、热设计、力学设计和可靠性设计。

4.1 电设计

电设计包括结构、电气参数和各部件设计。

a）结构设计。主要包括：电子枪结构、螺旋线慢波电路、聚焦方式、收集极降压级数和收集极效率、输能结构、冷却方式、各部件之间的对接方式及重量分配、各部件外形尺寸要求等。

b）电气参数设计。主要包括：电子效率，各级电压、电流、导流系数、阴极支取电流密度，注通道半径，电子注半径，各级收集极电压及电流分配，电子注流通率等。

c）各部件设计。主要包括内容见表2。

表2 空间行波管各部件设计内容

4.2 热设计

热设计要素主要包括：①保证电子枪、螺旋线慢波结构，收集极各部件之间相互焊接连接；②确定慢波电路接触电阻值范围；③确定慢波电路焊接散热片的比例；④收集极内表面单位面积耗散功率⑤收集极外部必须跟底板和盖板焊接，焊接的填充率；⑥确定外部散热。

热设计应使空间行波管能在满足使用要求的环境温度下正常工作。空间行波管温度条件见表3。

表3 空间行波管温度条件

4.3 力学设计

力学设计主要考虑振动、冲击和加速度方面的要求。采用有限元分析方法，结合ANSYS软件验证设计机械应力可靠性，主要对正弦振动、随机振动等试验条件进行分析，分析得出整管最大应力及位置，并综合分析结果进行裕度校核。在设计上可以利用CAD手段验证机械应力设计的准确性。

4.4 可靠性设计

可靠性设计是贯穿空间行波管设计始终的原则，从以下几方面进行空间行波管可靠性分析。

a）在抗力学可靠性设计方面，需进行振动和冲击等仿真分析。通过对行波管关键部件的振动模态分析可以找出引发其谐振响应的最低频率、结构的固有频率，通过冲击分析可以发现薄弱的零件及结构，对相关零部件的优化设计可以提高其机械强度，从而降低行波管因结构原因而引起的故障和失效，有效增加行波管在复杂力学环境下的工作可靠性。

b）热学可靠性设计主要涉及电子枪的耐压及稳定性、高频系统的散热和收集极散热等指标设计。

c）从空间行波管选用的零件、部件及结构的力学和热学等性能成熟度出发，针对固有失效模式，在阴极负荷、热丝通断、输能系统功率容量、工作温度、高压绝缘能力、抗力学环境能力和真空度等方面进行降额设计和验证，使空间行波管远离极限工作状态，提高空间行波管的可靠性。

d）作为全金属陶瓷结构的空间行波管，防泄露和抗干扰能力强。电磁兼容设计主要分析射频连接器、低频导线等的影响。

e）空间行波管对静电不敏感，在设计时主要需要考虑外壳金属之间实现良好搭接，在满足功能要求的前提下优先选用抗静电能力强的零部件。

f）空间行波管主体为金属陶瓷结构，不是辐照敏感器件。抗辐照设计主要体现在材料和零部件的选取，例如：硅橡胶、导热绝缘胶、电极引线等，需要选择具有抗辐照能力的材料，电极引线外部安装热缩管以提高抗辐照性能。

5 空间行波管工艺规范控制要素

5.1 空间行波管工艺流程

空间行波管制造工艺复杂，工艺流程简图如图1所示。

图1 工艺流程简图

由工艺流程图可以看出，从原材料采购到零件加工、部件装配、整管排气、测试、老炼、试验等全过程，包含多个质控点、检验点，都属于工艺规范的要素范畴。

5.2 关键工艺及控制要求

通过对空间行波管工艺对于产品性能以及可靠性的影响进行分析，梳理空间行波管制造过程六大关键工艺：①电子枪装配工艺；②螺旋线装配工艺；③收集极装配工艺；④冷测工艺；⑤排气工艺；⑥热测工艺。

在关键工艺的执行过程中，设置相关关键检验点，按照关键检验点的要求严格执行检验要求，100%剔除不合格品。同时可以按照用户要求设置相关强制检验点，由用户单位直接参与强制检验单元的检验。

5.3 工艺规范总体提纲

研究确定各工艺规范标准总体提纲，包括范围、引用文件、术语和定义、一般要求、工艺要求、工艺质量检验记录等要求，如图2所示。

图2 工艺规范总体提纲

为了保证空间行波管的质量与可靠性，标准不仅需要规定对产品进行合适的考核以证实其性能满足要求，还要注重关键部件和关键工艺的考核要求和方法，更要从产品设计要素和工艺要素入手，一方面通过深化详细规范控制要求，另一方面逐步形成空间行波管设计规范和工艺规范。目前形成的空间行波管设计要素和工艺要素控制要求，经研制单位试行后，认为对提高产品的成品率和质量一致性具有很好的促进作用。今后将继续开展更为深入的研究工作，尽早将研究成果固化为标准，推动行业总体质量水平提升。