摘要：某型裝備發(fā)射機在末制導(dǎo)攻擊時多采用功率大、體積小、重量輕、增益高的多注速調(diào)管作為功率放大器件，但該型速調(diào)管故障率高發(fā)。本文從失效模式出發(fā)，建立失效分類圖，列舉了陰極中毒導(dǎo)致發(fā)射電流小、輸出功率下降快、腔體頻率偏移、柵流增大導(dǎo)致打火損壞等主要失效模式，開展原因分析，并給出改進(jìn)措施。

　　關(guān)鍵詞：速調(diào)管;發(fā)射機;失效模式;改進(jìn)措施;功率放大

　　1 概述

　　隨著現(xiàn)代軍事科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，在主動制導(dǎo)導(dǎo)引頭研制中，已逐漸使用固態(tài)功率模塊或者相控陣天線技術(shù)替代多注速調(diào)管發(fā)射機系統(tǒng)。為使功率放大器件在功率大、體積小、重量輕、增益高等方面達(dá)到要求，近二十年來大量裝備使用的速調(diào)管發(fā)射機系統(tǒng)由于在使用維護(hù)、返修、大修中經(jīng)常出現(xiàn)質(zhì)量問題，需要不斷質(zhì)量改進(jìn)，完善工藝檢測方法，確保裝備使用可靠性及工作穩(wěn)定性。

　　某型裝備采用多注速調(diào)管發(fā)射機系統(tǒng)(見圖1)，受服役年限增長、環(huán)境復(fù)雜變化、開機使用頻繁等因素影響，故障情況呈現(xiàn)規(guī)律演變。

　　2 失效模式

　　通過對速調(diào)管失效情況的匯總，對多注速調(diào)管存在的失效模式進(jìn)行總結(jié)，并給出失效模式分類圖(見圖2)[1]。

　　故障模式包括：

　　1)速調(diào)管陰極中毒導(dǎo)致發(fā)射電流小;

　　2)自動優(yōu)化過程中速調(diào)管輸出功率下降快;

　　3)速調(diào)管腔體頻率偏移導(dǎo)致速調(diào)管輸出功率小;

　　4)柵流增大導(dǎo)致打火損壞。

　　3 失效原因分析

　　3.1 陰極中毒導(dǎo)致發(fā)射電流小

　　常規(guī)使用的速調(diào)管(如地面雷達(dá)應(yīng)用的)通常帶有可以抽氣的鈦泵。當(dāng)速調(diào)管工作時，同時對鈦泵加電，可將滲入速調(diào)管內(nèi)的氣體吸除，維持管內(nèi)真空度，保證速調(diào)管正常工作。但該型設(shè)備的多注速調(diào)管因使用環(huán)境特殊，不能帶鈦泵，即無法借助外部因素(如鈦泵)維持管內(nèi)真空度，只能靠自身密閉性能來維持管內(nèi)真空度。當(dāng)陰極發(fā)射能力下降時，陰極工作在溫度限制區(qū)域，改變了電子注成形條件，將導(dǎo)致電子注通過率變差，又由于金屬表面出氣，速調(diào)管正離子濃度增加，也會導(dǎo)致電子注通過率變差。因此，對制管所需的各種材料和連接處的焊接效果提出了很高的要求[2]。

　　3.2 自動優(yōu)化過程中速調(diào)管輸出功率下降快

　　速調(diào)管單獨工作時雖然也有陰極發(fā)射電流下降問題，但只要輸入的功率達(dá)到速調(diào)管所需的最佳輸入功率，速調(diào)管就能夠穩(wěn)定地輸出功率。

　　自動優(yōu)化過程中速調(diào)管輸出功率下降快的原因：由于速調(diào)管的陰極發(fā)射電流從開機瞬間到穩(wěn)定工作時變化較大，在此期間導(dǎo)引頭主振源的輸出功率從最小到最大的快速掃描過程中，根據(jù)速調(diào)管的輸出功率的反饋來確定主振源的最佳輸出功率，此后主振源的輸出功率只在此功率值的附近進(jìn)行小范圍調(diào)整。因自動優(yōu)化過程中速調(diào)管陰極發(fā)射電流一直在變化，主振源在快速掃描過程中所確定的輸出功率并不是速調(diào)管陰極發(fā)射電流穩(wěn)定時速調(diào)管所需的最佳輸入功率，再加上主振源的輸出功率只能在此功率值附近進(jìn)行小范圍調(diào)整，因此導(dǎo)致速調(diào)管的輸出功率無法穩(wěn)定。

　　3.3 速調(diào)管腔體頻率偏移導(dǎo)致速調(diào)管輸出功率小

　　速調(diào)管在老煉測試過程中通過微調(diào)各腔體的頻率使速調(diào)管達(dá)到最佳的工作狀態(tài)。微調(diào)各腔體頻率通過安裝在調(diào)諧螺釘上的調(diào)諧螺套來實現(xiàn)，轉(zhuǎn)動調(diào)諧螺套時，調(diào)諧螺釘使調(diào)諧膜片產(chǎn)生變形，改變腔體尺寸從而實現(xiàn)改變腔體頻率的目的。

　　由于調(diào)諧螺釘和調(diào)諧螺套之間的配合不可避免地存在一定的回程差，經(jīng)過外力的作用使得調(diào)諧螺釘?shù)臓顟B(tài)發(fā)生變化，就會導(dǎo)致腔體頻率偏移，使速調(diào)管輸出功率達(dá)不到最佳值。

　　3.4 柵流增大導(dǎo)致打火損壞

　　速調(diào)管工作原理框圖如圖3所示。速調(diào)管陰極使用過程中處于高溫狀態(tài)，長期多次加電后不可避免地會產(chǎn)生少量蒸散物，部分落到柵網(wǎng)上，導(dǎo)致陰極-柵極間耐壓下降，極端情況下可能導(dǎo)致陰柵打火，損壞柵網(wǎng)，使速調(diào)管無法正常工作。

　　

 

　　另外，柵網(wǎng)和陰極罩均為薄壁金屬件，金屬一般為多晶體結(jié)構(gòu)，由晶格組成，其性質(zhì)與晶格結(jié)構(gòu)類型和晶格常數(shù)密切相關(guān)。金屬在高溫狀態(tài)下，由于金屬原子動能的增加，逐步生成新的晶粒，形成新的組織，該過程稱為再結(jié)晶過程。再結(jié)晶結(jié)束后，新的晶粒充滿整個金屬體，若溫度繼續(xù)保持，新生成的晶粒由于大小不一將產(chǎn)生合并現(xiàn)象，導(dǎo)致晶格長大，金屬強度下降。

　　速調(diào)管電子槍的陰極罩工作時處于1000℃以上的高溫狀態(tài)，有利于再結(jié)晶現(xiàn)象的產(chǎn)生。長時間的高溫工作使晶格長大到一定程度后，在機械應(yīng)力及熱應(yīng)力作用下將導(dǎo)致零件沿晶界邊緣開裂，引起陰極-柵極短路。該故障模式也是影響速調(diào)管貯存及使用壽命的重要原因之一。

　　4 改進(jìn)控制措施

　　4.1 陰極中毒的改進(jìn)措施

　　該速調(diào)管整體由金屬陶瓷材料焊接而成，必須保證其具有一定的真空度條件速調(diào)管才能正常工作。各零部件裝配焊接成型后都應(yīng)通過高精度真空檢漏儀嚴(yán)格檢漏，以保證焊縫質(zhì)量;增加控制手段，優(yōu)化排氣工藝，提高排氣后管內(nèi)真空度;通電老練時，制定合理優(yōu)選方案，延長測試?yán)暇殨r間，通過貯存進(jìn)行速調(diào)管內(nèi)真空度變化情況檢驗，定期進(jìn)行電老練[3]。

　　4.2 自動優(yōu)化功率下降快

　　根據(jù)速調(diào)管工作特性，在發(fā)射機系統(tǒng)中設(shè)計有自動優(yōu)化回路，對主振源激勵信號經(jīng)速調(diào)管放大后送往環(huán)形器的探測信號使用檢波二極管進(jìn)行檢波，并將該檢波信號經(jīng)放大后送往數(shù)字比較器，通過與前時刻數(shù)值或額定數(shù)值進(jìn)行比較，進(jìn)而調(diào)整主振源激勵信號的能量，閉環(huán)自動優(yōu)化回路。該回路在發(fā)射機系統(tǒng)開機后的t時間內(nèi)完成優(yōu)化工作，并對優(yōu)化后數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，隨后通過調(diào)用工作曲線轉(zhuǎn)入優(yōu)化回路的跟蹤狀態(tài)[4]。但在少數(shù)情況下，存在速調(diào)管和主振源工作匹配性原因，導(dǎo)致自動優(yōu)化功率下降快。具體改進(jìn)方法為：

　　1)將速調(diào)管和主振源配合工作，重新調(diào)整速調(diào)管的帶寬和所需的最佳輸入功率，改變速調(diào)管的工作狀態(tài)，使其與主振源配合工作時性能得到改進(jìn)，以修正此問題。

　　2)在進(jìn)行速調(diào)管狀態(tài)固化時，適當(dāng)增加速調(diào)管所需的最佳輸入功率，降低速調(diào)管增益，增加速調(diào)管的帶寬，提高速調(diào)管工作的穩(wěn)定性。將速調(diào)管的增益降低3～5dB，速調(diào)管-1dB帶寬調(diào)寬到10%左右，以此增加速調(diào)管的匹配性。

　　3)通過針對速調(diào)管陰極進(jìn)行的大量試驗驗證工作，證明提高速調(diào)管陰極的工作溫度有利于降低陰極發(fā)射電流的變化幅度。故可嘗試進(jìn)行燈絲電壓的調(diào)整，使速調(diào)管工作性能得到一定程度的提升，以滿足發(fā)射機系統(tǒng)工作要求。

　　4.3 頻偏導(dǎo)致功率下降

　　速調(diào)管工作點頻偏與發(fā)射功率降低的現(xiàn)象一致，均為輸出信號功率低，其最大的區(qū)別是工作點偏移可通過調(diào)試腔體上的調(diào)諧螺釘調(diào)至正常工作狀態(tài)。早期產(chǎn)品為了適應(yīng)整機需要，速調(diào)管的帶寬不能調(diào)得很寬，容易導(dǎo)致速調(diào)管的腔體頻率偏移，從而影響速調(diào)管的輸出功率。隨著技術(shù)水平的提高，后期產(chǎn)品可以適當(dāng)增加速調(diào)管的帶寬，帶寬增加后，在工作點附近輸出功率不會明顯受頻率變化的影響。

　　4.4 陰柵打火導(dǎo)致速調(diào)管損壞

　　陰柵打火的主要原因為：該型速調(diào)管采用的調(diào)制方式為柵極調(diào)制，柵極離陰極距離近，陰極為直流高壓，容易發(fā)生打火現(xiàn)象，極易損壞速調(diào)管;速調(diào)管的金屬電極表面存在許多微米級的微突起，其局部電場可能增加幾十至上百倍，當(dāng)超過擊穿電壓時將引發(fā)真空擊穿;速調(diào)管燈絲溫度過高，使陰極表面覆膜蒸散速度過快，蒸散物附著在金屬電極表面時，會導(dǎo)致電極的耐壓性降低，容易引發(fā)打火;陰極表面覆膜蒸散導(dǎo)致陰極耐壓性降低，引發(fā)陰極擊穿;陰極發(fā)出的電子轟擊陽極，陽極局部溫度過高，導(dǎo)致陽極發(fā)生擊穿[5]。

　　陰極蒸散具有以下特點：一是初期蒸散量大，隨時間會緩慢下降并穩(wěn)定;二是隨工作溫度的提高蒸散量上升。為此采取措施：一是增加陰極預(yù)處理工藝，待陰極蒸散量穩(wěn)定后再裝管;二是控制熱絲電流，減少蒸散量;三是通過老練剔除柵流超標(biāo)的產(chǎn)品。

　　晶格增大導(dǎo)致零件老化破損的問題目前還沒有有效的解決措施，但該過程長期而緩慢，目前僅出現(xiàn)3例，失效時使用時間均超過10年。因此，該失效模式不會導(dǎo)致速調(diào)管早期失效，可以滿足整機大修期的使用要求。

　　5 結(jié)束語

　　速調(diào)管是某型裝備導(dǎo)引頭發(fā)射機系統(tǒng)重要分組件之一，掌握其失效模式和故障排除方法對裝備的日常維護(hù)和定期維修具有重要的指導(dǎo)意義。

　　本文通過對多注速調(diào)管失效模式進(jìn)行分析，建立故障樹，對制定改進(jìn)措施起了非常重要的指導(dǎo)作用。同時認(rèn)識到，在同類裝備的國產(chǎn)化研制中，需要加強檢漏技術(shù)方法研究，并側(cè)重研究速調(diào)管與主振源的匹配性和兼容性問題。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]丁耀根.大功率速調(diào)管的設(shè)計制造和應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010：455-458.

　　[2]電子管設(shè)計手冊編輯委員會編.大功率速調(diào)管設(shè)計手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，1979：226-267.

　　[3]機械設(shè)計手冊編委會.機械設(shè)計手冊[M].機械工業(yè)出版社，2005.

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