發(fā)射機(jī)行波管修理研究

陳 媛，龐 朋

江蘇金陵機(jī)械制造總廠，江蘇南京 210000

發(fā)射機(jī)行波管修理研究

陳 媛，龐 朋

江蘇金陵機(jī)械制造總廠，江蘇南京 210000

本文介紹了滿足發(fā)射機(jī)行波管應(yīng)用設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的相關(guān)技術(shù)，介紹了行波管在發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用與保護(hù)、更換行波管、系統(tǒng)調(diào)試及行波管日常維護(hù)等注意事項(xiàng)。

發(fā)射機(jī)；行波管；修理維護(hù)

在雷達(dá)、電子對抗和通信設(shè)備等領(lǐng)域，行波管發(fā)射機(jī)因具有頻帶寬、輸出功率大、頻譜純度高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。而行波管發(fā)射機(jī)的構(gòu)造復(fù)雜，供電電路電壓高，絕緣和散熱也不容忽視，因此行波管更換調(diào)試存在較大困難。

軍用行波管對其體積和重量的要求較其他的高得多。在實(shí)際應(yīng)用過程中，由于制造技術(shù)不完善及使用不當(dāng)導(dǎo)致真空器件的壽命較短，維修發(fā)射機(jī)過程中更換行波管還是比較普遍的。

1 系統(tǒng)概述

柵控行波管是行波管中應(yīng)用較為廣泛的一種，典型的柵控行波管發(fā)射機(jī)由行波管、脈沖調(diào)制器、高壓電源、燈絲調(diào)制電源、控制與保護(hù)系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等組成。

1.1 行波管

行波管（TWT）是整個(gè)發(fā)射機(jī)的核心部件，其信號(hào)放大功能是通過諧振腔內(nèi)電子注和高頻電磁波相互作用進(jìn)行能量交換而實(shí)現(xiàn)的。其行波管結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 行波管結(jié)構(gòu)示意圖

行波管能量變換只有在電子速度與微波傳輸速度接近的情況下才能實(shí)現(xiàn)。電子束經(jīng)電場加速進(jìn)入慢波電路，首先在微波場作用下形成速度調(diào)制，然后繼續(xù)向前并逐漸形成密度調(diào)制，此時(shí)大部分電子群聚于減速場中，且滯留時(shí)間較長。因此，電子束動(dòng)能部分轉(zhuǎn)化為微波場的能量，使微波信號(hào)得到放大。交換完能量的電子最后由收集極收集。

1.2 脈沖調(diào)制器

脈沖調(diào)制器主要用于調(diào)制行波管電子注的通斷。其工作原理為：由信號(hào)處理機(jī)送來的定時(shí)信號(hào)，經(jīng)預(yù)調(diào)脈沖放大電路的接收、控制和放大，送至高電位隔離脈沖變壓器，在脈沖變壓器輸出驅(qū)動(dòng)開啟管和截尾管的脈沖信號(hào)，控制調(diào)制器生成柵極脈沖。脈沖調(diào)制器基本原理如圖2所示。

圖2 脈沖調(diào)制器原理框圖

1.3 高壓電源

高壓電源（HVPS）為行波管提供工作電源。高壓電源的電路框圖如圖3所示，它的工作原理為：交流三相115V電壓經(jīng)整流、防沖濾波后變成約270V的直流電壓，后級(jí)逆變器將270V的直流電壓變頻后形成120kHz～200kHz高頻交流電壓，高頻變壓器升壓及高壓整流濾波后，形成行波管陰極工作的-15kV的高壓。

圖3 高壓電源原理圖

高壓側(cè)的采樣電阻器上形成反饋信號(hào)并與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行相比較，比較結(jié)果送到誤差放大器放大后送至PWM控制器，PWM控制器通過調(diào)頻、調(diào)寬來進(jìn)行穩(wěn)壓。

1.4 燈絲調(diào)制電源

采用燈絲是為了給陰極加熱，保證陰極以需要的速率發(fā)射電子。但燈絲冷態(tài)時(shí)具有低阻特性，因此燈絲電源應(yīng)有限流的能力以限制電路啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流。同時(shí)，燈絲熱態(tài)時(shí)其阻抗會(huì)增加，燈絲必須工作在恒流狀態(tài)以保證燈絲的熱量。因此，燈絲電源應(yīng)具有限流和恒流兩個(gè)特性。常用的燈絲電源是一個(gè)以陰極為地（既浮在陰極高電位上）的低壓電源，所以在低壓狀態(tài)下可以先完成燈絲電源的電壓調(diào)試。

1.5 控制與保護(hù)

發(fā)射機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要完成控制發(fā)射機(jī)的開/關(guān)機(jī)、檢測工作狀態(tài)并進(jìn)行指示、故障判定，發(fā)射機(jī)與雷達(dá)航電系統(tǒng)的通信也是由監(jiān)控系統(tǒng)完成。發(fā)射機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由CPU、監(jiān)控電路和可編程器件（CPLD）來共同實(shí)現(xiàn)。其原理如圖4所示。

圖4 控制與保護(hù)原理框圖

2 更換行波管后系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)

發(fā)射機(jī)修理過程中更換行波管占相當(dāng)一份比例，除了行波管到壽（正常使用的情況下，行波管壽命可到1 000小時(shí)）外，還有長時(shí)間不用導(dǎo)致行波管失效、通電異常等導(dǎo)致行波管失效。更換行波管后，要對整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)重新調(diào)試集成。

行波管發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的集成實(shí)現(xiàn)是形成最終產(chǎn)品交付用戶過程中最重要的一環(huán)，還是檢驗(yàn)發(fā)射機(jī)性能指標(biāo)是否滿足要求和評(píng)價(jià)其質(zhì)量優(yōu)劣的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。系統(tǒng)集成調(diào)試分3個(gè)階段。首先，各類組件的調(diào)試集成；其次，整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試集成；最后進(jìn)行系統(tǒng)測試。

2.1 各組件模塊的調(diào)試實(shí)現(xiàn)

在發(fā)射機(jī)集成聯(lián)試之前，首先應(yīng)將高壓電源組件、燈絲調(diào)制組件及低壓控保等組件進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試，使其滿足相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)要求。各電源組件的調(diào)試通常分為2個(gè)階段。首先，接負(fù)載調(diào)試，要求電源輸出的各項(xiàng)參數(shù)滿足行波管的具體指標(biāo)要求并在電阻負(fù)載下進(jìn)行老練；其次，在電源各參數(shù)調(diào)試正常的情況下，進(jìn)行空載通電調(diào)試（既不接負(fù)載調(diào)試），并保證各項(xiàng)參數(shù)與負(fù)載狀態(tài)基本一致。

新的行波管在裝機(jī)前要先測量其靜態(tài)值，包括陰極對柵極、柵極對地、收集極對地的絕緣電阻，使用數(shù)字兆歐表對上述各級(jí)之間打500V耐壓。這里要注意，陰極對地不能測絕緣，陰極對地的電阻可以用電橋來測得。預(yù)防級(jí)間有毛刺導(dǎo)致上高壓打火。

2.2 發(fā)射機(jī)系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)

在各級(jí)組件調(diào)試完成后，可進(jìn)行發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的集成。根據(jù)行波管工作狀態(tài)參數(shù)的要求。應(yīng)先調(diào)整好正負(fù)偏電壓、燈絲電壓、螺旋線電壓使其與行波管相匹配。

保證冷卻系統(tǒng)正常工作的情況下，按圖連接好定向耦合器、射頻負(fù)載和相應(yīng)的測試儀表示波器、功率計(jì)等，進(jìn)行通電調(diào)試。最后進(jìn)行故障模擬，檢驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)是否能夠完好地做出相應(yīng)的故障保護(hù)。

各項(xiàng)技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)滿足要求后再對發(fā)射機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行拷機(jī)。

圖5 發(fā)射機(jī)系統(tǒng)測試原理圖

2.3 系統(tǒng)測試

發(fā)射系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)測試是發(fā)射機(jī)行波管修理過程中最后的也是最重要的一步。隨著測試技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，各類先進(jìn)的高精度儀表和設(shè)備的使用，大大提高了測試精度，降低人為因素帶來的誤差。測試時(shí)要重點(diǎn)關(guān)注功率測試和發(fā)射機(jī)整機(jī)效率測試。

2.3.1 功率測試

脈沖功率和平均功率存在確定關(guān)系，即：

按以往修理發(fā)射機(jī)經(jīng)驗(yàn)看，影響行波管發(fā)射機(jī)輸出功率的主要因素有以下幾種情況：

1）柵控行波管調(diào)制電壓，直接影響電子注的發(fā)射；2）柵控行波管燈絲電壓，決定燈絲加熱效果；

3）高穩(wěn)定度的高壓電源，保證各種工作條件下能量的轉(zhuǎn)換；

4）射頻信號(hào)輸入，關(guān)系到行波管的飽和增益；5）射頻輸出系統(tǒng)的駐波變化，關(guān)系到微波能量能否正常傳輸。

對其可能的原因做出適當(dāng)調(diào)節(jié)或調(diào)整，使其完全滿足頻帶內(nèi)功率要求。

2.3.2 發(fā)射機(jī)整機(jī)效率測試

發(fā)射機(jī)效率計(jì)算公式如下，其中P1～P11為11個(gè)頻點(diǎn)的功率，P-為115V/400Hz中頻電源的消耗功率，P+為直流28V電源的消耗功率。

發(fā)射機(jī)整機(jī)效率不僅與發(fā)射機(jī)電源的效率有關(guān)，并且取決于行波管自身的工作效率。將與行波管的各極電壓相匹配的電壓值調(diào)到與其出廠額定值一致，可以讓行波管工作在最佳狀態(tài)，從而提高行波管的工作效率。

3 行波管保養(yǎng)維護(hù)

穩(wěn)定的產(chǎn)生和維持電子注是行波管正常工作和保持壽命的關(guān)鍵，電子注由電子槍預(yù)熱在陰極電壓作用下發(fā)射產(chǎn)生，因此陰極電壓穩(wěn)定是行波管工作的必要條件。行波管出廠前，經(jīng)過激活、老練后，腔內(nèi)具有較高的真空度，陰極表面具有活性良好的發(fā)射面。長期存放，一方面陰極表面的活性物質(zhì)會(huì)流失，表面氧化，俗稱陰極中毒。另一方面，行波管的真空度也會(huì)發(fā)生微小變化。因此行波管需要定期加電老煉使陰極表面重新激活，真空度得以提升。

存放的行波管應(yīng)每隔半年進(jìn)行一次老煉。老煉時(shí)應(yīng)保持散熱環(huán)境良好，然后對行波管加電工作，每次老練時(shí)間大概4～8小時(shí)。

4 結(jié)論

本文對行波管發(fā)射機(jī)的原理組成進(jìn)行介紹，同時(shí)介紹了發(fā)射機(jī)在更換行波管后集成調(diào)試的方法和具體步驟。其他行波管發(fā)射機(jī)也可以借用或借鑒其中的系統(tǒng)調(diào)試和行波管保養(yǎng)維護(hù)方法。隨著國防意識(shí)逐步加強(qiáng)，軍用裝備使用率也越來越高，行波管使用效率也會(huì)相應(yīng)增加，這對我們航修人提出了更高要求。

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A

1674-6708（2016）177-0056-02

陳媛，雷達(dá)工程師，雷達(dá)專業(yè)技術(shù)員，研究方向?yàn)檐娪脵C(jī)載雷達(dá)發(fā)射機(jī)和電源。龐朋，工程師，雷達(dá)現(xiàn)場技術(shù)員，研究方向?yàn)楦鳈C(jī)型軍用機(jī)載雷達(dá)發(fā)射機(jī)。