行波管與電源匹配可靠性提升?

王鄭力

（海軍裝備部駐重慶地區軍事代表局 重慶 400042）

1 引言

行波管具有頻帶寬、效率高、輸出功率大等特點，廣泛運用于電子干擾和雷達系統中［1～2］。由于行波管真空器件的屬性，故障率高、維修性差［3～4］。開機關機時序的不合理、開機關機時間過長、行波管浪涌電流過大等因素［5～6］，都會造成行波管輸入、輸出天線及螺旋線損壞，使行波管螺流變大、無法正常輸出功率，導致發射機故障，影響電子戰裝備作戰效能［7～8］。

總結分析裝備監造過程中發射機常見故障，研究行波管及電源故障機理，從設計匹配性的角度出發，通過減少行波管螺旋線的浪涌電流、降低螺旋線動態電流、行波管與整機電源匹配檢測、優化電源設計等措施，提升行波管與電源的匹配性，提高裝備設計可靠性，從設計源頭消除故障隱患。

2 行波管原理

螺旋線行波管在結構上主要包括電子槍、慢波電路、聚焦系統、能量耦合器和收集極等部件［9］。

圖1 行波管原理示意圖

·電子槍：通過熱絲的加熱，讓陰極達到工作溫度，使陰極發射電子；同時建立電子光學透鏡，獲得需要形狀的電子注。

·慢波系統：電子注與慢波電路中的高頻場發生相互作用，在同步條件下，使電子注部分直流能量轉化為微波場的能量，從而使微波信號得到放大。

·聚焦系統：使電子注在慢波通道內保持所需要的形狀，使盡量少的電子轟擊螺旋線，形成螺流。

·收集極：回收參與互作用交換后的電子，一般采用降壓收集極以提高收集極回收效率，降低功耗［10～11］。

·輸入、輸出輸能部件：輸入部件，將微波信號輸入到行波管；輸出部件，將放大后的微波信號輸出到天饋系統［12～13］。

行波管各電極接線示意圖，見圖2。

圖2 行波管電極接線示意圖

按照行波管的銘牌值，將行波管各電極電壓、電流加到工作點，接入輸入信號，即可獲得輸出功率。

3 常見故障機理分析

在整機應用中，行波管常見故障現象有：1）輸入、輸出不通；2）螺旋線電流變大，螺流保護。經行波管廠家解剖發現，行波管輸入、輸出天線已燒斷，輸入輸出接口處部分螺旋線被燒熔；從熔斷的痕跡看，有部分行波管是因為電子注轟擊造成。這些行波管已被損壞，不能再使用。

圖3 天線與螺旋線焊接處示意圖

結合返修故障裝備質量監督工作實際，本文從以下幾個方面進行機理分析。

3.1 行波管加電/關電方式

1）行波管比較適應的加電方式是：

（1）陽極工作模式：加熱絲電壓的同時將陽極電壓和陰極等電位，再建立收集極電壓和螺旋線電壓，在此加電過程，行波管陽極和陰極之間沒有電場作用，陰極不會產生電子發射；然后再啟動陽極電壓，使陰極產生發射。這樣，在整個加電過程中，螺旋線電流峰值較小，不會產生螺旋線浪涌電流對行波管的沖擊，而燒毀行波管。

（2）柵控工作模式：加熱絲電壓的同時將柵極連接到負偏電壓，一般小于陰極300V左右；然后建立收集極電壓和螺旋線電壓；最后導通到柵極正偏，使陰極產生發射。

（3）控制極工作模式：加熱絲電壓的同時將控制極置于比陰極負1000V左右的電壓；然后建立收集極電壓和螺旋線電壓；再將控制極導通到陰極等電位，使陰極產生發射。

行波管的這幾種工作模式，按上述的加電方式，均會使螺旋線電流較小，對行波管的沖擊最小。

2）行波管關機方式：按照加電的逆順序關電。對陽極工作模式，陽極降到陰極等電位；對柵極工作模式，將柵極切換到柵極負偏電壓，一般小于陰極300V左右；對控制極工作模式，控制極切換到控制極截止狀態，一般比陰極負1000V左右的電壓。然后關掉螺旋線電壓收集極電壓，最后關掉燈絲電壓。按這種關機方式，也會使螺旋線浪涌較小，對行波管的沖擊較小。

3）在加電和關機時，導通和關掉陽極電壓/柵極正偏電壓/控制極電壓時，有一個延時時間更好，一般為幾十毫秒，這樣，可以更好地減小螺旋線浪涌電流。

4）在打火保護電路設計時，按照關機方式進行處理。

3.2 整機電源與行波管有效匹配

在整機使用中，有一種工作方式是，先建立陽極和螺旋線之間的壓差，然后再開啟螺旋線電壓和收集極電壓。螺旋線電壓的建立需要一個過程，建立時間一般是幾十毫秒，而行波管在螺旋線電壓未完全建立到位之前，具有散焦特性，螺流浪涌較大，超過了正常工作點時的螺流，具體表現就是行波管開機瞬間螺旋線浪涌電流較大，對行波管有一定的沖擊。關機過程，也有同樣的現象。

因此，需要行波管進行匹配，減少開機、關機過程中的螺旋線浪涌時間和浪涌的大小，減小對行波管的沖擊。

螺旋線浪涌電流，這些電子會對螺旋線產生轟擊，此時電子注轟擊的部位一般集中在行波管輸入部分；當浪涌時間維持時間較長，浪涌電流較大，產生的熱量無法迅速被傳導出去，就會造成局部溫度過高，一種情況會燒毀輸入段天線；同時使材料受熱放氣，陰極接觸到這些氣體，就會出現中毒現象，陰極一旦出現中毒，電子注的剛性就會變差，大電流負荷下，螺旋線電流就會變大，造成螺流保護現象。

每只行波管的聚焦特性存在一定的差異，在低螺旋線電壓下的螺流浪涌的峰值和維持時間不同，產生的電子注轟擊也不一樣，轟擊小的行波管能長時間穩定工作；而浪涌電流大、時間長的在開機瞬間會使行波管受到損傷，容易造成陰極中毒而無法正常工作。

針對這一情況，我們進行了以下試驗。用整機電源對故障行波管1#和一只正常行波管2#進行開機加電試驗，并用示波器監測行波管在啟動過程中螺旋線電流和螺旋線電壓的變化，并進行比對。1#故障管的現象為開機多次出現螺流保護現象。

1#行波管的螺流浪涌維持時間超過35ms，陰極電壓建立到位所需的時間為30ms。

2#行波管的螺流浪涌維持時間只有15ms，陰極電壓建立到所需的時間為30ms。

通過對比我們可以發現，故障管1#的螺流浪涌保持時間是35ms比2#的15ms要長得多。螺流浪涌維持時間越長，電子注轟擊天線部位的時間越長，經過多次開機、關機的沖擊，使螺旋線局部過熱，材料放氣，陰極就會出現中毒，電子注剛性就會變差，由此造成螺流保護現象。

部分行波管浪涌時間更長，浪涌電流更大，就會燒毀輸入天線，使輸入斷，不能輸出功率而損壞。

3.3 行波管自身缺陷造成輸入、輸出天線和螺旋線燒毀

1）輸入、輸出天線焊接不牢靠

行波管螺旋線輸入、輸出與天線焊接處不可靠，在經受電子轟擊時，自身的承受能力不夠，使焊接處彈開，造成輸入、輸出天線斷。

2）行波管自身絕緣差，高壓打火，造成整機電源的頻繁保護。

3）行波管動態螺流大造成電源保護。

4 解決措施

1）設計控制，減少螺旋線的浪涌電流和浪涌時間，優化電子光學系統的設計，使在低陽極電壓、低螺旋線電壓情況下，電子注有較好的聚焦特性。

2）工藝控制和保證，減少螺旋線的浪涌電流

在行波管調試中，不僅對陰極電壓、陽極電壓工作點處進行調試使螺流較小，而且要對低電壓下的狀態進行調試和控制，使螺旋線浪涌電流變小、時間變短。

3）篩選控制

在行波管生產過程和檢驗時，使用整機電源對行波管進行匹配檢測，將螺流浪涌過大、時間過長的行波管剔除掉，使螺流浪涌大小和維持時間滿足使用要求，工作穩定。

4）提高螺旋線與天線焊接的可靠性

在天線焊接時，控制焊接能量、焊接時間，保證天線焊接的可靠性。

5）整機電源應保證合適的延遲時間。

5 結語

通過減少行波管螺旋線浪涌電流的大小和維持時間、降低螺旋線動態電流、行波管與整機電源匹配檢測、優化電源設計等措施，提升行波管與電源的匹配性，能夠有效提升發射機的可靠性，為電子戰裝備可靠性提升設計和質量控制提供有效參考。

同時，提高行波管和整機電源自身的耐壓、抗打火、散熱等能力，也是降低行波管失效率的有效措施。

［1］官朝暉.行波管技術現狀與發展趨勢［J］.真空電子技術，2011（06）：41-43.

［2］劉軍華.不斷發展中的行波管技術［J］.真空電子技術，2010（04）：83-86.

［3］陳宇，王剛，蘇小保.空間行波管放大器高壓電源設計研究［J］.真空科學與技術學報，2015（07）：792-800.

［4］張薇.電源紋波對行波管放大器性能影響的研究［J］.真空電子技術，2014（04）：58-61.

［5］周麗萍，宋燕平.星載行波管電源的熱設計及熱分析［J］. 空間電子技術，2009，6（03）：73-77.

［6］徐杏萍，趙興群，孫小菡.行波管電源在線智能監控系統的研制［J］. 真空電子技術，2009（06）：25-29.

［7］戴春華.某雷達大功率脈沖行波管可靠性研究［J］.艦船電子對抗，2015（06）：39-41，47.

［8］張勇，何小琦，宋芳芳.行波管可靠性研究探討［J］.電子質量，2008（06）：65-69.

［9］沙文祥，李剛，張宗濂.機載行波管發射機電源系統［J］. 電子工程師，2006（07）：32-35.

［10］謝章貴.螺旋線行波管收集極電源穩壓取樣方法［J］.電源技術應用，2008（05）：73-75.

［11］張國棟，周東方，師宇杰，武霞，李文安.小型化行波管燈絲電源設計［J］. 強激光與粒子束，2013，25（09）：2346-2350.

［12］鄭鍇，周東方，李建兵，李凱，曹小龍.行波管高壓電源變換器的滑模PI控制方法［J/OL］.高電壓技術，2016，42（06）：1797-1804.

［13］王一農，紀安.基于ZVS-ZCS變換器的行波管高壓電源設計［J］. 艦船電子工程，2011，31（05）：164-167.