多注速調管發射機設計優化探討

南京電子技術研究所 柳尚光

本文基于多注速調管發射機的實踐，給出了此類發射機的工程化改進思路和方案。應用高次模的多注速調管、高壓一體化方案、干式冷卻技術、頻譜試驗成果等，提高了多注速調管發射機的適應性和先進性。

引言：多注速調管是一種基于速度調制原理將電子注能量轉換成微波能量的真空電子器件。電子注的形成、電子注與微波場的互作用、電子剩余能量的耗散和微波能量的輸出是在相互分離的空間中進行的，而且高頻互作用系統是分離的諧振腔。因而它具有高功率、高增益、高效率、長壽命等優點。

配備多注速調管作為核心放大器件的雷達發射機，一般采用先進的零電壓移相式全橋脈寬調制高壓電源和固態調制器。在使用中，發射機的一些問題逐漸浮出水面，引起廣大設計人員和裝備使用人員的關注。本文結合裝備實踐，從使用過程中的相關問題著手，給出相關的工程化思路和方案。

1 多注速調管發射機工作原理

圖1 發射機信號流程圖

發射機通常放置在跟蹤饋線發射艙中，主要由高頻部分、電源部分、全固態調制器以及控制全機的控保電路等組成。射頻信號由頻率源送往前級放大器放大，經多注速調管放大和高頻元件傳輸，最終到饋線系統。發射機的信號流程見圖1虛線部分。調制器大量采用了復合型場控功率器件IGBT串并聯制作調制開關。這種固態開關調制器不但具有效率高、體積小、重量輕、可靠性高等優點，而且使用和維護費用也隨之下降。高壓電源由四臺逆變器和高壓整流組件構成，四臺逆變器并聯工作，通過高壓整流組件進行功率合成。

2 速調管發射機典型問題

多注速調管發射機經過多年的使用，積累了豐富的實踐經驗。設計、加工、使用和維護技術日臻成熟。目前典型的問題有速調管打火、IGBT動態雪崩、耐壓和密封問題等。

2.1 多注速調管打火

多注速調管具有工作電壓低、瞬時帶寬寬、效率高、冷卻方便、功率密度高等優點，適合在高機動雷達中使用。但它存在管內結構復雜、陰極電流發射密度大、離子擊穿概率高等不足之處。特別是管內打火尤其應該關注。

速調管打火原因有：電子槍陶瓷絕緣下降、電子槍極間打火、管內真空度下降、速調管陰極工作在溫度限制區、老練時間不充分、壽命終止等。生產階段的熱測和老練可以提高速調管的可靠性和壽命。一般認為，波導打火導致輸出窗片損壞的時間在幾十μS到幾百μS，因此，速調管工作時的波導打火保護動作時間設置在10-100μS內，可以有效的保護速調管。速調管陰極和陽極之間放電機理是：鋇鎢陰極在發射電子注的同時，會蒸散出諸如鋇的化合物、碳等物質。這些蒸散物在真空狀態下會擴散到聚束極和陽極頭上，隨著速調管工作時間的加長，表面蒸散物越來越多，在不同的高壓下造成陰、陽極放電打火。為了有效減少陰極表面多余物質的蒸散對極間耐壓的影響，在制管過程中，采取電子槍預除氣工藝。在該工藝中，通過增加燈絲電流和提高保溫時間，提前加速陰極表面多余物質的蒸發，從而避免這些物質后續蒸散到整管中造成極間耐壓下降打火。

2.2 IGBT動態雪崩

在逆變器和固態調制器中大量使用了IGBT。在高壓大電流的極端條件下，高壓IGBT內部出現動態雪崩和電流成絲難以避免。但理想條件下，芯片正面因動態雪崩而形成的電流絲是移動的，稱為“活絲”。它可以大大緩解局域過流導致的過熱問題，使芯片溫度分布相對均勻，有效抑制最高溫升，提高抗動態雪崩的能力。如果電流絲由于某種原因在某處固定不動或移動緩慢，就構成了“死絲”，使局部過熱形成強烈的熱電正反饋而導致器件燒毀。

基于通過壽命控制優化快速掃出內部載流子的理念，新設計的3.3kV IGBT模塊具有快速開關和快速恢復特性。在諧振DC/DC轉換器模擬電路中，與傳統高速模塊比，初級端IGBT的損耗降低15%，次級端二極管的損耗降低47%。這一設計概念也可用于6.5kV IGBT和其他電壓級別器件。在有源區采用特殊設計和工藝，使有源區的靜態擊穿電壓和動態雪崩箝位電壓都低于非有源區的擊穿電壓，模塊恢復特性顯然比傳統高速模塊更快。

2.3 高壓連接器耐壓不足

圖2 高壓插頭和插座對接配合示意圖

高壓部分通過高壓插座實現高壓互連。雷達使用中出現了高壓插頭座故障。插座與對應插頭的配合存在間隙，該間隙處存在的空氣膜使得產品的耐電壓性能降低，從而造成耐壓不合格，高壓擊穿。高壓連接器設計要求插頭和插座對接并鎖緊時，插座中上基座和插頭中插針套筒的兩個錐面正好完全貼合并過盈，形成緊密配合，貼合面所有的空氣被全部排出，產品能夠承受30kV長時間高壓而不出現飛弧。

2.4 發射機滲油

產生滲油的原因很多，它與密封結構設計、加工工藝、環境溫度、溫差、密封件的材質、密封件的安裝質量、油壓的大小、機械振動等等都有密切的關系。總結雷達發射機滲油的原因，主要因素有兩種：密封面結構設計不合理；裝配后密封圈逐漸失去彈性。改進方法為：密封圈采用有自密能力的O型密封圈，經模具壓制成形；改進密封圈裝配工藝，在密封接觸面上均勻涂抹一層密封膠，然后對稱均勻緊固螺釘；改進膨脹器，增大膨脹器的變化量，同時在與膨脹器另一端連通的氣密箱體上增加排氣閥，排氣閥排氣壓力設置在0.8-1.2個大氣壓，這樣可保證油箱內油壓不會大于1.2個大氣壓。

膨脹袋在加工完成后存在沙眼缺陷，后續長期使用后，裂紋裂口變大，也會造成滲油。膨脹袋沙眼滲油原因有：原材料存在雜志、制備流程操作不當、轉運不當等。檢查可以在明亮環境下，用放大鏡檢查外觀，不得有裂縫、裂紋、氣眼等微小缺陷；有條件時，使用充氣工裝，按照要求進行檢漏測試。

3 發射機改進方案

盡管對各種問題都已經有了改進措施，仍然需要從頂層方案設計上避免問題的發生。

3.1 速調管改進方案考慮

高發射電流密度和長壽命陰極、高電子注通過率的聚焦系統、濾波器加載雙間隙耦合腔寬帶輸出電路是多注管需要解決的問題。為了提高工作頻率和輸出功率，正在發展高次模的多注速調管。速調管還需要展寬頻帶，提高效率和可靠性，改進加工制造技術。

例如，對于脈沖輸出功率200 kw 的C波段多注速調管，在工作電壓較低的情況下為了減少物質蒸散，使陰極電流發射密度減小，應擴大陰極面積。本管選擇矩形諧振腔，工作在高次模式，以有效擴大漂移頭面積及陰極面積。整管采用28個電子注，分4組，分別對應于腔內TM220模式4個電場集中區域。為實現群聚段寬頻帶，群聚段設計9個諧振腔，輸入系統采用多級濾波器系統。為擴展輸出帶寬，輸出腔采用雙間隙結構、輸出系統采用多級濾波器系統。

圖3 高壓一體化發射機

3.2 高壓一體化方案

高壓一體化是將高壓電源、調制器、燈絲電源及速調管等放置于同一油箱中。這樣既減小了發射機的體積和重量，還提高了安全性和適應性。整機采用循環油冷技術實現整機散熱。發射機采用直接耦合調制方式，高壓電源采用全開關高壓電源，調制器采用了直接耦合類型全固態調制器。發射機體積和重量較小，而且速調管的工作電壓小于30KV，平均輸出功率小于20KW。有利于實現小型化、高壓絕緣。采用IGBT“穩壓復合結構”來解決動態均壓問題，大大減小了均壓網絡所占用的體積空間。檢測電路采用加直流高壓檢測主回路電流的方法檢測調制器開關的損壞情況。這種檢測方案不但避免了使用大量的檢測電路，同時也使得檢測的精度大大提高，由原來的定位到板級，到現在的定位到開關級。經過改進后小型化的調制組件采用“立式”結構，改進了均壓網絡和檢測電路，使得調制組件的體積大大減小。

3.3 干式密封絕緣技術

干式密封絕緣技術已在在相關產品中使用，可以考慮代替油冷散熱，克服油冷的滲漏、成本等問題。采用特種工藝，實現大比例硅微粉摻入灌封，使灌封后抗電強度達20-30KV/mm，導熱系數達0.8，完全滿足了現階段絕緣封裝與散熱的需要。

3.4 頻譜特性提升

高壓電源由一系列整流逆變電路構成。正弦波電流經過整流后，變成單向脈動電流。此電流不再是單一頻率，而是由一直流分量和一系列不同頻率的正弦分量疊加而成。這些電流的高次諧波分量沿著輸電線路產生電磁干擾，影響發射機射頻信號的頻譜質量。基于此分析，在系統中引入電源濾波器，用于抑制射頻和電磁干擾。實驗結果表明，系統的射頻信號相噪值提高1-2分貝，略有改善。在實際的工程應用中，既要使輸出射頻信號頻譜最優，也要盡可能減小損耗，提高發射機工作效率。設計波形時，射頻激勵信號前后沿避開調制脈沖波形的前后沿，特別是適當地遠離抖動較大的后沿，從而使射頻激勵信號在調制脈沖平頂部分加入的同時，盡可能拓展射頻激勵信號的脈寬，充分提高發射系統的工作效率。

4 結束語

現階段大功率雷達發射機在C波段和X波段仍以多注速調管為主。砷化鎵場效應管放大技術與有源相控陣技術相結合，使發射機固態化成為可能。但是，考慮成本、功率和脈沖形式，速調管發射機仍占優勢。兩種體制發射機技術將相互滲透，長期共存。廣大真空管發射機的從業人員還應總結多年工程經驗，從效率、可靠性、維修性、適應性等方面進一步提升發射機性能。