某型指令發射機自動頻率微調原理分析

■ 鄧松 唐星星 甘家松/國營長虹機械廠

0 引言

某型指令發射機作為某型武器系統指令鏈路的重要組成部件，除發射功率外，其工作頻率也是重要指標之一。在許多情況下，頻率穩定度差會導致通信作用距離縮短，甚至完全破壞聯絡。

磁控管是該型指令發射機中主要的微波功率源，具有輸出功率大、效率高等優點，指令發射機的輻射功率和工作頻率主要由其保證。但在實際工作中，磁控管頻率會發生漂移，需通過自動頻率微調系統來保證指令發射機獲得極高的頻率穩定度。

1 磁控管變頻原理

指令發射機的磁控管采用同軸磁控管形式，主要分為陽極諧振系統、陰極、能量輸出裝置、頻率調諧機構、磁路系統五大部分。其中，陽極調諧系統決定磁控管的振蕩頻率和頻率穩定度，儲存由電子和高頻場相互作用所產生的高頻能量，并通過能量輸出器將大部分高頻能量饋送給負載，因此必須具備極高的品質和標準性。陽極調諧系統主要由諧振腔沿圓柱形內部區域排列組成，其振蕩頻率取決于諧振腔的等效電容、電感。采用機械運動或電的方法改變諧振腔的等效電容、電感都能改變磁控管的振蕩頻率，前者稱為機械調諧，后者稱為電調諧。電調諧主要通過改變陽極電壓或通過電子流注入等方法實現磁控管調頻。該型指令發射機的磁控管屬于機械調諧。

測試發現，在固定的中心頻率上，該型指令發射機磁控管輸出的高頻頻率以恒定的變化范圍和恒定的速率周期變化，屬于顫抖調諧磁控管。如圖1所示，磁控管的顫抖機構安裝在其調諧器上，調諧活塞的軸上安裝有凸輪裝置，外部連接電機及減速機構（見圖2）。當電機轉動時，偏心裝置通過滾珠軸承使調諧活塞沿諧振腔軸向做正弦運動，從而改變諧振腔的大小。

如圖3所示，由于磁控管發射脈沖的寬度與頻率調制周期相比十分短促，在各個脈沖的持續時間內，發射頻率幾乎不變。適當改變伺服電機的轉速（即改變磁控管的頻率調整周期），可使每一脈沖都得到與前一個脈沖不同且不相關的發射頻率，從而實現脈間變頻。經測試，其頻率改變范圍約為中心頻率的3.5%。

2 自動頻率微調系統

為了防止磁控管頻率漂移，指令發射機采用了一套自動頻率微調系統來保證磁控管具有極高的頻率穩定度，圖4為自動頻率微調系統工作原理示意圖，圖5為產品實物。

整個自動頻率微調系統利用一個標準諧振腔，是帶有被調制諧振腔的鑒頻器（見圖6）。它是一個高質量因數的諧振腔，其中的一個壁由膜片組成，在由交流供電的螺線管作用下發生位移。諧振腔與磁控管、檢波器耦合，從檢波器取得控制電壓，對磁控管進行頻率微調。

鑒頻器用于鑒別輸入信號頻率偏離額定頻率的程度，同時產生一個與頻率偏差量成比例的誤差信號電壓，作為自動頻率調整系統的控制電壓，其極性取決于頻率偏離的方向。具體工作過程為：在螺線管的作用下，諧振腔的膜片以一定頻率振動，該頻率與交流電源的頻率有關。此時，在不太大的范圍內周期性地改變諧振腔的自然諧振頻率，也就是使諧振腔“調制”。圖6虛線表示膜片振動時諧振特性的極限位置。

圖1 磁控管原理圖

圖2 減速機構與磁控管連接

圖3 顫抖調諧磁控管頻率調制特性

圖4 自動頻率微調工作原理

圖5 自動頻率微調系統實物

假設自然諧振頻率為f0的諧振腔（當膜片在中心位置時）調諧在磁控管的頻率上，在此種情況下膜片諧振時，檢波器輸出端的電壓就具有如圖7右側曲線f0所示的形狀。當磁控管的頻率與諧振腔的自然頻率不相符合時（如f1或f2），檢波器輸出端的電壓就隨螺線管交變電壓的頻率而變化（如圖7右側曲線f1、f2）。當磁控管頻率為f1與f2時，檢波器輸出端的電壓相位相差180°。比較這個相移與螺線管交變電壓的相位，可確定頻率偏移的方向。

磁控管產生的高頻能量經波導系統加載至波導十字交叉耦合器輸入端，耦合器調整加載諧振腔的能量數值（耦合度約為60dB），后者的自然頻率由于膜片的形變而周期性地變化。檢波后，諧振腔輸出端的脈沖振幅按交變供給電壓的頻率調制。脈沖放大后，由低通濾波器分離出按調制頻率變化的控制電壓，該電壓加在控制電機旋轉的驅動放大電路上，電機帶動調諧部件微調磁控管，電機旋轉的方向取決于驅動電路輸出的電壓相位。

圖6 帶有被調制諧振腔的鑒頻器

由上述分析可以看出，自動頻率調整系統是利用了自動控制原理，能夠將輸入較大的頻差變為輸出較小的頻差，由此保證將指令發射機的頻率漂移控制在±2MHz以內。

3 頻率穩定度的檢測及調整

造成磁控管頻率漂移的原因包括電源電壓、溫度、外部負載的緩慢變化等，頻漂可由頻率計或頻譜分析儀準確測量獲得。指令發射機的輸出脈沖功率較大，測試時需適當衰減，使其不超過測試儀器的最大允許輸入功率，以保證儀器安全。

指令發射機在使用過程中，可能會產生以下與頻率參數有關的故障。

1）頻率一直處于搜索狀態，直至產品斷電

這種情況一般是由于磁控管產生的初始頻率與需要達到的頻率偏差太大，超出了自動頻率微調的有效控制范圍，減速機構的凸輪最終觸發微動開關B4，迫使發射機下電。解決方法：在排除磁控管損壞及電路故障的前提下，先使減速機構與磁控管離合，手動調節磁控管的凸輪，將輸出頻率強行拉入調頻電路控制范圍內（即需要達到的頻率值附近），然后將減速機構恢復到初始狀態。

圖7 諧振腔諧振特性和在檢波器輸出端的電壓曲線

2）頻率穩定時超出允許范圍值

這種情況一般是由于諧振腔的參數發生了變化，使頻率標準產生了偏差。解決方法：在排除調頻電路故障的前提下，通過調節諧振腔的機械調諧螺釘，改變諧振腔的腔長，從而達到調整衰減頻率的目的，必要時可更換諧振腔。

3）頻率不搜索，自動頻率控制系統未工作

這種情況一般是由電路故障導致，可能的原因有：

a.二次電源故障，+15V（Ⅰ）、+15V（Ⅱ）、-15V直流供電不正常，調頻電路未工作。

b.檢波器無脈沖輸出或輸出的脈沖幅度過小。如果檢波器的質量變差，在輸出端還會混入噪聲，影響控制電路正常工作。

c.調頻電路某個或某幾個晶體管損壞，功能喪失，需要根據電路原理具體查找故障器件，在此不做詳細敘述。

d.磁控管性能變差或未工作，此項原因實際與b項原因類似，磁控管無輸出或輸出功率小導致檢波器輸出脈沖的幅度異常。

4 結束語

自動頻率微調屬于非常復雜的閉環控制系統，以上僅列舉了指令發射機常見的幾種故障類型及可能發生故障的部位。實際修理中，涉及的部件及因素較多，需針對故障現象進行具體分析。