某型雷達(dá)導(dǎo)引頭速調(diào)管故障分析及質(zhì)量優(yōu)化

付強(qiáng) 王東振 化麒 李恒松 秦燕鴿 高希輝

摘要：某型速調(diào)管是某型空空導(dǎo)彈導(dǎo)引頭發(fā)射機(jī)功率放大組件，針對其批量生產(chǎn)中出現(xiàn)的成品率不高、性能狀態(tài)不穩(wěn)定、外場使用中不斷出現(xiàn)質(zhì)量問題等情況，從速調(diào)管組成原理出發(fā)，重點分析電子槍、管體等各單元模塊工作機(jī)理及技術(shù)要求，通過嚴(yán)控檢漏工藝、延長老煉時間、減少調(diào)諧次數(shù)，進(jìn)一步識別制管工藝薄弱環(huán)節(jié)，提升速調(diào)管批生產(chǎn)中的工作穩(wěn)定性和可靠性，給出質(zhì)量改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：速調(diào)管；故障分析；薄弱環(huán)節(jié)；質(zhì)量優(yōu)化

Keywords：klystron；fault analysis；weaklink；quality optimization

0 引言

某型速調(diào)管為空空導(dǎo)彈導(dǎo)引頭發(fā)射機(jī)功率放大組件，該型裝備在部隊測試時出現(xiàn)探測信號功率檢測異常情況，通過工廠導(dǎo)彈檢測系統(tǒng)和導(dǎo)引頭檢測系統(tǒng)分別驗證，該枚導(dǎo)彈導(dǎo)引頭發(fā)射機(jī)功率放大作用未達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。經(jīng)過對發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的深入分析研究，該型導(dǎo)彈采用速調(diào)管體制發(fā)射機(jī)，為預(yù)防速調(diào)管真空度下降，日常需要定期維護(hù)，維護(hù)中多次出現(xiàn)電打火燒毀其他電路板情況，同時發(fā)現(xiàn)該型速調(diào)管批生產(chǎn)中成品率不高，生產(chǎn)加工中需要對制管工藝加強(qiáng)質(zhì)量管控[1]。

1 速調(diào)管功能與組成

該型速調(diào)管的作用是在雷達(dá)發(fā)射機(jī)中作為末級微波功率放大器，由電子槍、管體、收集極、輸入輸出系統(tǒng)及磁聚焦系統(tǒng)五大部分組成[2]，如圖1所示。

1.1 電子槍

電子槍由陰極和熱子、電子注形成和控制電極（聚焦極或控制極）及相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)和引出結(jié)構(gòu)、陽極和高壓絕緣瓷等部分組成，主要作用是產(chǎn)生高能電子注。電子槍陰極發(fā)射的電子在陰極和陽極之間高壓的作用下加速到相當(dāng)高的速度后注入管體部件。

柵極用于控制陰極在速調(diào)管工作期間發(fā)射電子、在脈沖間隔期間不發(fā)射電子。為了保證陰極電子在脈沖間隔期間不發(fā)射電子，柵極上需要加-500V左右的負(fù)偏壓。在速調(diào)管工作期間，柵極加25～50V的脈沖電壓，陰極發(fā)射足夠強(qiáng)度的電子，經(jīng)柵極和陽極成形后，注入管體部件。

速調(diào)管陰極和柵極之間的距離約為0.3mm，電極間的平均電場強(qiáng)度為3kV/mm；柵極和陽極之間的距離約為0.5mm，電極間的平均電場強(qiáng)度小于7.5kV/mm。在真空中，電極間的電場強(qiáng)度小于9kV/mm，可以確保速調(diào)管在正常情況下穩(wěn)定工作。

1.2 管體

管體由一系列參差調(diào)諧的諧振腔組成，是高能電子注和高頻電磁場（微波）相互作用實現(xiàn)微波功率放大的場所。

在互作用區(qū)的開始，高頻電磁場對電子注進(jìn)行速度調(diào)制；經(jīng)過速度調(diào)制后的電子注在向前漂移的過程中逐步轉(zhuǎn)化為密度調(diào)制；密度調(diào)制的電子注在后面的諧振腔中會激勵起高頻電磁場，繼續(xù)對電子注進(jìn)行速度調(diào)制；經(jīng)過一段距離的漂移，電子注的密度調(diào)制更強(qiáng)；在輸出腔中，經(jīng)過良好的密度調(diào)制的電子注激勵起足夠能量的微波功率，實現(xiàn)微波功率放大。

1.3 輸入輸出系統(tǒng)

輸入系統(tǒng)的功能是將弱小的微波能量饋入互作用場所（管體）。輸出系統(tǒng)的功能是實現(xiàn)電子注與高頻電場相互作用，將群聚電子注的能量轉(zhuǎn)換成微波能量，實現(xiàn)微波放大，輸出系統(tǒng)的特性對速調(diào)管的效率、帶寬等性能指標(biāo)有重要影響。

1.4 收集極

收集極收集互作用后的電子并轉(zhuǎn)化為熱能。在靜態(tài)條件下（速調(diào)管無微波功率輸出），收集極耗散電子注的全部能量；在動態(tài)條件下（速調(diào)管輸出微波功率），電子注的一部分能量轉(zhuǎn)換為微波能量，收集極耗散電子注的剩余能量。

1.5 磁聚焦系統(tǒng)

磁聚焦系統(tǒng)約束電子注的形狀，保證電子注在運動和互作用過程中大部分電子能夠穿過管體進(jìn)入收集極。該型速調(diào)管受使用環(huán)境限制，使用的是均勻永磁聚焦系統(tǒng)，提高了發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的效率。

2 速調(diào)管工作原理

由陰極發(fā)射的電子注經(jīng)柵極控制、陽極加速后在聚焦系統(tǒng)的約束下注入高頻系統(tǒng)，在高頻系統(tǒng)中與通過輸入系統(tǒng)輸入的高頻場相互作用，形成電子注的速度調(diào)制與密度調(diào)制。電子注將一部分動能交換給高頻場，完成高頻信號的放大，通過輸出系統(tǒng)輸送到天線或負(fù)載；電子注打到收集極上，剩余動能轉(zhuǎn)化為熱能，由收集極耗散。具體過程如下。

在電子注與高頻互作用系統(tǒng)（包含輸入系統(tǒng)、多個中間諧振腔、漂移段、輸出系統(tǒng)）的相互作用中，電子注在通過輸入系統(tǒng)的間隙時，在高頻電場的作用下產(chǎn)生速度調(diào)制，即在高頻周期的正半周通過諧振腔間隙的電子受到加速，負(fù)半周通過諧振腔間隙的電子受到減速。速度調(diào)制的電子注經(jīng)過一定長度的漂移段后產(chǎn)生密度調(diào)制，即快電子逐步趕上慢電子，使電子注中電子分布疏密不均，電子發(fā)生了群聚。

密度調(diào)制電子注中含有輸入高頻電場的基波和諧波分量，當(dāng)其通過第二個諧振腔間隙時，將在諧振腔內(nèi)激勵起高頻感應(yīng)電流，并在諧振腔間隙中建立起比輸入諧振腔更高的高頻電場。該高頻電場反過來對電子注產(chǎn)生更大的速度調(diào)制作用，從而在第二個漂移管內(nèi)產(chǎn)生更強(qiáng)的密度調(diào)制。通過以上多次重復(fù)，到達(dá)輸出腔入口時，形成了高度群聚的電子注。

進(jìn)入輸出系統(tǒng)的群聚電子注中包含很高的基波電流分量，當(dāng)其通過輸出腔間隙時，建立起很高的高頻電場，并將部分動能轉(zhuǎn)換成高頻能量，實現(xiàn)高頻信號的放大[3]。

該速調(diào)管具有工作電壓低、輸出功率大、體積小、重量輕、增益高等特點。作為彈載雷達(dá)發(fā)射機(jī)的末級功率放大使用，將幾毫瓦級功率放大到上百瓦的脈沖峰值功率。

3 速調(diào)管工藝結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)

該型多注速調(diào)管的制管工藝流程如圖2所示。通過對生產(chǎn)工藝流程的分析可知：

1）考慮該速調(diào)管生產(chǎn)全過程，整體是由金屬陶瓷材料焊接而成，必須保證管內(nèi)具有一定真空度，速調(diào)管才能正常工作。各零部件裝配焊接成型后都要通過真空檢漏儀的嚴(yán)格檢測，檢測合格的零部件才能進(jìn)入下一道工序，因此各零部件連接處的焊接質(zhì)量尤為重要。

2）速調(diào)管調(diào)諧膜片的厚度只有0.5mm，該厚度是調(diào)節(jié)各諧振腔的頻率以保證速調(diào)管正常工作的性能指標(biāo)。由于在測試速調(diào)管的過程中需反復(fù)拉動調(diào)諧膜片以對各諧振腔的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，可能會引起金屬材料疲勞從而導(dǎo)致調(diào)諧膜片發(fā)生微漏。

3）制管所用零部件在電子的轟擊下存在放氣的可能，釋放的氣體會造成陰極發(fā)射能力下降，導(dǎo)致速調(diào)管工作異常。

因此，可以認(rèn)為上述三種情況為該型多注速調(diào)管生產(chǎn)中的薄弱環(huán)節(jié)。

4 質(zhì)量優(yōu)化措施

轉(zhuǎn)換為離子流允許變化量為13nA。其他貯存時間允許的離子流變化情況以此類推。

2）延長老煉時間，減少管內(nèi)放氣量

小批量試生產(chǎn)初期工藝?yán)蠠挏y試狀態(tài)如表1所示。

經(jīng)過貯存后，發(fā)現(xiàn)部分產(chǎn)品存在管內(nèi)放氣現(xiàn)象，為此對測試工藝進(jìn)行更改，延長速調(diào)管的老煉測試時間，使管內(nèi)零部件吸附的氣體充分釋放。更改后的工藝?yán)蠠挏y試狀態(tài)如表2所示。

3）控制調(diào)諧量，減少調(diào)諧次數(shù)

為減少頻率偏移量，速調(diào)管在冷測、釬焊階段采取了多種措施，包括控制焊料使用量、預(yù)設(shè)頻偏修正量等。在熱測過程中，避免多次反復(fù)擰調(diào)諧釘以及控制調(diào)諧釘位移量，避免膜片出現(xiàn)金屬疲勞而受損。最后通過貯存方式檢驗是否存在微漏點。

5 結(jié)束語

針對某型空空導(dǎo)彈戰(zhàn)訓(xùn)使用中批量生產(chǎn)成品率不高、性能狀態(tài)不穩(wěn)、外場使用中不斷出現(xiàn)質(zhì)量問題等情況，通過分析生產(chǎn)制造工藝薄弱環(huán)節(jié)，采取增加貯存期、延長老煉時間、控制調(diào)諧量等質(zhì)量改進(jìn)手段，有效提升了速調(diào)管制管的合格率。本方法對功率大、體積小、重量輕、增益高的多注速調(diào)管加工制造以及失效分析有參考價值。

參考文獻(xiàn)

[1] 丁耀根.大功率速調(diào)管的技術(shù)現(xiàn)狀和最新發(fā)展[J].真空電子技術(shù)，2020（1）：1-5.

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[3] 哈依科夫.速調(diào)管放大器[M].北京：國防工業(yè)出版社，1980：1-15.

[4]中國人民解放軍總裝備部軍事訓(xùn)練教材編輯工作委員會.可靠性試驗技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003.

作者簡介

付強(qiáng)，工程師，研究方向為彈載發(fā)射機(jī)系統(tǒng)修理技術(shù)。