某型空空導彈雷達導引頭高頻器件故障分析及處理

崔雙洋 姜飛 倪冬 霍亞璽 付強

摘要：空空導彈中的高頻電子組件主要用于雷達導引頭或引信，其產生高頻探測信號并通過發送探測信號來獲取目標信息。本文主要針對某型空空導彈雷達引信部分的耿氏振蕩器進行原理介紹和故障分析。

關鍵詞：耿氏振蕩器；耿氏二極管；故障分析；高頻組件

Keywords：gunn oscillator；gunn diode；failure analysis；high frequency component

0 引言

當前高頻電子組件已經作為一種關鍵器件廣泛應用于導彈發射設備中。空空導彈雷達引信的高頻信號發生裝置多使用耿氏振蕩器，其將低頻電壓轉化為高頻信號，再通過后端放大、波導傳輸，經天線發射出去，形成標準的探測信號，用于搜索、截獲及目標跟蹤。

某型空空導彈雷達引信所用耿氏振蕩器具有功率大、損耗低、泄漏小等優點，其設計精密、工藝復雜，主要由耿氏二極管、諧振腔、調諧桿、調匹配桿等組成。在修理過程中，引信經常出現無信號輸出、功率低、頻率偏移等現象，故障率較高，因器件精細，要求有較高的修理精度，實現起來偏困難。

本文針對該型高頻器件修理過程中出現的多種故障形式，分析其工作原理，總結其故障現象和排故方法，以達到更換最小單元從而提高修理精度、保障導彈質量的目的。

1 耿氏二極管及其原理分析

1.1 耿氏效應

某些半導體材料在同質體中由于電子傳輸機制，會產生負微分電阻特性，這些半導體材料擁有多于一個的導帶能谷的直接帶隙特性。在這些能谷里面，活動的電子密度和有效質量各不相同。當外加電場強度大于高阻態所能承受的電場強度時，電子就向高能谷方向轉移。電場越強，轉移至高能谷的電子數越多。這種半導體材料存在的現象就叫做耿氏效應。

1.2 耿氏二極管產生頻率與功率分析

1）耿氏二極管最高工作頻率分析

電子在轉移過程中會形成偶極疇，一個疇從陰極向陽極轉移時，一邊生長一邊漂移，疇從開始漂移達到穩定所需要的時間即為最高振蕩頻率。最高頻率由谷間傳輸時間和谷間能量馳豫時間決定。

2）耿氏二極管功率分析

2 耿氏振蕩器工作原理

2.1 諧振腔

如圖1所示，耿氏振蕩器采用矩形波導與圓柱波導相組合的諧振腔，其內部形成電磁振蕩的介質區域，具有儲存電磁能及選擇頻率信號的特性，相當于低頻電路中的LC諧振回路。

諧振腔中的電磁能量關系類似于LC諧振回路中的能量關系。在LC振蕩回路中，當電路開始振蕩時，電場能量集中于電容器中，磁場能量集中于電感中。當電場能量變大時，諧振回路將磁場能量轉換為電場能量，反之亦然。LC諧振回路這樣周而復始地形成振蕩，諧振腔中的振蕩也是這樣進行能量轉換，只不過在諧振腔中因工作頻率很高，工作時電路中元件的工作機制利用了其寄生的分布效應。

2.2 耿氏振蕩器起振條件、平衡條件及穩定條件

1）起振條件

一個有損的振蕩回路受到一個初始激勵后產生的自由振蕩是一個衰減振蕩。如果在該電路中引入一個負電阻，用這個負電阻提供的能量來補償正電阻所消耗的能量，那么這個振蕩就可以維持下去，從而形成振蕩波。

耿氏振蕩器的基本原理是用一個負阻器件耿氏二極管與一個有損回路連接（見圖2），利用耿氏二極管表現出來的負阻特性，提供正電阻所消耗的能量，構成負阻振蕩。

式（14）表明，對于穩定的振蕩，回路的總阻抗必須為零。采用的做法是：調諧桿和調匹配桿應同步調整，即調了“調諧桿”之后立即調一下“調匹配桿”，如此反復調整，直到耿氏振蕩器輸出信號的頻率和功率合格、穩定為止。

3）穩定條件

在平衡振蕩條件下，如果存在某種因素如外界因素、環境溫度或電源電壓的波動等使振蕩偏離了原來的平衡點，當引起的偏離因素消失后，若振蕩器能回到原來的工作點，則稱這樣的工作點為穩定工作點，否則稱為非穩定工作點。

耿氏二極管的伏安特性曲線如圖4所示。圖4中的直線Ⅰ、直線Ⅱ表示耿氏振蕩器的兩條不同的直流負載線，直線Ⅰ與耿氏二極管的特性曲線只有一個交點且處于負阻區，假如原先工作點在Q點，由于偶然因素致使供電電壓偏移，但不會影響耿氏二極管工作在負阻區。

直線Ⅱ與耿氏二極管的特性曲線有三個交點且只有一個處于負阻區，假如原先工作點在Q點，由于偶然因素致使供電電壓偏移至Q′點或Q″點，Q′點或Q″點均處于正阻區，故會導致振蕩器停振。因此，為了使耿氏振蕩器能穩定振蕩，應選擇直流負載線Ⅰ。

3 常見的故障現象及失效分析

在加電正常情況下，引信經常會出現無信號輸出、有信號但功率低或者頻率偏移、不穩定等現象，經分析認為：有信號但功率低或者出現頻率偏移現象，大部分是因為諧振腔的匹配性不夠或外加電壓不足以使二極管達到最優值。

3.1 耿氏振蕩器無信號輸出

無信號輸出情況多半是因為耿氏振蕩器不起振引起的，將耿氏二極管加管座擰出后一般會發現外觀發黑，用萬用表進行靜態測試，發現電阻開路或者短路。

1）耿氏二極管極間短路

某型產品耿氏二極管在之前測試無故障情況下，在某一次測試或者裝配后測試時出現極間短路情況，經失效分析，判定耿氏二極管腔體內存在多余物或某些工藝缺陷。一般情況下表現正常，但當遇到外界振動或者沖擊時，腔體內部多余物或者工藝缺損導致兩級連接在一起，出現極間短路，從而有大電流經過，導致管芯燒毀。

2）耿氏二極管極間斷路

經失效分析認為極間斷路現象多為金引線與管芯脫開導致，這種情況通常是受到了機械或者熱應力作用。外界溫度的刺激或外部機械沖擊都有可能引起耿氏二極管斷路。二極管修理時應非常重視這一點，必須確保機械力和熱應力適度。

3.2 耿氏振蕩器輸出功率低、不穩定

當耿氏振蕩器有功率輸出但功率達不到技術指標要求時，可能是外加場強沒有使耿氏二極管達到最優值或耿氏二極管本身性能不好導致其內部偶極疇數量少、傳輸速度慢。

這類情況的判定可以通過調整外加供電電壓檢測輸出功率的變化來確定。采用的做法是，在指標范圍內調整耿氏振蕩器的供電電壓，若供電電壓調至V0、V0-0.5V、V0+0.5V時功率計讀數均在1～2MW范圍內且頻譜儀讀數均在f0±45MHz范圍內，則認為耿氏振蕩器穩定工作且V0為其工作電壓，此時二極管工作正常。如果調整后仍無法達到指標要求，還可以通過同時調整耿氏振蕩器上的調諧螺釘和調匹配螺釘來檢測是否滿足要求，若仍無法滿足要求，則證明該耿氏二極管性能下降，無法繼續使用。

3.3 耿氏振蕩器輸出頻率偏移

耿氏振蕩器輸出頻率發生偏移的可能原因是阻抗不匹配或耿氏二極管性能下降。

針對阻抗不匹配現象，可以通過調整耿氏振蕩器上的調諧螺釘和調匹配螺釘微調輸出頻率來糾正，如果調整后輸出仍無法滿足要求，則證明該耿氏二極管性能下降，需更換。

4 拆裝方法

耿氏二極管體積較小，耐熱性較差，修理起來有異于普通器件。為確保裝配時耿氏二極管性能完好，首先需提高焊接技術，挑選熟練工作人員，采購熱壓焊接器件，焊接時通過熱壓方式配合焊錫裝入管座中。其次，在拆裝過程中對操作、焊接過程進行管控，對焊接后的結果應設立過程檢、內控指標等多種質量管控措施，避免發生故障。應特別注意以下幾點：

1）用沾有無水乙醇的脫脂棉球浸泡管座上方的黃色硝基膠液，2h更換一次脫脂棉球，累計浸泡時間不小于12h。

2）耿氏二極管的鍍金層端位于管座外，螺紋端旋于管座內，且其尾部與管座焊接，分解耿氏二極管時須將焊接處的焊錫清理干凈。

3）耿氏二極管裝配前后均用數字萬用表電阻檔測量其正反向阻值，阻值均應在1～2Ω范圍內。

4）耿氏二極管裝配后，焊接時應嚴格控制焊接部位，一方面確保焊接后管座能順利裝至諧振腔內，另一方面焊接的可靠性一定要高，確保在振動、溫度沖擊和高低溫等環境條件下不會出現接觸不良的現象。

5 總結

本文深入分析了耿氏二極管的工作原理、產生頻率和功率的機理及在耿氏振蕩器中的應用，并將常見故障和失效分析相結合，探討使用方法和注意事項，為正確使用器件、正確處理問題提供了一定的參考和依據。

參考文獻

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