陳 媛，龐 朋

江蘇金陵機械制造總廠，江蘇南京 210000

發(fā)射機行波管修理研究

陳 媛，龐 朋

江蘇金陵機械制造總廠，江蘇南京 210000

本文介紹了滿足發(fā)射機行波管應(yīng)用設(shè)計與實現(xiàn)的相關(guān)技術(shù)，介紹了行波管在發(fā)射機中的應(yīng)用與保護、更換行波管、系統(tǒng)調(diào)試及行波管日常維護等注意事項。

發(fā)射機；行波管；修理維護

在雷達、電子對抗和通信設(shè)備等領(lǐng)域，行波管發(fā)射機因具有頻帶寬、輸出功率大、頻譜純度高等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。而行波管發(fā)射機的構(gòu)造復(fù)雜，供電電路電壓高，絕緣和散熱也不容忽視，因此行波管更換調(diào)試存在較大困難。

軍用行波管對其體積和重量的要求較其他的高得多。在實際應(yīng)用過程中，由于制造技術(shù)不完善及使用不當(dāng)導(dǎo)致真空器件的壽命較短，維修發(fā)射機過程中更換行波管還是比較普遍的。

1 系統(tǒng)概述

柵控行波管是行波管中應(yīng)用較為廣泛的一種，典型的柵控行波管發(fā)射機由行波管、脈沖調(diào)制器、高壓電源、燈絲調(diào)制電源、控制與保護系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等組成。

1.1 行波管

行波管（TWT）是整個發(fā)射機的核心部件，其信號放大功能是通過諧振腔內(nèi)電子注和高頻電磁波相互作用進行能量交換而實現(xiàn)的。其行波管結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 行波管結(jié)構(gòu)示意圖

行波管能量變換只有在電子速度與微波傳輸速度接近的情況下才能實現(xiàn)。電子束經(jīng)電場加速進入慢波電路，首先在微波場作用下形成速度調(diào)制，然后繼續(xù)向前并逐漸形成密度調(diào)制，此時大部分電子群聚于減速場中，且滯留時間較長。因此，電子束動能部分轉(zhuǎn)化為微波場的能量，使微波信號得到放大。交換完能量的電子最后由收集極收集。

1.2 脈沖調(diào)制器

脈沖調(diào)制器主要用于調(diào)制行波管電子注的通斷。其工作原理為：由信號處理機送來的定時信號，經(jīng)預(yù)調(diào)脈沖放大電路的接收、控制和放大，送至高電位隔離脈沖變壓器，在脈沖變壓器輸出驅(qū)動開啟管和截尾管的脈沖信號，控制調(diào)制器生成柵極脈沖。脈沖調(diào)制器基本原理如圖2所示。

圖2 脈沖調(diào)制器原理框圖

1.3 高壓電源

高壓電源（HVPS）為行波管提供工作電源。高壓電源的電路框圖如圖3所示，它的工作原理為：交流三相115V電壓經(jīng)整流、防沖濾波后變成約270V的直流電壓，后級逆變器將270V的直流電壓變頻后形成120kHz～200kHz高頻交流電壓，高頻變壓器升壓及高壓整流濾波后，形成行波管陰極工作的-15kV的高壓。

圖3 高壓電源原理圖

高壓側(cè)的采樣電阻器上形成反饋信號并與基準(zhǔn)電壓進行相比較，比較結(jié)果送到誤差放大器放大后送至PWM控制器，PWM控制器通過調(diào)頻、調(diào)寬來進行穩(wěn)壓。

1.4 燈絲調(diào)制電源

采用燈絲是為了給陰極加熱，保證陰極以需要的速率發(fā)射電子。但燈絲冷態(tài)時具有低阻特性，因此燈絲電源應(yīng)有限流的能力以限制電路啟動時的浪涌電流。同時，燈絲熱態(tài)時其阻抗會增加，燈絲必須工作在恒流狀態(tài)以保證燈絲的熱量。因此，燈絲電源應(yīng)具有限流和恒流兩個特性。常用的燈絲電源是一個以陰極為地（既浮在陰極高電位上）的低壓電源，所以在低壓狀態(tài)下可以先完成燈絲電源的電壓調(diào)試。

1.5 控制與保護

發(fā)射機監(jiān)控系統(tǒng)主要完成控制發(fā)射機的開/關(guān)機、檢測工作狀態(tài)并進行指示、故障判定，發(fā)射機與雷達航電系統(tǒng)的通信也是由監(jiān)控系統(tǒng)完成。發(fā)射機監(jiān)控系統(tǒng)由CPU、監(jiān)控電路和可編程器件（CPLD）來共同實現(xiàn)。其原理如圖4所示。

圖4 控制與保護原理框圖

2 更換行波管后系統(tǒng)集成實現(xiàn)

發(fā)射機修理過程中更換行波管占相當(dāng)一份比例，除了行波管到壽（正常使用的情況下，行波管壽命可到1 000小時）外，還有長時間不用導(dǎo)致行波管失效、通電異常等導(dǎo)致行波管失效。更換行波管后，要對整個發(fā)射系統(tǒng)重新調(diào)試集成。

行波管發(fā)射機系統(tǒng)的集成實現(xiàn)是形成最終產(chǎn)品交付用戶過程中最重要的一環(huán)，還是檢驗發(fā)射機性能指標(biāo)是否滿足要求和評價其質(zhì)量優(yōu)劣的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。系統(tǒng)集成調(diào)試分3個階段。首先，各類組件的調(diào)試集成；其次，整個系統(tǒng)的調(diào)試集成；最后進行系統(tǒng)測試。

2.1 各組件模塊的調(diào)試實現(xiàn)

在發(fā)射機集成聯(lián)試之前，首先應(yīng)將高壓電源組件、燈絲調(diào)制組件及低壓控保等組件進行單獨調(diào)試，使其滿足相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)要求。各電源組件的調(diào)試通常分為2個階段。首先，接負(fù)載調(diào)試，要求電源輸出的各項參數(shù)滿足行波管的具體指標(biāo)要求并在電阻負(fù)載下進行老練；其次，在電源各參數(shù)調(diào)試正常的情況下，進行空載通電調(diào)試（既不接負(fù)載調(diào)試），并保證各項參數(shù)與負(fù)載狀態(tài)基本一致。

新的行波管在裝機前要先測量其靜態(tài)值，包括陰極對柵極、柵極對地、收集極對地的絕緣電阻，使用數(shù)字兆歐表對上述各級之間打500V耐壓。這里要注意，陰極對地不能測絕緣，陰極對地的電阻可以用電橋來測得。預(yù)防級間有毛刺導(dǎo)致上高壓打火。

2.2 發(fā)射機系統(tǒng)集成實現(xiàn)

在各級組件調(diào)試完成后，可進行發(fā)射機系統(tǒng)的集成。根據(jù)行波管工作狀態(tài)參數(shù)的要求。應(yīng)先調(diào)整好正負(fù)偏電壓、燈絲電壓、螺旋線電壓使其與行波管相匹配。

保證冷卻系統(tǒng)正常工作的情況下，按圖連接好定向耦合器、射頻負(fù)載和相應(yīng)的測試儀表示波器、功率計等，進行通電調(diào)試。最后進行故障模擬，檢驗監(jiān)控系統(tǒng)是否能夠完好地做出相應(yīng)的故障保護。

各項技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)滿足要求后再對發(fā)射機系統(tǒng)進行拷機。

圖5 發(fā)射機系統(tǒng)測試原理圖

2.3 系統(tǒng)測試

發(fā)射系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)測試是發(fā)射機行波管修理過程中最后的也是最重要的一步。隨著測試技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，各類先進的高精度儀表和設(shè)備的使用，大大提高了測試精度，降低人為因素帶來的誤差。測試時要重點關(guān)注功率測試和發(fā)射機整機效率測試。

2.3.1 功率測試

脈沖功率和平均功率存在確定關(guān)系，即：

按以往修理發(fā)射機經(jīng)驗看，影響行波管發(fā)射機輸出功率的主要因素有以下幾種情況：

1）柵控行波管調(diào)制電壓，直接影響電子注的發(fā)射；2）柵控行波管燈絲電壓，決定燈絲加熱效果；

3）高穩(wěn)定度的高壓電源，保證各種工作條件下能量的轉(zhuǎn)換；

4）射頻信號輸入，關(guān)系到行波管的飽和增益；5）射頻輸出系統(tǒng)的駐波變化，關(guān)系到微波能量能否正常傳輸。

對其可能的原因做出適當(dāng)調(diào)節(jié)或調(diào)整，使其完全滿足頻帶內(nèi)功率要求。

2.3.2 發(fā)射機整機效率測試

發(fā)射機效率計算公式如下，其中P1～P11為11個頻點的功率，P-為115V/400Hz中頻電源的消耗功率，P+為直流28V電源的消耗功率。

發(fā)射機整機效率不僅與發(fā)射機電源的效率有關(guān)，并且取決于行波管自身的工作效率。將與行波管的各極電壓相匹配的電壓值調(diào)到與其出廠額定值一致，可以讓行波管工作在最佳狀態(tài)，從而提高行波管的工作效率。

3 行波管保養(yǎng)維護

穩(wěn)定的產(chǎn)生和維持電子注是行波管正常工作和保持壽命的關(guān)鍵，電子注由電子槍預(yù)熱在陰極電壓作用下發(fā)射產(chǎn)生，因此陰極電壓穩(wěn)定是行波管工作的必要條件。行波管出廠前，經(jīng)過激活、老練后，腔內(nèi)具有較高的真空度，陰極表面具有活性良好的發(fā)射面。長期存放，一方面陰極表面的活性物質(zhì)會流失，表面氧化，俗稱陰極中毒。另一方面，行波管的真空度也會發(fā)生微小變化。因此行波管需要定期加電老煉使陰極表面重新激活，真空度得以提升。

存放的行波管應(yīng)每隔半年進行一次老煉。老煉時應(yīng)保持散熱環(huán)境良好，然后對行波管加電工作，每次老練時間大概4～8小時。

4 結(jié)論

本文對行波管發(fā)射機的原理組成進行介紹，同時介紹了發(fā)射機在更換行波管后集成調(diào)試的方法和具體步驟。其他行波管發(fā)射機也可以借用或借鑒其中的系統(tǒng)調(diào)試和行波管保養(yǎng)維護方法。隨著國防意識逐步加強，軍用裝備使用率也越來越高，行波管使用效率也會相應(yīng)增加，這對我們航修人提出了更高要求。

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G2

A

1674-6708（2016）177-0056-02

陳媛，雷達工程師，雷達專業(yè)技術(shù)員，研究方向為軍用機載雷達發(fā)射機和電源。龐朋，工程師，雷達現(xiàn)場技術(shù)員，研究方向為各機型軍用機載雷達發(fā)射機。