某雷達大功率脈沖行波管可靠性研究

戴春華

(海軍駐揚州723所軍事代表室，揚州 225001)

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某雷達大功率脈沖行波管可靠性研究

戴春華

(海軍駐揚州723所軍事代表室，揚州 225001)

摘要：就各種影響某雷達大功率脈沖行波管可靠性的因素進行研究，通過分析導致大功率脈沖行波管失效的種類和成因，提出了提高設計冗余量、優化內部結構、工藝改進、材料選擇和定期維護等具體的解決手段。

關鍵詞：雷達;脈沖行波管;可靠性

0引言

目前，隨著戰場電磁環境的復雜化，雷達的威力和精度面臨著巨大的考驗，行波管作為雷達整機的核心器件，對于大幅度提升雷達整機的性能至關重要。新材料和新工藝的進步，柵控大功率脈沖行波管已經發展到相當的水平，為實現大功率、長壽命、低噪聲、寬頻帶和高可靠的行波管，在行波管設計和生產的各階段對工藝、材料和結構等方面應嚴格把關。圖1為大功率脈沖行波管結構示意圖。

圖1　大功率脈沖行波管結構示意圖

1國內外大功率脈沖行波管可靠性現狀

我國的大功率行波管在可靠性數據上與美國和歐洲國家存在一定的差距，實際使用情況更是有較大的差距，以某型美國放大器和國內指標相當的放大器比較為例，美國的放大器可連續20余年工作無故障，20余年后由于電源故障導致放大器無法使用，且經測試行波管的各項指標均未惡化；而國內的放大器故障頻發，行波管連續工作1 000 h都無法保證。當然行波管的可靠性與功率和頻率有關，功率越大，頻率越高，可靠性越低。如某雷達用大功率脈沖行波管壽命指標為1 000 h，但很少有行波管可以達到壽命指標，該型大部分行波管工作500 h后性能就開始下降，少部分行波管壽命只有200 h左右。近幾年，隨著裝備可靠性要求逐步提高，對行波管的可靠性要求也在逐年提升[1-3]。

2大功率脈沖行波管失效的種類和成因

根據對應用中的某大功率脈沖行波管進行失效原因統計，得到表1。

表1　某大功率脈沖行波管失效原因

從圖2可以看出，陰極發射能力下降、燈絲斷、偶發打火等是造成某大功率脈沖行波管失效的主要原因，下面分別對這幾種失效原因進行分析說明。

圖2　某大功率脈沖行波管失效原因圖

2.1陰極發射能力下降

陰極溫度過高時，容易造成陰極蒸發。陰極蒸發易導致陰極發射能力下降，進而造成射頻功率下降，最終導致行波管失效。影響陰極發射能力的原因主要有兩方面：(1)陰極材料缺陷，采用不同材料制備的陰極，比如采用A鹽和B鹽制備的陰極，在相同的陰極溫度下，A鹽制備的陰極蒸發明顯小于B鹽；(2)行波管由于有輸出功率的要求，需提高陰極的溫度，以改善陰極發射電子的能力，這在短時間內可提高射頻輸出功率，但過高的陰極溫度容易造成陰極蒸發，一般來說，陰極的正常工作溫度為1 050 ℃，陰極溫度每升高50 ℃，陰極壽命減半。長時間提高陰極溫度，將會導致行波管迅速失效。圖3為陰極溫度和壽命關系示意圖。

圖3　陰極溫度和壽命關系示意圖

2.2熱絲斷

由于熱沖擊或承受電壓過高易導致熱絲斷故障，該類型故障是導致行波管過早失效的主要原因之一。熱絲熔斷導致熱絲無法繼續為陰極加熱，并且無法進行維修，一般情況下，導致熱絲斷主要有3個方面的原因：(1)焊接原因。熱絲的焊接面由2種不同的材料構成，其膨脹系數不一致。若接觸面焊接不牢，在熱絲受到長時間的熱沖擊(如反復的加電)時，焊接面處容易出現接觸不良，這時接觸面上的電阻將逐漸變大，最終熱絲斷開造成行波管失效。(2)熱絲電源電壓偏高。熱絲電源電壓偏高易導致熱絲電流過大，超出熱絲承受范圍，最終由于過熱等原因導致熱絲熔斷。(3)材料原因。熱絲的材料如果有雜質或氣孔，當熱絲有電流通過時，電壓和電流應力將施加在該處，造成熱絲熔斷，行波管失效。

2.3偶發打火

偶發打火會造成電子槍區域瞬間真空度下降，致使陰極中毒，表現為陰極受損、發射電流變小，行波管無法繼續使用。打火主要有以下原因：(1)電極表面的微小毛刺、加工過程中殘留的微小顆粒、生產線不潔凈造成的灰塵、陰極蒸發在電極表面上形成的松散薄膜、來自熱絲絕緣陶瓷材料的粒子、化學刻蝕的殘留粒子都有可能導致真空中的直流擊穿，進而導致行波管偶發打火；(2)行波管內無可避免的會存在金屬、絕緣體與真空之間的三重交匯點，這種三重交匯點是真空器件最薄弱的環節之一，由于該處形成的電子發射機理以及絕緣體的表面效應，絕緣體表面的擊穿強度要遠低于真空間隙或等距離的固態絕緣體，因此在三重交匯點有可能會出現偶發打火現象[4]。

2.4電子槍漏電

在電子槍殼封接時，高溫會使焊料中的“易于活動”的導電物質“爬到”高壓絕緣陶瓷的內壁。此后，在管子工作過程中，這些“易于活動的物質”還要繼續沿著絕緣陶瓷表面“爬動”，進一步縮短絕緣距離。同時，由于陰極物質會不斷蒸發，進一步把導電物質附著在電子槍殼絕緣陶瓷的內表面上，導電物質會不斷疊加。導電物質擴散和陰極蒸發到一定程度便會造成高壓擊穿。陰極材料不純或制造工藝不嚴格時，在工作溫度下陰極蒸發較為嚴重。一般來說，這種漏電到擊穿的危險性隨時間的推移而上升。

2.5自激振蕩

行波管自激指的是無激勵的情況下，行波管輸出有功率，輸出功率的頻點固定。當然，行波管自激機理較為復雜，自激主要有2個方面的原因：(1)電參數設置不合理，或電源自激振蕩，導致行波管偏離正常工作狀態；(2)行波管自身設計缺陷，高頻系統存在泄漏或存在諧振頻率，導致行波管自激振蕩。

3大功率脈沖行波管可靠性的提高

3.1大功率脈沖行波管設計方面

(1) 提高設計冗余量,優化內部結構

首先要引入計算機輔助設計手段。隨著計算機軟件及硬件的發展，計算機輔助設計已成為大功率脈沖行波管設計的主要手段之一，可以實現行波管從電子槍到收集極的一體式設計。在設計時使用多種電磁學、力學、熱學仿真軟件，模擬行波管在各種環境條件下的工作狀態，找到行波管內部結構設計的薄弱點，有針對性地進行改進，優化行波管內部結構，可以大幅提高行波管使用的可靠性。

(2) 關鍵材料的選擇及工藝改進

某些關鍵材料(如陰極材料及熱絲材料)的選擇在一定程度上決定了大功率脈沖行波管的壽命，需要結合行波管特點及實際使用環境進行選擇，可以在滿足使用的情況下提高行波管的使用壽命及可靠性。

為了預防打火現象的發生，需要對行波管的部分制造工藝進行優化改進。如為預防電子槍漏電，需要在槍殼焊接時選用溫度較高的焊料來預防蒸發，在上整管前一定要對電子槍殼進行處理，去除因封接帶來的導電層。對于蒸發嚴重的陰極，在裝管前應實施預先蒸散的工藝。

圖4為電子槍組件熱、力仿真示意圖，圖5為采用改進工藝加工的電子槍電極零件及仿真圖。

圖4　電子槍組件熱、力仿真示意圖

圖5　采用改進工藝加工的電子槍電極零件及仿真圖

從圖4、圖5可以看出，通過工藝改進后制作的電子槍電極零件表面非常光潔，通過對仿真表面極間電場強度明顯降低，可以減小電子槍打火的概率。

3.2大功率脈沖行波管使用方面

將大功率脈沖行波管的某些故障歸因于管子在設計和制造過程中問題的同時，還有許多故障源于整機系統的設計不當或保護功能過差。此外，還存在著由外部損壞引起的故障，顯然這是由安裝和使用不當造成的。因此，為提高行波管的可靠性，合理的使用也很重要。例如：行波管工作時最佳工作點的測量及選擇，在使用中用研雙方需要細化明確陰

極工作點的測試方法，充分考慮到陰極電壓在發射機中的線壓降等影響因素，使行波管工作在最佳狀態。

大功率脈沖行波管的核心工作區域為超高真空環境，存在著物理熱電子的發射、傳輸和接收過程，有極高的工作電壓和聚焦磁場，有眾多的真空密封焊縫，使用材料涵蓋了70%以上的已知元素等，這些特有的構造特點使得行波管存在著苛刻的庫房及整機維護要求。必須按照制造方提供的規范進行例行維護，才能保證行波管一直處于良好的使用狀態。

4結束語

本文分析了國內外大功率行波管的可靠性現狀，通過對比發現，國內行波管的可靠性指標與歐美國家行波管還存在一定的差距。重點介紹了導致大功率脈沖行波管失效的主要種類，并就行波管可靠性的提高提出了具體的改進措施和方向。

參考文獻

[1]王秀連.行波管放大器的保養與維護[J].科技咨詢，2014(11)：11-12.

[2]蘇振華，楊家鏗，張增照.行波管可靠性失效率模型的研究[J].真空電子技術，1997(6)：55-60.

[3]張小平.殘余氣體對微波電子管壽命的影響[J].真空電子技術，2007(3)：42-44.

[4]高隴橋，劉敏玉，劉征.陶瓷-金屬封接技術的可靠性增長[J].真空電子技術，2009(4)：1-3.

Research into Reliability of High-power Pulse TWT in A Certain Radar

DAI Chun-hua

(Naval Representative Office Based in The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

Abstract:This paper studies various factors influencing the reliability of high-power pulse traveling wave tube (TWT) in a certain radar,analyzes the classification and cause leading the failure of high-power pulse TWT,provides specific solution means such as increase of design redundancy,optimization of internal structure,technics improvement,material selection and periodical maintenance,etc.

Key words:radar;pulse traveling wave tube;reliability

收稿日期:2015-10-08

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.06.010

中圖分類號：TN124

文獻標識碼：A

文章編號：CN32-1413(2015)06-0039-03