行波管打火機理及其外圍電路防護方法

劉 波,程 鴿

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京211153)

行波管打火機理及其外圍電路防護方法

劉 波,程 鴿

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所,南京211153)

通過介紹行波管的結(jié)構(gòu)特點和工作原理,分析了行波管發(fā)射機打火的機理。針對行波管不同部位的打火,提出了發(fā)射機電路的幾種保護措施,為發(fā)射機的電路設(shè)計提供參考。

行波管;電子槍;磁鋼;收集極;打火;保護電路

0 引 言

行波管(TWT)是線性電子注或者O形管器件中的一種,主要分為兩類:寬應(yīng)用的螺旋線行波管和高功率的耦合腔行波管,其工作范圍可從低于1 GHz到高于100 GHz,功率容量從幾瓦到幾個兆瓦,其中螺旋線行波管帶寬可高達2個倍頻程或更高,而耦合腔行波管的帶寬通常在10%～20%范圍內(nèi)。行波管的應(yīng)用范圍很廣,在大多數(shù)的電子戰(zhàn)系統(tǒng)中都有應(yīng)用。特別是在雷達發(fā)射系統(tǒng),常常使用一只或者若干只行波管級聯(lián)作為產(chǎn)生高頻脈沖的大功率放大器。[1]

行波管工作穩(wěn)定可靠是保證發(fā)射機穩(wěn)定可靠的重要因素。在行波管工作時,管內(nèi)打火是常見的故障。現(xiàn)就調(diào)試和維修過程中遇到的情況結(jié)合行波管的結(jié)構(gòu)和工作原理來進行分析。

行波管具有輸出功率高、工作帶寬寬等較多的優(yōu)點,因而行波管發(fā)射機廣泛地應(yīng)用于雷達系統(tǒng)中。行波管放大的基本原理是通過電子注與輸入的高頻行波電場互相作用并進行能量交換,從而使得輸入信號在管內(nèi)不斷進行放大。[2]

行波管的結(jié)構(gòu)主要包括電子槍、慢波系統(tǒng)、輸入輸出裝置、聚束系統(tǒng)和收集極。在行波管制造過程中,由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,原材料及工藝控制困難,行波管打火常常發(fā)生,導(dǎo)致整機工作失效和發(fā)射機電路燒毀。為此,行波管的打火保護成為提高發(fā)射機穩(wěn)定性的一個最為重要的因素。本文針對行波管打火的機理介紹了發(fā)射機打火防護的幾種方法。

1 電子槍中的打火

行波管電子槍包括燈絲和陰極,是形成電子注的結(jié)構(gòu)。燈絲材料一般為純鎢或者摻雜有少量錸的鎢,表面再涂覆一層氧化物作為絕緣層。陰極是由鎢和氧化鈣、氧化鋁等氧化物燒結(jié)而成。[3]電子槍工作的時候燈絲電源給燈絲提供熱功率,然后將熱量傳遞給陰極,使其激發(fā)出電子,進而形成電子注。正常工作時陰極的溫度為800℃～1 100℃。陰極溫度過高會導(dǎo)致陰極在短時間內(nèi)蒸發(fā)出大量的活性物質(zhì)。活性物質(zhì)粘連在電子槍的金屬器件和絕緣陶瓷上形成金屬薄膜,導(dǎo)致電子槍與管體之間的絕緣性能變差,耐壓不夠引起打火。而當(dāng)陰極的溫度不夠的時候,逸出的電子數(shù)量變少,強行加上陰極高壓,會使電子注的聚焦變差,造成管子散焦打火。因此,控制好行波管的陰極溫度非常重要。在發(fā)射機中,都是依靠燈絲電源為行波管的電子槍中的燈絲提供電壓電流加熱燈絲烘烤陰極的。燈絲電源的輸出功率對應(yīng)陰極溫度。所以,為防止電子槍打火,應(yīng)該針對性地控制好燈絲電源的輸出功率。

燈絲的電阻隨溫度升高。冷態(tài)時燈絲電阻遠小于熱態(tài)時電阻。為此,采用一個帶有限流和過欠壓保護的穩(wěn)壓源作為燈絲電源為行波管電子槍提高燈絲功率。燈絲冷態(tài)時,該穩(wěn)壓源工作于限流模式,既保證冷態(tài)燈絲的快速加熱又控制燈絲不至于過流。燈絲熱態(tài)時,該穩(wěn)壓源工作于穩(wěn)壓模式,為燈絲提供穩(wěn)定的工作電壓以控制電子槍陰極的溫度穩(wěn)定。電壓源的過欠壓保護防止電源電壓由于意外的因素突變導(dǎo)致電子槍陰極溫度變化。圖1為燈絲電源控制保護示意圖。燈絲電源電壓一旦發(fā)生過欠壓故障,通過隔離電路將故障信息報送控保電路。控保電路關(guān)斷調(diào)制器和高壓電源的工作,避免打火發(fā)生。

圖1 燈絲電源保護示意圖

2 慢波線電流過大引起的打火

高頻信號在真空中是以光速傳播的。為了能和管內(nèi)電子注進行能量交換,必須使高頻信號減速,才能與電子注的速度同步。使高頻信號進行減速的結(jié)構(gòu)稱之為慢波線系統(tǒng),一般采用螺旋線或者耦合腔結(jié)構(gòu),大功率的發(fā)射機通常采用后者。典型行波管的耦合腔慢波結(jié)構(gòu)如圖2所示。[3]

圖2 耦合腔慢波結(jié)構(gòu)

行波管電子槍發(fā)射電子注后,電子注會在慢波系統(tǒng)中與高頻信號進行能量交換。在高頻電場和本身電子空間電荷作用力的影響下,電子注會發(fā)散,使得大量電子打在管體壁上,引起慢波線上的打火。慢波線打火的原因有以下幾個方面:磁場變化引起的散焦、陰極活性物質(zhì)不夠引起的散焦、陰極電壓不同步引起的慢波線過流和管內(nèi)真空環(huán)境變化引起的漏氣。

2.1 磁場變化引起的散焦

自微波管誕生以來,人們已經(jīng)對各種靜電聚焦技術(shù)進行了研究。目前,除了很少數(shù)的特殊情況外,均采用磁聚焦的方式。常用的磁聚焦系統(tǒng)有線包聚焦、永磁聚焦和周期永磁(PPM)聚焦,常用的是PPM聚焦。使用周期性永久磁鋼的PPM聚焦系統(tǒng)如圖3所示[3]。

圖3 周期永久磁鋼對電子注進行磁聚焦

當(dāng)電子注進入磁鋼內(nèi)磁鐵部分時,加在電子上的磁力的作用使得電子開始旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)運動與軸向場作用產(chǎn)生壓縮電子注的徑向力。當(dāng)電子注離開磁鐵部分,旋轉(zhuǎn)停止,聚焦力變?yōu)?,在空間電荷力的影響下電子注擴散。然后,電子注進入另一個磁鐵。該磁鐵的磁場方向與前一個磁鐵的相反。然后,電子注在相反方向上旋轉(zhuǎn),與前一段磁鐵一樣的聚焦。

電子注是在慢波線中和高頻信號進行相互作用,在電場的作用下進行群聚,進而在減速場將能量傳遞給微波信號。所以,磁場的變化會影響到電子注的聚焦。而導(dǎo)致磁場變化的原因有以下幾種情況:

(1) 磁鋼發(fā)生斷裂變形。在行波管的安裝過程由于外力作用下使得磁鋼發(fā)生了形變;

(2) 磁鋼附近有高溫源。磁鋼是由磁性的材料制成,常用的是釤鈷磁鋼,雖能抗350℃的高溫,但當(dāng)附近有高溫源導(dǎo)致超過最高工作溫度時會嚴(yán)重影響到磁鋼磁性材料的磁性,使得磁場改變;

(3) 磁鋼附近有改變磁場的物質(zhì)。例如磁性物體或者容易被磁性物體吸附的金屬物體。

在發(fā)射系統(tǒng)中,為了避免磁場的變化引起慢波線電流過大,應(yīng)該注意在安裝行波管的時候輕拿輕放,采用風(fēng)冷或者液冷等多種方式對行波管進行散熱,磁性和金屬物質(zhì)盡量遠離行波管10 cm以外。

2.2 陰極活性物質(zhì)不夠引起的散焦

行波管工作時的電子注是依靠陰極發(fā)熱逸出的自由電子提供的,而當(dāng)行波管陰極的活性物質(zhì)不夠時,電子注中的電子會顯著變少,在慢波系統(tǒng)中造成電子注發(fā)散,電子打在管壁上發(fā)生慢波線過流打火。

2.3 陰極電壓不同步引起的慢波線過流

當(dāng)陰極的電壓達不到管子工作需要的電壓時,電場就沒有足夠的能量使電子注很好地聚焦通過整個慢波系統(tǒng),電子注在慢波系統(tǒng)的后半段發(fā)散,形成慢波線打火,為此必須控制好陰極電壓幅度。

為避免同步電壓引起的打火,在高壓電路中設(shè)置了過欠壓保護。高壓電源過壓或欠壓時,通過控保電路切斷高壓,只有當(dāng)陰極電壓到達行波管的工作電壓時才讓行波管導(dǎo)通。圖4為陰極高壓保護控制圖。

圖4 陰極高壓保護示意圖

2.4 管內(nèi)真空環(huán)境變化引起的漏氣

為了獲得合適的性能,行波管管內(nèi)必須維持在壓強為10-7托到10-9托之間的高真空至超高真空的狀態(tài)下,可采用抽氣式的擴散泵、低溫泵或離子泵,常見的是鈦離子泵。鈦離子泵中鈦泵電源的電流大小與管體內(nèi)的真空程度高低非常接近,可以通過觀察鈦泵電源的電流大小來監(jiān)視管體的真空環(huán)境,正常電流在0～10 μA之間。當(dāng)管子真空度變差時鈦泵電流會顯著增加,達到30 μA以上。這時如果強行使行波管工作,將會導(dǎo)致電子注和空氣中的分子進行碰撞發(fā)散,造成慢波線打火。

鈦泵電源可采用基于芯片SG1525AJ所做的PWM開關(guān)電源,輸入直流15 V,輸出3 kV的高壓。電源內(nèi)部有過流和欠壓的保護,能很好地保證鈦泵正常工作。鈦泵電源保護示意圖見圖5。

圖5 鈦泵電源故障的保護示意圖

以上是引起慢波線打火的幾種常見原因。正常工作的時候慢波線電流應(yīng)該只有總電流的5%～10%。為了避免慢波線打火而引起行波管損壞,在發(fā)射機中可以通過觀察管體和地線連接的電流表來監(jiān)測慢波線電流的大小,通過串聯(lián)在電流表中的互感器來采樣慢波線電流的大小,當(dāng)電流大于預(yù)定值時切斷送給行波管陰極的高壓,從而保護行波管。慢波線電流采樣示意圖見圖6。

圖6 慢波線電流采樣電路圖

3 收集極過熱引起的打火

當(dāng)電子注在慢波線上完成能量交換后,剩余電子將會全部打在收集極上,其產(chǎn)生的電子能量都耗散在收集極上。

當(dāng)電子注進入收集極后,如不及時將熱量排掉會導(dǎo)致收集極材料過熱而表面熔化,尤其是脈沖工作的行波管。在脈沖工作期間,在非常薄的表面層,溫度會上升到很高值,在反復(fù)的加熱和冷卻過程中金屬的膨脹和收縮產(chǎn)生的應(yīng)力會逐漸損壞收集極的表面。另外,收集極的高溫擴散到慢波線上會導(dǎo)致電子空間運動的改變,從而使電子注發(fā)生散焦,造成慢波線過流。因此,收集極必須能夠及時地將大量的熱能耗散掉。由于銅的高導(dǎo)熱率,高功率的管子收集極一般采用銅制成,而對于不同大小的功率管,可以采用強迫風(fēng)冷、強迫液冷、汽相冷卻、輻射冷卻等等,使收集極一直處于良好的散熱條件下。

為了保證行波管不會由于收集極的過熱工作而損壞,可以在收集極端設(shè)置溫度感應(yīng)器來采樣溫度信號。同時,在提供風(fēng)冷的風(fēng)道上設(shè)置風(fēng)量傳感器,采樣冷卻風(fēng)量信號或在提供液冷的管道上設(shè)置液體流量傳感器采樣液體流量信號。一旦收集極溫度過高或冷卻風(fēng)冷過低(或液體流量過低)即可通過控保電路關(guān)斷行波管高壓保護行波管。圖7、圖8為溫度及流量保護原理圖。

圖7 采用強制風(fēng)冷保護示意圖

圖8 采用強制液冷示意圖

4 柵陰短路引起的打火

在柵控行波管中,在陰極的上方增加了柵網(wǎng)結(jié)構(gòu),如圖10所示。

圖9 柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)

為了使用較小的柵極電壓來控制行波管的通斷,陰極與柵極的距離通常只有幾個絲的距離。當(dāng)柵極與陰極之間距離過近時會引起柵極和陰極之間短路,簡稱柵陰短路。引起柵陰短路的現(xiàn)象有以下幾種可能:

(1) 行波管工作時,陰極蒸發(fā)出的活性金屬物質(zhì)聚集到柵網(wǎng)上,使柵網(wǎng)和陰極之間的耐壓不夠,發(fā)生打火;

(2) 外力的作用下使柵網(wǎng)發(fā)生變形,柵網(wǎng)的截獲電流增大,使柵網(wǎng)過熱,發(fā)生形變,導(dǎo)致柵陰短路;

(3) 行波管工作過程中,柵極負偏壓突然掉落,電子注大量打在柵網(wǎng)上,使柵網(wǎng)熔斷掉落至陰極,造成短路。

為了避免上述現(xiàn)象,在使用的過程中,應(yīng)當(dāng)調(diào)整好行波管的各項參數(shù),特別是燈絲電流的大小,防止陰極溫度過高引起短時間內(nèi)活性物質(zhì)的大量蒸發(fā)。同時,檢測柵極負偏壓,當(dāng)柵極負偏壓低于保護門限值時關(guān)閉陰極高壓以保護行波管。

5 結(jié)束語

上述方法是筆者在發(fā)射機研制試驗工作中的總結(jié)。采用以上措施對行波管的打火實施了一系列保護后,發(fā)射機的穩(wěn)定性得到明顯的提高,同時也有效地延長了行波管的使用壽命,提高了發(fā)射機的可靠性。

[1] 王振耀.雷達發(fā)射設(shè)備[M].北京:電子工業(yè)出版社,1998.

[2] 楊祥林.微波器件原理[M].北京:電子工業(yè)出版社,1985.

[3] Gilmour A S,Jr.速調(diào)管、行波管、磁控管、正交場放大管和回旋管[M].丁耀根,張兆傳,等譯[M].北京:國防工業(yè)出版社,2012.

Sparking mechanism of TWT and its peripheral circuit protection methods

LIU Bo, CHENG Ge

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

The structural characteristics and the working principle of the TWT are introduced, and the sparking mechanism of the TWT transmitter is analyzed. Several protection measures of the transmitter circuits are proposed for sparking at different parts of the TWT, providing a reference for the circuit design of the transmitter.

TWT; electronic gun; magnetic steel; collector; sparking; protection circuit

2017-03-22；

2017-04-05

劉波(1984-)，男，工程師，研究方向：雷達發(fā)射技術(shù)；程鴿(1985-)，女，工程師，研究方向：雷達發(fā)射技術(shù)。

TN839

A

1009-0401(2017)02-0060-04