基于空間行波管研制全過程的標準化工作

張朋 張玉芹 劉逸群 成紅霞 張曉冉 陳揚

（1工業(yè)和信息化部電子第四研究院，北京，100007；2南京三樂集團有限公司，南京，211800）

1 空間行波管特點及存在的問題

空間行波管廣泛應(yīng)用于通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、導航衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、微波成像儀器、微波遙感儀器和測控系統(tǒng)等衛(wèi)星有效載荷系統(tǒng)中，用于微波的末級功率放大，其技術(shù)性能直接影響各星載系統(tǒng)的指標。

與地面、艦載和機載系統(tǒng)中使用的行波管相比，空間行波管有以下特點[1]：

a）空間能源供給有限，所以要求空間行波管有盡可能高的效率；

b）星載產(chǎn)品不可替換和維修，所以要求空間行波管具備極長的壽命；

c）空間行波管既要能經(jīng)受住衛(wèi)星發(fā)射時的沖擊和振動等機械應(yīng)力，又需要適應(yīng)空間環(huán)境中的輻照、空間電磁干擾和散熱等一系列惡劣條件的影響，所以空間行波管必須有極高的可靠性。

近年來，空間行波管使用需求不斷增大，國產(chǎn)空間行波管在性能指標和可靠性方面與國外產(chǎn)品相比還有一定差距；同時，整機生產(chǎn)企業(yè)反映國產(chǎn)空間行波管在使用中還存在質(zhì)量一致性不高和參數(shù)離散性大等問題，因此研制單位需要通過加強可靠性設(shè)計和過程控制、優(yōu)化工藝和開展失效分析等措施進行持續(xù)改進。

2 基于空間行波管研制全過程的標準化需求

空間行波管研制全過程包括產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品制造和檢驗。標準化工作對于保證空間行波管的質(zhì)量與可靠性具有重要作用。

以往真空電子器件的標準化工作主要集中在對產(chǎn)品的檢驗考核方面，主要標準有GJB 3312A—2011《微波電子管通用規(guī)范》、GJB 3311A—2011《微波電子管測試方法》和GJB 616A—2001《電子管試驗方法》，涵蓋了對產(chǎn)品的電性能要求、環(huán)境適應(yīng)性要求、質(zhì)量保證規(guī)定、電性能參數(shù)測試方法和環(huán)境試驗方法。以此為基礎(chǔ)制定的空間行波管詳細規(guī)范可全面表征產(chǎn)品性能和可靠性，并為產(chǎn)品的檢驗考核提供依據(jù)。

目前空間行波管在產(chǎn)品設(shè)計和制造工藝方面還沒形成標準，在行波管的設(shè)計和制造工藝過程控制方面加強標準化工作，制定相關(guān)標準，可提高產(chǎn)品的固有可靠性，使 “可靠性是設(shè)計出來的、制造出來的”得以落實。

3 空間行波管詳細規(guī)范控制要求

空間行波管詳細規(guī)范在GJB 3312A—2011等通用要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合使用要求，規(guī)定產(chǎn)品的電性能參數(shù)、絕對最大額定值、工作條件、一般試驗條件、環(huán)境試驗要求、檢驗要求、包裝和儲存要求等。

空間行波管的指標有很多，可以大致分為：主要參數(shù)指標、副特性指標、外形指標、電氣參量指標、環(huán)境適應(yīng)性指標、壽命指標和適用性指標。

為了全面表征空間行波管性能和可靠性要求，并滿足使用要求，空間行波管詳細規(guī)范應(yīng)規(guī)定的內(nèi)容見表1。其他內(nèi)容和格式遵循GJB 3312A—2011的相應(yīng)要求。

表1 空間行波管詳細規(guī)范內(nèi)容

從批量應(yīng)用和維護角度來說，行波管的一致性越高越好。對整機而言，最重要的是保證行波管各極電壓的一致性。這樣可降低電源的設(shè)計難度、提高電源的通用性，也可使整機裝備的維護更加簡便。這類指標在詳細規(guī)范中通常通過工作條件的最大值和最小值表征，差值越小說明一致性越好。

行波管成品率一般作為行波管制造過程的控制評價參數(shù)，對于單個產(chǎn)品而言，不作為檢驗的指標，但從批量生產(chǎn)制造的角度來看，成品率的高低也能反映行波管可靠性和一致性。

4 空間行波管設(shè)計規(guī)范控制要素

空間行波管通常由電子槍、慢波系統(tǒng)、收集極、聚焦系統(tǒng)、輸能系統(tǒng)和外包裝組成。設(shè)計規(guī)范要素要求主要包括：空間行波管的電設(shè)計、熱設(shè)計、力學設(shè)計和可靠性設(shè)計。

4.1 電設(shè)計

電設(shè)計包括結(jié)構(gòu)、電氣參數(shù)和各部件設(shè)計。

a）結(jié)構(gòu)設(shè)計。主要包括：電子槍結(jié)構(gòu)、螺旋線慢波電路、聚焦方式、收集極降壓級數(shù)和收集極效率、輸能結(jié)構(gòu)、冷卻方式、各部件之間的對接方式及重量分配、各部件外形尺寸要求等。

b）電氣參數(shù)設(shè)計。主要包括：電子效率，各級電壓、電流、導流系數(shù)、陰極支取電流密度，注通道半徑，電子注半徑，各級收集極電壓及電流分配，電子注流通率等。

c）各部件設(shè)計。主要包括內(nèi)容見表2。

表2 空間行波管各部件設(shè)計內(nèi)容

4.2 熱設(shè)計

熱設(shè)計要素主要包括：①保證電子槍、螺旋線慢波結(jié)構(gòu)，收集極各部件之間相互焊接連接；②確定慢波電路接觸電阻值范圍；③確定慢波電路焊接散熱片的比例；④收集極內(nèi)表面單位面積耗散功率⑤收集極外部必須跟底板和蓋板焊接，焊接的填充率；⑥確定外部散熱。

熱設(shè)計應(yīng)使空間行波管能在滿足使用要求的環(huán)境溫度下正常工作。空間行波管溫度條件見表3。

表3 空間行波管溫度條件

4.3 力學設(shè)計

力學設(shè)計主要考慮振動、沖擊和加速度方面的要求。采用有限元分析方法，結(jié)合ANSYS軟件驗證設(shè)計機械應(yīng)力可靠性，主要對正弦振動、隨機振動等試驗條件進行分析，分析得出整管最大應(yīng)力及位置，并綜合分析結(jié)果進行裕度校核。在設(shè)計上可以利用CAD手段驗證機械應(yīng)力設(shè)計的準確性。

4.4 可靠性設(shè)計

可靠性設(shè)計是貫穿空間行波管設(shè)計始終的原則，從以下幾方面進行空間行波管可靠性分析。

a）在抗力學可靠性設(shè)計方面，需進行振動和沖擊等仿真分析。通過對行波管關(guān)鍵部件的振動模態(tài)分析可以找出引發(fā)其諧振響應(yīng)的最低頻率、結(jié)構(gòu)的固有頻率，通過沖擊分析可以發(fā)現(xiàn)薄弱的零件及結(jié)構(gòu)，對相關(guān)零部件的優(yōu)化設(shè)計可以提高其機械強度，從而降低行波管因結(jié)構(gòu)原因而引起的故障和失效，有效增加行波管在復雜力學環(huán)境下的工作可靠性。

b）熱學可靠性設(shè)計主要涉及電子槍的耐壓及穩(wěn)定性、高頻系統(tǒng)的散熱和收集極散熱等指標設(shè)計。

c）從空間行波管選用的零件、部件及結(jié)構(gòu)的力學和熱學等性能成熟度出發(fā)，針對固有失效模式，在陰極負荷、熱絲通斷、輸能系統(tǒng)功率容量、工作溫度、高壓絕緣能力、抗力學環(huán)境能力和真空度等方面進行降額設(shè)計和驗證，使空間行波管遠離極限工作狀態(tài)，提高空間行波管的可靠性。

d）作為全金屬陶瓷結(jié)構(gòu)的空間行波管，防泄露和抗干擾能力強。電磁兼容設(shè)計主要分析射頻連接器、低頻導線等的影響。

e）空間行波管對靜電不敏感，在設(shè)計時主要需要考慮外殼金屬之間實現(xiàn)良好搭接，在滿足功能要求的前提下優(yōu)先選用抗靜電能力強的零部件。

f）空間行波管主體為金屬陶瓷結(jié)構(gòu)，不是輻照敏感器件?？馆椪赵O(shè)計主要體現(xiàn)在材料和零部件的選取，例如：硅橡膠、導熱絕緣膠、電極引線等，需要選擇具有抗輻照能力的材料，電極引線外部安裝熱縮管以提高抗輻照性能。

5 空間行波管工藝規(guī)范控制要素

5.1 空間行波管工藝流程

空間行波管制造工藝復雜，工藝流程簡圖如圖1所示。

圖1 工藝流程簡圖

由工藝流程圖可以看出，從原材料采購到零件加工、部件裝配、整管排氣、測試、老煉、試驗等全過程，包含多個質(zhì)控點、檢驗點，都屬于工藝規(guī)范的要素范疇。

5.2 關(guān)鍵工藝及控制要求

通過對空間行波管工藝對于產(chǎn)品性能以及可靠性的影響進行分析，梳理空間行波管制造過程六大關(guān)鍵工藝：①電子槍裝配工藝；②螺旋線裝配工藝；③收集極裝配工藝；④冷測工藝；⑤排氣工藝；⑥熱測工藝。

在關(guān)鍵工藝的執(zhí)行過程中，設(shè)置相關(guān)關(guān)鍵檢驗點，按照關(guān)鍵檢驗點的要求嚴格執(zhí)行檢驗要求，100%剔除不合格品。同時可以按照用戶要求設(shè)置相關(guān)強制檢驗點，由用戶單位直接參與強制檢驗單元的檢驗。

5.3 工藝規(guī)范總體提綱

研究確定各工藝規(guī)范標準總體提綱，包括范圍、引用文件、術(shù)語和定義、一般要求、工藝要求、工藝質(zhì)量檢驗記錄等要求，如圖2所示。

圖2 工藝規(guī)范總體提綱

為了保證空間行波管的質(zhì)量與可靠性，標準不僅需要規(guī)定對產(chǎn)品進行合適的考核以證實其性能滿足要求，還要注重關(guān)鍵部件和關(guān)鍵工藝的考核要求和方法，更要從產(chǎn)品設(shè)計要素和工藝要素入手，一方面通過深化詳細規(guī)范控制要求，另一方面逐步形成空間行波管設(shè)計規(guī)范和工藝規(guī)范。目前形成的空間行波管設(shè)計要素和工藝要素控制要求，經(jīng)研制單位試行后，認為對提高產(chǎn)品的成品率和質(zhì)量一致性具有很好的促進作用。今后將繼續(xù)開展更為深入的研究工作，盡早將研究成果固化為標準，推動行業(yè)總體質(zhì)量水平提升。