某型雷達導引頭速調管故障分析及質量優化

付強 王東振 化麒 李恒松 秦燕鴿 高希輝

摘要：某型速調管是某型空空導彈導引頭發射機功率放大組件，針對其批量生產中出現的成品率不高、性能狀態不穩定、外場使用中不斷出現質量問題等情況，從速調管組成原理出發，重點分析電子槍、管體等各單元模塊工作機理及技術要求，通過嚴控檢漏工藝、延長老煉時間、減少調諧次數，進一步識別制管工藝薄弱環節，提升速調管批生產中的工作穩定性和可靠性，給出質量改進措施。

關鍵詞：速調管；故障分析；薄弱環節；質量優化

Keywords：klystron；fault analysis；weaklink；quality optimization

0 引言

某型速調管為空空導彈導引頭發射機功率放大組件，該型裝備在部隊測試時出現探測信號功率檢測異常情況，通過工廠導彈檢測系統和導引頭檢測系統分別驗證，該枚導彈導引頭發射機功率放大作用未達到最優狀態。經過對發射機系統的深入分析研究，該型導彈采用速調管體制發射機，為預防速調管真空度下降，日常需要定期維護，維護中多次出現電打火燒毀其他電路板情況，同時發現該型速調管批生產中成品率不高，生產加工中需要對制管工藝加強質量管控[1]。

1 速調管功能與組成

該型速調管的作用是在雷達發射機中作為末級微波功率放大器，由電子槍、管體、收集極、輸入輸出系統及磁聚焦系統五大部分組成[2]，如圖1所示。

1.1 電子槍

電子槍由陰極和熱子、電子注形成和控制電極（聚焦極或控制極）及相應的支撐結構和引出結構、陽極和高壓絕緣瓷等部分組成，主要作用是產生高能電子注。電子槍陰極發射的電子在陰極和陽極之間高壓的作用下加速到相當高的速度后注入管體部件。

柵極用于控制陰極在速調管工作期間發射電子、在脈沖間隔期間不發射電子。為了保證陰極電子在脈沖間隔期間不發射電子，柵極上需要加-500V左右的負偏壓。在速調管工作期間，柵極加25～50V的脈沖電壓，陰極發射足夠強度的電子，經柵極和陽極成形后，注入管體部件。

速調管陰極和柵極之間的距離約為0.3mm，電極間的平均電場強度為3kV/mm；柵極和陽極之間的距離約為0.5mm，電極間的平均電場強度小于7.5kV/mm。在真空中，電極間的電場強度小于9kV/mm，可以確保速調管在正常情況下穩定工作。

1.2 管體

管體由一系列參差調諧的諧振腔組成，是高能電子注和高頻電磁場（微波）相互作用實現微波功率放大的場所。

在互作用區的開始，高頻電磁場對電子注進行速度調制；經過速度調制后的電子注在向前漂移的過程中逐步轉化為密度調制；密度調制的電子注在后面的諧振腔中會激勵起高頻電磁場，繼續對電子注進行速度調制；經過一段距離的漂移，電子注的密度調制更強；在輸出腔中，經過良好的密度調制的電子注激勵起足夠能量的微波功率，實現微波功率放大。

1.3 輸入輸出系統

輸入系統的功能是將弱小的微波能量饋入互作用場所（管體）。輸出系統的功能是實現電子注與高頻電場相互作用，將群聚電子注的能量轉換成微波能量，實現微波放大，輸出系統的特性對速調管的效率、帶寬等性能指標有重要影響。

1.4 收集極

收集極收集互作用后的電子并轉化為熱能。在靜態條件下（速調管無微波功率輸出），收集極耗散電子注的全部能量；在動態條件下（速調管輸出微波功率），電子注的一部分能量轉換為微波能量，收集極耗散電子注的剩余能量。

1.5 磁聚焦系統

磁聚焦系統約束電子注的形狀，保證電子注在運動和互作用過程中大部分電子能夠穿過管體進入收集極。該型速調管受使用環境限制，使用的是均勻永磁聚焦系統，提高了發射機系統的效率。

2 速調管工作原理

由陰極發射的電子注經柵極控制、陽極加速后在聚焦系統的約束下注入高頻系統，在高頻系統中與通過輸入系統輸入的高頻場相互作用，形成電子注的速度調制與密度調制。電子注將一部分動能交換給高頻場，完成高頻信號的放大，通過輸出系統輸送到天線或負載；電子注打到收集極上，剩余動能轉化為熱能，由收集極耗散。具體過程如下。

在電子注與高頻互作用系統（包含輸入系統、多個中間諧振腔、漂移段、輸出系統）的相互作用中，電子注在通過輸入系統的間隙時，在高頻電場的作用下產生速度調制，即在高頻周期的正半周通過諧振腔間隙的電子受到加速，負半周通過諧振腔間隙的電子受到減速。速度調制的電子注經過一定長度的漂移段后產生密度調制，即快電子逐步趕上慢電子，使電子注中電子分布疏密不均，電子發生了群聚。

密度調制電子注中含有輸入高頻電場的基波和諧波分量，當其通過第二個諧振腔間隙時，將在諧振腔內激勵起高頻感應電流，并在諧振腔間隙中建立起比輸入諧振腔更高的高頻電場。該高頻電場反過來對電子注產生更大的速度調制作用，從而在第二個漂移管內產生更強的密度調制。通過以上多次重復，到達輸出腔入口時，形成了高度群聚的電子注。

進入輸出系統的群聚電子注中包含很高的基波電流分量，當其通過輸出腔間隙時，建立起很高的高頻電場，并將部分動能轉換成高頻能量，實現高頻信號的放大[3]。

該速調管具有工作電壓低、輸出功率大、體積小、重量輕、增益高等特點。作為彈載雷達發射機的末級功率放大使用，將幾毫瓦級功率放大到上百瓦的脈沖峰值功率。

3 速調管工藝結構薄弱環節

該型多注速調管的制管工藝流程如圖2所示。通過對生產工藝流程的分析可知：

1）考慮該速調管生產全過程，整體是由金屬陶瓷材料焊接而成，必須保證管內具有一定真空度，速調管才能正常工作。各零部件裝配焊接成型后都要通過真空檢漏儀的嚴格檢測，檢測合格的零部件才能進入下一道工序，因此各零部件連接處的焊接質量尤為重要。

2）速調管調諧膜片的厚度只有0.5mm，該厚度是調節各諧振腔的頻率以保證速調管正常工作的性能指標。由于在測試速調管的過程中需反復拉動調諧膜片以對各諧振腔的頻率進行調節，可能會引起金屬材料疲勞從而導致調諧膜片發生微漏。

3）制管所用零部件在電子的轟擊下存在放氣的可能，釋放的氣體會造成陰極發射能力下降，導致速調管工作異常。

因此，可以認為上述三種情況為該型多注速調管生產中的薄弱環節。

4 質量優化措施

轉換為離子流允許變化量為13nA。其他貯存時間允許的離子流變化情況以此類推。

2）延長老煉時間，減少管內放氣量

小批量試生產初期工藝老煉測試狀態如表1所示。

經過貯存后，發現部分產品存在管內放氣現象，為此對測試工藝進行更改，延長速調管的老煉測試時間，使管內零部件吸附的氣體充分釋放。更改后的工藝老煉測試狀態如表2所示。

3）控制調諧量，減少調諧次數

為減少頻率偏移量，速調管在冷測、釬焊階段采取了多種措施，包括控制焊料使用量、預設頻偏修正量等。在熱測過程中，避免多次反復擰調諧釘以及控制調諧釘位移量，避免膜片出現金屬疲勞而受損。最后通過貯存方式檢驗是否存在微漏點。

5 結束語

針對某型空空導彈戰訓使用中批量生產成品率不高、性能狀態不穩、外場使用中不斷出現質量問題等情況，通過分析生產制造工藝薄弱環節，采取增加貯存期、延長老煉時間、控制調諧量等質量改進手段，有效提升了速調管制管的合格率。本方法對功率大、體積小、重量輕、增益高的多注速調管加工制造以及失效分析有參考價值。

參考文獻

[1] 丁耀根.大功率速調管的技術現狀和最新發展[J].真空電子技術，2020（1）：1-5.

[2] 電子管設計手冊編輯委員會編.大功率速調管設計手冊[M].北京：國防工業出版社，1979：76-89.

[3] 哈依科夫.速調管放大器[M].北京：國防工業出版社，1980：1-15.

[4]中國人民解放軍總裝備部軍事訓練教材編輯工作委員會.可靠性試驗技術[M].北京：國防工業出版社，2003.

作者簡介

付強，工程師，研究方向為彈載發射機系統修理技術。