行波管打火机理及其外围电路防护方法

刘 波,程 鸽

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京211153)

行波管打火机理及其外围电路防护方法

刘 波,程 鸽

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京211153)

通过介绍行波管的结构特点和工作原理,分析了行波管发射机打火的机理。针对行波管不同部位的打火,提出了发射机电路的几种保护措施,为发射机的电路设计提供参考。

行波管;电子枪;磁钢;收集极;打火;保护电路

0 引 言

行波管(TWT)是线性电子注或者O形管器件中的一种,主要分为两类:宽应用的螺旋线行波管和高功率的耦合腔行波管,其工作范围可从低于1 GHz到高于100 GHz,功率容量从几瓦到几个兆瓦,其中螺旋线行波管带宽可高达2个倍频程或更高,而耦合腔行波管的带宽通常在10%～20%范围内。行波管的应用范围很广,在大多数的电子战系统中都有应用。特别是在雷达发射系统,常常使用一只或者若干只行波管级联作为产生高频脉冲的大功率放大器。[1]

行波管工作稳定可靠是保证发射机稳定可靠的重要因素。在行波管工作时,管内打火是常见的故障。现就调试和维修过程中遇到的情况结合行波管的结构和工作原理来进行分析。

行波管具有输出功率高、工作带宽宽等较多的优点,因而行波管发射机广泛地应用于雷达系统中。行波管放大的基本原理是通过电子注与输入的高频行波电场互相作用并进行能量交换,从而使得输入信号在管内不断进行放大。[2]

行波管的结构主要包括电子枪、慢波系统、输入输出装置、聚束系统和收集极。在行波管制造过程中,由于结构复杂,原材料及工艺控制困难,行波管打火常常发生,导致整机工作失效和发射机电路烧毁。为此,行波管的打火保护成为提高发射机稳定性的一个最为重要的因素。本文针对行波管打火的机理介绍了发射机打火防护的几种方法。

1 电子枪中的打火

行波管电子枪包括灯丝和阴极,是形成电子注的结构。灯丝材料一般为纯钨或者掺杂有少量铼的钨,表面再涂覆一层氧化物作为绝缘层。阴极是由钨和氧化钙、氧化铝等氧化物烧结而成。[3]电子枪工作的时候灯丝电源给灯丝提供热功率,然后将热量传递给阴极,使其激发出电子,进而形成电子注。正常工作时阴极的温度为800℃～1 100℃。阴极温度过高会导致阴极在短时间内蒸发出大量的活性物质。活性物质粘连在电子枪的金属器件和绝缘陶瓷上形成金属薄膜,导致电子枪与管体之间的绝缘性能变差,耐压不够引起打火。而当阴极的温度不够的时候,逸出的电子数量变少,强行加上阴极高压,会使电子注的聚焦变差,造成管子散焦打火。因此,控制好行波管的阴极温度非常重要。在发射机中,都是依靠灯丝电源为行波管的电子枪中的灯丝提供电压电流加热灯丝烘烤阴极的。灯丝电源的输出功率对应阴极温度。所以,为防止电子枪打火,应该针对性地控制好灯丝电源的输出功率。

灯丝的电阻随温度升高。冷态时灯丝电阻远小于热态时电阻。为此,采用一个带有限流和过欠压保护的稳压源作为灯丝电源为行波管电子枪提高灯丝功率。灯丝冷态时,该稳压源工作于限流模式,既保证冷态灯丝的快速加热又控制灯丝不至于过流。灯丝热态时,该稳压源工作于稳压模式,为灯丝提供稳定的工作电压以控制电子枪阴极的温度稳定。电压源的过欠压保护防止电源电压由于意外的因素突变导致电子枪阴极温度变化。图1为灯丝电源控制保护示意图。灯丝电源电压一旦发生过欠压故障,通过隔离电路将故障信息报送控保电路。控保电路关断调制器和高压电源的工作,避免打火发生。

图1 灯丝电源保护示意图

2 慢波线电流过大引起的打火

高频信号在真空中是以光速传播的。为了能和管内电子注进行能量交换,必须使高频信号减速,才能与电子注的速度同步。使高频信号进行减速的结构称之为慢波线系统,一般采用螺旋线或者耦合腔结构,大功率的发射机通常采用后者。典型行波管的耦合腔慢波结构如图2所示。[3]

图2 耦合腔慢波结构

行波管电子枪发射电子注后,电子注会在慢波系统中与高频信号进行能量交换。在高频电场和本身电子空间电荷作用力的影响下,电子注会发散,使得大量电子打在管体壁上,引起慢波线上的打火。慢波线打火的原因有以下几个方面:磁场变化引起的散焦、阴极活性物质不够引起的散焦、阴极电压不同步引起的慢波线过流和管内真空环境变化引起的漏气。

2.1 磁场变化引起的散焦

自微波管诞生以来,人们已经对各种静电聚焦技术进行了研究。目前,除了很少数的特殊情况外,均采用磁聚焦的方式。常用的磁聚焦系统有线包聚焦、永磁聚焦和周期永磁(PPM)聚焦,常用的是PPM聚焦。使用周期性永久磁钢的PPM聚焦系统如图3所示[3]。

图3 周期永久磁钢对电子注进行磁聚焦

当电子注进入磁钢内磁铁部分时,加在电子上的磁力的作用使得电子开始旋转。旋转运动与轴向场作用产生压缩电子注的径向力。当电子注离开磁铁部分,旋转停止,聚焦力变为0,在空间电荷力的影响下电子注扩散。然后,电子注进入另一个磁铁。该磁铁的磁场方向与前一个磁铁的相反。然后,电子注在相反方向上旋转,与前一段磁铁一样的聚焦。

电子注是在慢波线中和高频信号进行相互作用,在电场的作用下进行群聚,进而在减速场将能量传递给微波信号。所以,磁场的变化会影响到电子注的聚焦。而导致磁场变化的原因有以下几种情况:

(1) 磁钢发生断裂变形。在行波管的安装过程由于外力作用下使得磁钢发生了形变;

(2) 磁钢附近有高温源。磁钢是由磁性的材料制成,常用的是钐钴磁钢,虽能抗350℃的高温,但当附近有高温源导致超过最高工作温度时会严重影响到磁钢磁性材料的磁性,使得磁场改变;

(3) 磁钢附近有改变磁场的物质。例如磁性物体或者容易被磁性物体吸附的金属物体。

在发射系统中,为了避免磁场的变化引起慢波线电流过大,应该注意在安装行波管的时候轻拿轻放,采用风冷或者液冷等多种方式对行波管进行散热,磁性和金属物质尽量远离行波管10 cm以外。

2.2 阴极活性物质不够引起的散焦

行波管工作时的电子注是依靠阴极发热逸出的自由电子提供的,而当行波管阴极的活性物质不够时,电子注中的电子会显著变少,在慢波系统中造成电子注发散,电子打在管壁上发生慢波线过流打火。

2.3 阴极电压不同步引起的慢波线过流

当阴极的电压达不到管子工作需要的电压时,电场就没有足够的能量使电子注很好地聚焦通过整个慢波系统,电子注在慢波系统的后半段发散,形成慢波线打火,为此必须控制好阴极电压幅度。

为避免同步电压引起的打火,在高压电路中设置了过欠压保护。高压电源过压或欠压时,通过控保电路切断高压,只有当阴极电压到达行波管的工作电压时才让行波管导通。图4为阴极高压保护控制图。

图4 阴极高压保护示意图

2.4 管内真空环境变化引起的漏气

为了获得合适的性能,行波管管内必须维持在压强为10-7托到10-9托之间的高真空至超高真空的状态下,可采用抽气式的扩散泵、低温泵或离子泵,常见的是钛离子泵。钛离子泵中钛泵电源的电流大小与管体内的真空程度高低非常接近,可以通过观察钛泵电源的电流大小来监视管体的真空环境,正常电流在0～10 μA之间。当管子真空度变差时钛泵电流会显著增加,达到30 μA以上。这时如果强行使行波管工作,将会导致电子注和空气中的分子进行碰撞发散,造成慢波线打火。

钛泵电源可采用基于芯片SG1525AJ所做的PWM开关电源,输入直流15 V,输出3 kV的高压。电源内部有过流和欠压的保护,能很好地保证钛泵正常工作。钛泵电源保护示意图见图5。

图5 钛泵电源故障的保护示意图

以上是引起慢波线打火的几种常见原因。正常工作的时候慢波线电流应该只有总电流的5%～10%。为了避免慢波线打火而引起行波管损坏,在发射机中可以通过观察管体和地线连接的电流表来监测慢波线电流的大小,通过串联在电流表中的互感器来采样慢波线电流的大小,当电流大于预定值时切断送给行波管阴极的高压,从而保护行波管。慢波线电流采样示意图见图6。

图6 慢波线电流采样电路图

3 收集极过热引起的打火

当电子注在慢波线上完成能量交换后,剩余电子将会全部打在收集极上,其产生的电子能量都耗散在收集极上。

当电子注进入收集极后,如不及时将热量排掉会导致收集极材料过热而表面熔化,尤其是脉冲工作的行波管。在脉冲工作期间,在非常薄的表面层,温度会上升到很高值,在反复的加热和冷却过程中金属的膨胀和收缩产生的应力会逐渐损坏收集极的表面。另外,收集极的高温扩散到慢波线上会导致电子空间运动的改变,从而使电子注发生散焦,造成慢波线过流。因此,收集极必须能够及时地将大量的热能耗散掉。由于铜的高导热率,高功率的管子收集极一般采用铜制成,而对于不同大小的功率管,可以采用强迫风冷、强迫液冷、汽相冷却、辐射冷却等等,使收集极一直处于良好的散热条件下。

为了保证行波管不会由于收集极的过热工作而损坏,可以在收集极端设置温度感应器来采样温度信号。同时,在提供风冷的风道上设置风量传感器,采样冷却风量信号或在提供液冷的管道上设置液体流量传感器采样液体流量信号。一旦收集极温度过高或冷却风冷过低(或液体流量过低)即可通过控保电路关断行波管高压保护行波管。图7、图8为温度及流量保护原理图。

图7 采用强制风冷保护示意图

图8 采用强制液冷示意图

4 栅阴短路引起的打火

在栅控行波管中,在阴极的上方增加了栅网结构,如图10所示。

图9 栅网结构

为了使用较小的栅极电压来控制行波管的通断,阴极与栅极的距离通常只有几个丝的距离。当栅极与阴极之间距离过近时会引起栅极和阴极之间短路,简称栅阴短路。引起栅阴短路的现象有以下几种可能:

(1) 行波管工作时,阴极蒸发出的活性金属物质聚集到栅网上,使栅网和阴极之间的耐压不够,发生打火;

(2) 外力的作用下使栅网发生变形,栅网的截获电流增大,使栅网过热,发生形变,导致栅阴短路;

(3) 行波管工作过程中,栅极负偏压突然掉落,电子注大量打在栅网上,使栅网熔断掉落至阴极,造成短路。

为了避免上述现象,在使用的过程中,应当调整好行波管的各项参数,特别是灯丝电流的大小,防止阴极温度过高引起短时间内活性物质的大量蒸发。同时,检测栅极负偏压,当栅极负偏压低于保护门限值时关闭阴极高压以保护行波管。

5 结束语

上述方法是笔者在发射机研制试验工作中的总结。采用以上措施对行波管的打火实施了一系列保护后,发射机的稳定性得到明显的提高,同时也有效地延长了行波管的使用寿命,提高了发射机的可靠性。

[1] 王振耀.雷达发射设备[M].北京:电子工业出版社,1998.

[2] 杨祥林.微波器件原理[M].北京:电子工业出版社,1985.

[3] Gilmour A S,Jr.速调管、行波管、磁控管、正交场放大管和回旋管[M].丁耀根,张兆传,等译[M].北京:国防工业出版社,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

刘波(1984-)，男，工程师，研究方向：雷达发射技术；程鸽(1985-)，女，工程师，研究方向：雷达发射技术。

TN839

A

1009-0401(2017)02-0060-04