某型指令发射机自动频率微调原理分析

■ 邓松 唐星星 甘家松/国营长虹机械厂

0 引言

某型指令发射机作为某型武器系统指令链路的重要组成部件，除发射功率外，其工作频率也是重要指标之一。在许多情况下，频率稳定度差会导致通信作用距离缩短，甚至完全破坏联络。

磁控管是该型指令发射机中主要的微波功率源，具有输出功率大、效率高等优点，指令发射机的辐射功率和工作频率主要由其保证。但在实际工作中，磁控管频率会发生漂移，需通过自动频率微调系统来保证指令发射机获得极高的频率稳定度。

1 磁控管变频原理

指令发射机的磁控管采用同轴磁控管形式，主要分为阳极谐振系统、阴极、能量输出装置、频率调谐机构、磁路系统五大部分。其中，阳极调谐系统决定磁控管的振荡频率和频率稳定度，储存由电子和高频场相互作用所产生的高频能量，并通过能量输出器将大部分高频能量馈送给负载，因此必须具备极高的品质和标准性。阳极调谐系统主要由谐振腔沿圆柱形内部区域排列组成，其振荡频率取决于谐振腔的等效电容、电感。采用机械运动或电的方法改变谐振腔的等效电容、电感都能改变磁控管的振荡频率，前者称为机械调谐，后者称为电调谐。电调谐主要通过改变阳极电压或通过电子流注入等方法实现磁控管调频。该型指令发射机的磁控管属于机械调谐。

测试发现，在固定的中心频率上，该型指令发射机磁控管输出的高频频率以恒定的变化范围和恒定的速率周期变化，属于颤抖调谐磁控管。如图1所示，磁控管的颤抖机构安装在其调谐器上，调谐活塞的轴上安装有凸轮装置，外部连接电机及减速机构（见图2）。当电机转动时，偏心装置通过滚珠轴承使调谐活塞沿谐振腔轴向做正弦运动，从而改变谐振腔的大小。

如图3所示，由于磁控管发射脉冲的宽度与频率调制周期相比十分短促，在各个脉冲的持续时间内，发射频率几乎不变。适当改变伺服电机的转速（即改变磁控管的频率调整周期），可使每一脉冲都得到与前一个脉冲不同且不相关的发射频率，从而实现脉间变频。经测试，其频率改变范围约为中心频率的3.5%。

2 自动频率微调系统

为了防止磁控管频率漂移，指令发射机采用了一套自动频率微调系统来保证磁控管具有极高的频率稳定度，图4为自动频率微调系统工作原理示意图，图5为产品实物。

整个自动频率微调系统利用一个标准谐振腔，是带有被调制谐振腔的鉴频器（见图6）。它是一个高质量因数的谐振腔，其中的一个壁由膜片组成，在由交流供电的螺线管作用下发生位移。谐振腔与磁控管、检波器耦合，从检波器取得控制电压，对磁控管进行频率微调。

鉴频器用于鉴别输入信号频率偏离额定频率的程度，同时产生一个与频率偏差量成比例的误差信号电压，作为自动频率调整系统的控制电压，其极性取决于频率偏离的方向。具体工作过程为：在螺线管的作用下，谐振腔的膜片以一定频率振动，该频率与交流电源的频率有关。此时，在不太大的范围内周期性地改变谐振腔的自然谐振频率，也就是使谐振腔“调制”。图6虚线表示膜片振动时谐振特性的极限位置。

图1 磁控管原理图

图2 减速机构与磁控管连接

图3 颤抖调谐磁控管频率调制特性

图4 自动频率微调工作原理

图5 自动频率微调系统实物

假设自然谐振频率为f0的谐振腔（当膜片在中心位置时）调谐在磁控管的频率上，在此种情况下膜片谐振时，检波器输出端的电压就具有如图7右侧曲线f0所示的形状。当磁控管的频率与谐振腔的自然频率不相符合时（如f1或f2），检波器输出端的电压就随螺线管交变电压的频率而变化（如图7右侧曲线f1、f2）。当磁控管频率为f1与f2时，检波器输出端的电压相位相差180°。比较这个相移与螺线管交变电压的相位，可确定频率偏移的方向。

磁控管产生的高频能量经波导系统加载至波导十字交叉耦合器输入端，耦合器调整加载谐振腔的能量数值（耦合度约为60dB），后者的自然频率由于膜片的形变而周期性地变化。检波后，谐振腔输出端的脉冲振幅按交变供给电压的频率调制。脉冲放大后，由低通滤波器分离出按调制频率变化的控制电压，该电压加在控制电机旋转的驱动放大电路上，电机带动调谐部件微调磁控管，电机旋转的方向取决于驱动电路输出的电压相位。

图6 带有被调制谐振腔的鉴频器

由上述分析可以看出，自动频率调整系统是利用了自动控制原理，能够将输入较大的频差变为输出较小的频差，由此保证将指令发射机的频率漂移控制在±2MHz以内。

3 频率稳定度的检测及调整

造成磁控管频率漂移的原因包括电源电压、温度、外部负载的缓慢变化等，频漂可由频率计或频谱分析仪准确测量获得。指令发射机的输出脉冲功率较大，测试时需适当衰减，使其不超过测试仪器的最大允许输入功率，以保证仪器安全。

指令发射机在使用过程中，可能会产生以下与频率参数有关的故障。

1）频率一直处于搜索状态，直至产品断电

这种情况一般是由于磁控管产生的初始频率与需要达到的频率偏差太大，超出了自动频率微调的有效控制范围，减速机构的凸轮最终触发微动开关B4，迫使发射机下电。解决方法：在排除磁控管损坏及电路故障的前提下，先使减速机构与磁控管离合，手动调节磁控管的凸轮，将输出频率强行拉入调频电路控制范围内（即需要达到的频率值附近），然后将减速机构恢复到初始状态。

图7 谐振腔谐振特性和在检波器输出端的电压曲线

2）频率稳定时超出允许范围值

这种情况一般是由于谐振腔的参数发生了变化，使频率标准产生了偏差。解决方法：在排除调频电路故障的前提下，通过调节谐振腔的机械调谐螺钉，改变谐振腔的腔长，从而达到调整衰减频率的目的，必要时可更换谐振腔。

3）频率不搜索，自动频率控制系统未工作

这种情况一般是由电路故障导致，可能的原因有：

a.二次电源故障，+15V（Ⅰ）、+15V（Ⅱ）、-15V直流供电不正常，调频电路未工作。

b.检波器无脉冲输出或输出的脉冲幅度过小。如果检波器的质量变差，在输出端还会混入噪声，影响控制电路正常工作。

c.调频电路某个或某几个晶体管损坏，功能丧失，需要根据电路原理具体查找故障器件，在此不做详细叙述。

d.磁控管性能变差或未工作，此项原因实际与b项原因类似，磁控管无输出或输出功率小导致检波器输出脉冲的幅度异常。

4 结束语

自动频率微调属于非常复杂的闭环控制系统，以上仅列举了指令发射机常见的几种故障类型及可能发生故障的部位。实际修理中，涉及的部件及因素较多，需针对故障现象进行具体分析。