某型雷达导引头速调管故障分析及质量优化

付强 王东振 化麒 李恒松 秦燕鸽 高希辉

摘要：某型速调管是某型空空导弹导引头发射机功率放大组件，针对其批量生产中出现的成品率不高、性能状态不稳定、外场使用中不断出现质量问题等情况，从速调管组成原理出发，重点分析电子枪、管体等各单元模块工作机理及技术要求，通过严控检漏工艺、延长老炼时间、减少调谐次数，进一步识别制管工艺薄弱环节，提升速调管批生产中的工作稳定性和可靠性，给出质量改进措施。

关键词：速调管；故障分析；薄弱环节；质量优化

Keywords：klystron；fault analysis；weaklink；quality optimization

0 引言

某型速调管为空空导弹导引头发射机功率放大组件，该型装备在部队测试时出现探测信号功率檢测异常情况，通过工厂导弹检测系统和导引头检测系统分别验证，该枚导弹导引头发射机功率放大作用未达到最优状态。经过对发射机系统的深入分析研究，该型导弹采用速调管体制发射机，为预防速调管真空度下降，日常需要定期维护，维护中多次出现电打火烧毁其他电路板情况，同时发现该型速调管批生产中成品率不高，生产加工中需要对制管工艺加强质量管控[1]。

1 速调管功能与组成

该型速调管的作用是在雷达发射机中作为末级微波功率放大器，由电子枪、管体、收集极、输入输出系统及磁聚焦系统五大部分组成[2]，如图1所示。

1.1 电子枪

电子枪由阴极和热子、电子注形成和控制电极（聚焦极或控制极）及相应的支撑结构和引出结构、阳极和高压绝缘瓷等部分组成，主要作用是产生高能电子注。电子枪阴极发射的电子在阴极和阳极之间高压的作用下加速到相当高的速度后注入管体部件。

栅极用于控制阴极在速调管工作期间发射电子、在脉冲间隔期间不发射电子。为了保证阴极电子在脉冲间隔期间不发射电子，栅极上需要加-500V左右的负偏压。在速调管工作期间，栅极加25～50V的脉冲电压，阴极发射足够强度的电子，经栅极和阳极成形后，注入管体部件。

速调管阴极和栅极之间的距离约为0.3mm，电极间的平均电场强度为3kV/mm；栅极和阳极之间的距离约为0.5mm，电极间的平均电场强度小于7.5kV/mm。在真空中，电极间的电场强度小于9kV/mm，可以确保速调管在正常情况下稳定工作。

1.2 管体

管体由一系列参差调谐的谐振腔组成，是高能电子注和高频电磁场（微波）相互作用实现微波功率放大的场所。

在互作用区的开始，高频电磁场对电子注进行速度调制；经过速度调制后的电子注在向前漂移的过程中逐步转化为密度调制；密度调制的电子注在后面的谐振腔中会激励起高频电磁场，继续对电子注进行速度调制；经过一段距离的漂移，电子注的密度调制更强；在输出腔中，经过良好的密度调制的电子注激励起足够能量的微波功率，实现微波功率放大。

1.3 输入输出系统

输入系统的功能是将弱小的微波能量馈入互作用场所（管体）。输出系统的功能是实现电子注与高频电场相互作用，将群聚电子注的能量转换成微波能量，实现微波放大，输出系统的特性对速调管的效率、带宽等性能指标有重要影响。

1.4 收集极

收集极收集互作用后的电子并转化为热能。在静态条件下（速调管无微波功率输出），收集极耗散电子注的全部能量；在动态条件下（速调管输出微波功率），电子注的一部分能量转换为微波能量，收集极耗散电子注的剩余能量。

1.5 磁聚焦系统

磁聚焦系统约束电子注的形状，保证电子注在运动和互作用过程中大部分电子能够穿过管体进入收集极。该型速调管受使用环境限制，使用的是均匀永磁聚焦系统，提高了发射机系统的效率。

2 速调管工作原理

由阴极发射的电子注经栅极控制、阳极加速后在聚焦系统的约束下注入高频系统，在高频系统中与通过输入系统输入的高频场相互作用，形成电子注的速度调制与密度调制。电子注将一部分动能交换给高频场，完成高频信号的放大，通过输出系统输送到天线或负载；电子注打到收集极上，剩余动能转化为热能，由收集极耗散。具体过程如下。

在电子注与高频互作用系统（包含输入系统、多个中间谐振腔、漂移段、输出系统）的相互作用中，电子注在通过输入系统的间隙时，在高频电场的作用下产生速度调制，即在高频周期的正半周通过谐振腔间隙的电子受到加速，负半周通过谐振腔间隙的电子受到减速。速度调制的电子注经过一定长度的漂移段后产生密度调制，即快电子逐步赶上慢电子，使电子注中电子分布疏密不均，电子发生了群聚。

密度调制电子注中含有输入高频电场的基波和谐波分量，当其通过第二个谐振腔间隙时，将在谐振腔内激励起高频感应电流，并在谐振腔间隙中建立起比输入谐振腔更高的高频电场。该高频电场反过来对电子注产生更大的速度调制作用，从而在第二个漂移管内产生更强的密度调制。通过以上多次重复，到达输出腔入口时，形成了高度群聚的电子注。

进入输出系统的群聚电子注中包含很高的基波电流分量，当其通过输出腔间隙时，建立起很高的高频电场，并将部分动能转换成高频能量，实现高频信号的放大[3]。

该速调管具有工作电压低、输出功率大、体积小、重量轻、增益高等特点。作为弹载雷达发射机的末级功率放大使用，将几毫瓦级功率放大到上百瓦的脉冲峰值功率。

3 速调管工艺结构薄弱环节

该型多注速调管的制管工艺流程如图2所示。通过对生产工艺流程的分析可知：

1）考虑该速调管生产全过程，整体是由金属陶瓷材料焊接而成，必须保证管内具有一定真空度，速调管才能正常工作。各零部件装配焊接成型后都要通过真空检漏仪的严格检测，检测合格的零部件才能进入下一道工序，因此各零部件连接处的焊接质量尤为重要。

2）速调管调谐膜片的厚度只有0.5mm，该厚度是调节各谐振腔的频率以保证速调管正常工作的性能指标。由于在测试速调管的过程中需反复拉动调谐膜片以对各谐振腔的频率进行调节，可能会引起金属材料疲劳从而导致调谐膜片发生微漏。

3）制管所用零部件在電子的轰击下存在放气的可能，释放的气体会造成阴极发射能力下降，导致速调管工作异常。

因此，可以认为上述三种情况为该型多注速调管生产中的薄弱环节。

4 质量优化措施

转换为离子流允许变化量为13nA。其他贮存时间允许的离子流变化情况以此类推。

2）延长老炼时间，减少管内放气量

小批量试生产初期工艺老炼测试状态如表1所示。

经过贮存后，发现部分产品存在管内放气现象，为此对测试工艺进行更改，延长速调管的老炼测试时间，使管内零部件吸附的气体充分释放。更改后的工艺老炼测试状态如表2所示。

3）控制调谐量，减少调谐次数

为减少频率偏移量，速调管在冷测、钎焊阶段采取了多种措施，包括控制焊料使用量、预设频偏修正量等。在热测过程中，避免多次反复拧调谐钉以及控制调谐钉位移量，避免膜片出现金属疲劳而受损。最后通过贮存方式检验是否存在微漏点。

5 结束语

针对某型空空导弹战训使用中批量生产成品率不高、性能状态不稳、外场使用中不断出现质量问题等情况，通过分析生产制造工艺薄弱环节，采取增加贮存期、延长老炼时间、控制调谐量等质量改进手段，有效提升了速调管制管的合格率。本方法对功率大、体积小、重量轻、增益高的多注速调管加工制造以及失效分析有参考价值。

参考文献

[1] 丁耀根.大功率速调管的技术现状和最新发展[J].真空电子技术，2020（1）：1-5.

[2] 电子管设计手册编辑委员会编.大功率速调管设计手册[M].北京：国防工业出版社，1979：76-89.

[3] 哈依科夫.速调管放大器[M].北京：国防工业出版社，1980：1-15.

[4]中国人民解放军总装备部军事训练教材编辑工作委员会.可靠性试验技术[M].北京：国防工业出版社，2003.

作者简介

付强，工程师，研究方向为弹载发射机系统修理技术。