某型装备发射机速调管失效模式及改进措施

付强 张海伟 张传军 郭晓华 吴伊蒙

摘要：某型装备发射机在末制导攻击时多采用功率大、体积小、重量轻、增益高的多注速调管作为功率放大器件，但该型速调管故障率高发。本文从失效模式出发，建立失效分类图，列举了阴极中毒导致发射电流小、输出功率下降快、腔体频率偏移、栅流增大导致打火损坏等主要失效模式，开展原因分析，并给出改进措施。

关键词：速调管；发射机；失效模式；改进措施；功率放大

Keywords：klystron；transmitter；failure mode；improvement measures；power amplification

1 概述

随着现代军事科学技术的迅猛发展，在主动制导导引头研制中，已逐渐使用固态功率模块或者相控阵天线技术替代多注速调管发射机系统。为使功率放大器件在功率大、体积小、重量轻、增益高等方面达到要求，近二十年来大量装备使用的速调管发射机系统由于在使用维护、返修、大修中经常出现质量问题，需要不断质量改进，完善工艺检测方法，确保装备使用可靠性及工作稳定性。

某型装备采用多注速调管发射机系统（见图1），受服役年限增长、环境复杂变化、开机使用频繁等因素影响，故障情况呈现规律演变。

2 失效模式

通过对速调管失效情况的汇总，对多注速调管存在的失效模式进行总结，并给出失效模式分类图（见图2）[1]。

故障模式包括：

1）速调管阴极中毒导致发射电流小；

2）自动优化过程中速调管输出功率下降快；

3）速调管腔体频率偏移导致速调管输出功率小；

4）栅流增大导致打火损坏。

3 失效原因分析

3.1 阴极中毒导致发射电流小

常规使用的速调管（如地面雷达应用的）通常带有可以抽气的钛泵。当速调管工作时，同时对钛泵加电，可将渗入速调管内的气体吸除，维持管内真空度，保证速调管正常工作。但该型设备的多注速调管因使用环境特殊，不能带钛泵，即无法借助外部因素（如钛泵）维持管内真空度，只能靠自身密闭性能来维持管内真空度。当阴极发射能力下降时，阴极工作在温度限制区域，改变了电子注成形条件，将导致电子注通过率变差，又由于金属表面出气，速调管正离子浓度增加，也会导致电子注通过率变差。因此，对制管所需的各种材料和连接处的焊接效果提出了很高的要求[2]。

3.2 自动优化过程中速调管输出功率下降快

速調管单独工作时虽然也有阴极发射电流下降问题，但只要输入的功率达到速调管所需的最佳输入功率，速调管就能够稳定地输出功率。

自动优化过程中速调管输出功率下降快的原因：由于速调管的阴极发射电流从开机瞬间到稳定工作时变化较大，在此期间导引头主振源的输出功率从最小到最大的快速扫描过程中，根据速调管的输出功率的反馈来确定主振源的最佳输出功率，此后主振源的输出功率只在此功率值的附近进行小范围调整。因自动优化过程中速调管阴极发射电流一直在变化，主振源在快速扫描过程中所确定的输出功率并不是速调管阴极发射电流稳定时速调管所需的最佳输入功率，再加上主振源的输出功率只能在此功率值附近进行小范围调整，因此导致速调管的输出功率无法稳定。

3.3 速调管腔体频率偏移导致速调管输出功率小

速调管在老炼测试过程中通过微调各腔体的频率使速调管达到最佳的工作状态。微调各腔体频率通过安装在调谐螺钉上的调谐螺套来实现，转动调谐螺套时，调谐螺钉使调谐膜片产生变形，改变腔体尺寸从而实现改变腔体频率的目的。

由于调谐螺钉和调谐螺套之间的配合不可避免地存在一定的回程差，经过外力的作用使得调谐螺钉的状态发生变化，就会导致腔体频率偏移，使速调管输出功率达不到最佳值。

3.4 栅流增大导致打火损坏

速调管工作原理框图如图3所示。速调管阴极使用过程中处于高温状态，长期多次加电后不可避免地会产生少量蒸散物，部分落到栅网上，导致阴极-栅极间耐压下降，极端情况下可能导致阴栅打火，损坏栅网，使速调管无法正常工作。

另外，栅网和阴极罩均为薄壁金属件，金属一般为多晶体结构，由晶格组成，其性质与晶格结构类型和晶格常数密切相关。金属在高温状态下，由于金属原子动能的增加，逐步生成新的晶粒，形成新的组织，该过程称为再结晶过程。再结晶结束后，新的晶粒充满整个金属体，若温度继续保持，新生成的晶粒由于大小不一将产生合并现象，导致晶格长大，金属强度下降。

速调管电子枪的阴极罩工作时处于1000℃以上的高温状态，有利于再结晶现象的产生。长时间的高温工作使晶格长大到一定程度后，在机械应力及热应力作用下将导致零件沿晶界边缘开裂，引起阴极-栅极短路。该故障模式也是影响速调管贮存及使用寿命的重要原因之一。

4 改进控制措施

4.1 阴极中毒的改进措施

该速调管整体由金属陶瓷材料焊接而成，必须保证其具有一定的真空度条件速调管才能正常工作。各零部件装配焊接成型后都应通过高精度真空检漏仪严格检漏，以保证焊缝质量；增加控制手段，优化排气工艺，提高排气后管内真空度；通电老练时，制定合理优选方案，延长测试老练时间，通过贮存进行速调管内真空度变化情况检验，定期进行电老练[3]。

4.2 自动优化功率下降快

根据速调管工作特性，在发射机系统中设计有自动优化回路，对主振源激励信号经速调管放大后送往环形器的探测信号使用检波二极管进行检波，并将该检波信号经放大后送往数字比较器，通过与前时刻数值或额定数值进行比较，进而调整主振源激励信号的能量，闭环自动优化回路。该回路在发射机系统开机后的t时间内完成优化工作，并对优化后数据进行存储，随后通过调用工作曲线转入优化回路的跟踪状态[4]。但在少数情况下，存在速调管和主振源工作匹配性原因，导致自动优化功率下降快。具体改进方法为：

1）将速调管和主振源配合工作，重新调整速调管的带宽和所需的最佳输入功率，改变速调管的工作状态，使其与主振源配合工作时性能得到改进，以修正此问题。

2）在进行速调管状态固化时，适当增加速调管所需的最佳输入功率，降低速调管增益，增加速调管的带宽，提高速调管工作的稳定性。将速调管的增益降低3～5dB，速调管-1dB带宽调宽到10%左右，以此增加速调管的匹配性。

3）通过针对速调管阴极进行的大量试验验证工作，证明提高速调管阴极的工作温度有利于降低阴极发射电流的变化幅度。故可尝试进行灯丝电压的调整，使速调管工作性能得到一定程度的提升，以满足发射机系统工作要求。

4.3 频偏导致功率下降

速调管工作点频偏与发射功率降低的现象一致，均为输出信号功率低，其最大的区别是工作点偏移可通过调试腔体上的调谐螺钉调至正常工作状态。早期产品为了适应整机需要，速调管的带宽不能调得很宽，容易导致速调管的腔体频率偏移，从而影响速调管的输出功率。随着技术水平的提高，后期产品可以适当增加速调管的带宽，带宽增加后，在工作点附近输出功率不会明显受频率变化的影响。

4.4 阴栅打火导致速调管损坏

阴栅打火的主要原因为：该型速调管采用的调制方式为栅极调制，栅极离阴极距离近，阴极为直流高压，容易发生打火现象，极易损坏速调管；速调管的金屬电极表面存在许多微米级的微突起，其局部电场可能增加几十至上百倍，当超过击穿电压时将引发真空击穿；速调管灯丝温度过高，使阴极表面覆膜蒸散速度过快，蒸散物附着在金属电极表面时，会导致电极的耐压性降低，容易引发打火；阴极表面覆膜蒸散导致阴极耐压性降低，引发阴极击穿；阴极发出的电子轰击阳极，阳极局部温度过高，导致阳极发生击穿[5]。

阴极蒸散具有以下特点：一是初期蒸散量大，随时间会缓慢下降并稳定；二是随工作温度的提高蒸散量上升。为此采取措施：一是增加阴极预处理工艺，待阴极蒸散量稳定后再装管；二是控制热丝电流，减少蒸散量；三是通过老练剔除栅流超标的产品。

晶格增大导致零件老化破损的问题目前还没有有效的解决措施，但该过程长期而缓慢，目前仅出现3例，失效时使用时间均超过10年。因此，该失效模式不会导致速调管早期失效，可以满足整机大修期的使用要求。

5 结束语

速调管是某型装备导引头发射机系统重要分组件之一，掌握其失效模式和故障排除方法对装备的日常维护和定期维修具有重要的指导意义。

本文通过对多注速调管失效模式进行分析，建立故障树，对制定改进措施起了非常重要的指导作用。同时认识到，在同类装备的国产化研制中，需要加强检漏技术方法研究，并侧重研究速调管与主振源的匹配性和兼容性问题。

参考文献

[1]丁耀根.大功率速调管的设计制造和应用[M].北京：国防工业出版社，2010：455-458.

[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，1979：226-267.

[3]机械设计手册编委会.机械设计手册[M].机械工业出版社，2005.

[4]董树义.微波测量技术[M].北京：北京理工大学出版社，1990.

[5]张永清，丁耀根.用于大功率微波器件的新型薄膜衰减材料[J].真空电子技术，2004（3）：20-22.