吕慧权，于骑兵

(江苏金陵机械制造总厂，江苏 南京 211100)

机载连续波大功率行波管是航空电子对抗装备中的关键器件，由于其无可替代的宽带特性，在电子对抗装备中被广泛使用。行波管的频率带宽、发射功率、噪声系数等技术指标水平直接决定了电子对抗装备的性能。由于目前部分电子对抗装备使用、维修单位对行波的管理论研究不足，在行波管工作异常时往往采用换件的的方式进行维护，浪费较大。受行波管技术难度、制造工艺复杂程度等因素以及其手工操作、单件生产成品率低等生产模式影响，国内采购价格高昂，一般每只需要数十万元，国外采购价格更加昂贵。目前航空电子对抗装备中的行波管保有量逾千只，舰载、弹载、地面行波管的装备量更大。因此开展行波管装备后的维修调试技术研究，实施深化修理具有重要的经济和军事意义。

1 连续波行波管主要工作原理

连续波行波管是一种特殊的电真空器件，采用螺线状的慢波结构，一般由电子枪、螺旋线、控制极(阳极或者栅极)、输入输出装置和收集极等部分组成，图1为连续波行波管典型结构图，图2为连续波行波管典型电路图。灯丝电源通过灯丝给阴极加热，受热的阴极不断发射电子，在阳极的加速作用下，阴极电子枪产生的电子注保持一定的截面形状通过慢波系统，在电子注通过螺旋线时产生群聚，群聚过程不断与输入沿螺旋线传播的微波射频信号相互耦合作用，将高速电子流的部分能量交换给微波射频信号并输出，实现微波输入信号的放大，而在慢波系统中完成了能量转换任务的电子注穿出螺旋线后被收集极所收集。

图1 连续波行波管典型结构图

图2 连续波行波管典型电路图

2 连续波行波管主要故障模式及维修策略

连续波行波管是电子对抗装备的高故障率器件，失效模式与失效机理之间的映射关系复杂，产生问题的原因多种多样。下面以某型行波管作为修理案例对其常见的故障原因和解决方法进行分析。

2.1 输出功率低

在连续波行波管中，射频信号以行波的方式沿慢波结构前进，在电场的作用下，加速的电子从射频信号电场获得能量，减速的电子又将能量还给射频信号，完成了射频信号与电子束的能量交换。由于穿过慢波结构的电子的速度低于其进入慢波结构时的初速度，因此能量交换的最终结果是电子束的能量降低，而射频信号电场的能量增加，使得射频信号得以放大，因此阴极电子发射和电场作用是行波管输出功率大小的关键因素。行波管阴极的发射下降是行波管的主要失效模式之一，约占行波管总失效率的30%［1］，主要失效机理为:一是阴极表面氧化层高温下蒸发，此为正常损耗，一般当阴极电流下降10%时，行波管的饱和发射功率下降约1dB，此时行波管寿命终了［2］;二是行波管的器壁和电极都会蒸发出各种有害气体吸附在阴极表面，造成发射降低，即阴极中毒;三是阴极材料、覆膜和工艺处理等存在制造缺陷［3］。

实际维修中的做法是:将灯丝电压上调10%(一般供电为6.3V，可上调至7V左右)，连续通电1小时。灯丝电压的上调将提高阴极表面的温度，蒸发掉行波管阴极氧化物表面附着的有害气体，激活阴极表面氧化层的活性，恢复阴极热电子发射能力。阴极激活结束后应立即恢复原灯丝电压，否则，长时间在7V左右的灯丝电压下工作，阴极的发射加速，损耗加大，阴极将加速老化，缩短行波管的正常使用寿命。

应当注意的是，行波管贮存期超过六个月或连续六个月未通电的，再次使用通电前，应在未加高压前给热丝加电老练2小时。

2.2 带内增益一致性差

连续波行波管在执行电子对抗任务时，在全频带内任意频率处均能以不小于某固定功率值向外辐射强干扰信号，对行波管的带内一致性有具体要求，一般应不大于5 dB，带内一致性差的主要失效机理为:一是同步电压偏离，二是输入输出装置驻波失配。其中同步电压偏离的主要原因是给行波管供电的螺旋线电压在长时间工作后电压参数发生漂移，导致传输的高频电磁波的相速度偏离与电子注的同步速度，电子注与高频场能不能有效地相互作用而实现能量交换，即行波管未在最适合的高压供电环境下工作;输入输出装置的主要作用是将高频输入信号能量耦合到慢波线上和将已经放大的高频信号能量耦合到输出回路上去，驻波失配的主要原因是高频输入输出接口出现磨损、松动等导致驻波增大，部分频段或频点由于反射增大导致行波管带内增益一致性变差。

对于同步电压偏离的故障，因现役装备上的行波管除部分管体上自带额定工作电压值外，一般均无随机履历文件，在实际维修中的具体做法是根据实际维修经验假定额定工作值，并设置电压调整步进值，通过反复实践才能确定行波管的同步电压。

对于输入输出装置驻波失配的故障，实际维修中是在行波管冷态下采用矢量网络分析仪对输入输出装置的驻波比进行测试，一般输入输出驻波均要求不大于2.5。当驻波大于2.5时，应打开行波管的输入输出装置，检查输入输出接口是否完好、有无污染，内芯是否完整无缺口。如果接口完整无损伤，则应测量输入、输出内导体与行波管外壳地之间的电阻，通常阻值为50Ω，一般不应大于100Ω。

在测试中应当注意，行波管内部有周期永磁聚焦系统，高频信号在螺旋线内部实现电磁能量交换，对磁性物质比较敏感，分解、固定需使用非磁性螺钉旋具，在通电测试过程中，其他铁磁物质应远离行波管管体200mm以外，避免影响技术指标测试，甚至对行波管造成永久性影响。

2.3 高压放电打火

高压放电打火是行波管在使用寿命周期内的常见故障，其失效机理主要包括:管体零件吸附的各种固态和气态微粒逸出、管体漏气、电极表面突起或毛刺、老化不充分、局部极间距离小、极间绝缘变差等［3］。主要表现为在灯丝预热后，行波管无法加上高压;采用高压探头、电流表对行波管各极的供电状态进行检测，可以发现螺旋线电压瞬间掉电，螺旋线电流迅速上升后直接回零，通常在掉电前可听到吱声后高压电源保护;用2500V兆欧表测量行波管各极间及各极对地绝缘电阻值小于1000MΩ。

实际维修中的做法是:第一步，“打高压”。选用各极高压输出均可无级调压并能实时监测的行波管调试台，利用其自保护功能，采用发生放电打火的该极额定电压或0.75倍额定电压对行波管进行多次重复的“打高压”。当行波管在此电压值下不再发生放电打火后，逐步提高行波管的调试台的输出电压，重复“打高压”，直至在1.5倍额定值的情况下行波管不再发生高压放电打火为止。第二步，老练。在断开灯丝电压的情况下，将各级电压按照0.75倍、1倍、1.25倍额定电压供电电压依次加电，每个电压值加电30分钟，测试加电结束后的各极绝缘电阻。当绝缘电阻恢复到1000 MΩ后，先加灯丝电压，预热30分钟后加上额定高压值，连续通电2小时。

与连续波行波管配套装备的高压电源普遍价格昂贵，本身故障率较高且维修困难，因此连续波行波管维修调试一般在综合调试台上进行，避免因非正常(故障)行波管的短路、打火或其他原因损坏原配高压电源［4］，综合调试台的自保护电路至少应具备螺旋线过流保护、收集极过流保护以及各极电源对地短路保护。

2.4 螺旋线不稳定或过流保护

部分行波管在使用过程中存在螺旋线电流过大、不稳定或过流保护等现象，失效机理为:由于螺旋线存在的色散因素，有少量能量较弱的电子将不能穿过螺旋线而被螺旋线截获吸收，由此产生了螺旋线电流［5］;其次螺旋线部分发生弯曲或末端与输出内导体处接触不良，也会导致驻波比变大或传输失配，造成螺旋线电流增大、不稳定或过流保护，一般螺旋线电流要求不大于10mA。

在行波管实际修理中，首先要排除是否为高压电源的故障引起。第二步，在现有螺旋线电压左右各50V范围内对行波管的螺旋线电压进行微调，降低螺旋线电流。第三步，对以上两步均无法稳定或降低螺旋线的行波管进行周期永磁聚焦调整:在行波管的高频输出端接上30 dB的耦合器，将行波管的输入端口和耦合器输出端口分别与矢量网络分析仪的port1和port2口相连，设置输入端的高频信号功率为额定功率值的0.1倍，用小片钐钴磁钢在紧贴行波管管体表面缓慢移动，同时监控螺旋线电流和矢量网络分析仪的S21增益曲线;当磁钢移动到某个位置发现螺旋线电流趋于稳定或降低，而矢量网络分析仪的S21增益曲线没有明显变化时，将该磁钢临时固定在此处;另取其他磁钢重复以上调试工作，直至螺旋线电流满足要求;微调各枚磁钢位置，直至螺旋线电流和S21增益曲线为最佳状态，用环氧树脂牢固粘接磁钢。

当修理中行波管的增益曲线发生变化或更换行波管时，应当对其前端功率均衡器(如有时)的均衡量进行匹配调整。

3 结论

基于在机载电子对抗装备维修中对连续波行波管失效机理和维修策略的经验分析和研究，对使用多年后的行波管，采用正确的维护和调整手段，有利于提高发射功率，增加电子对抗装备的干扰作用距离，延长使用寿命，对从事类似真空电子产品维修保障工作具有较好的借鉴作用。由于对行波管的非线形互作用理论研究的不足，对于连续波行波管的失效模式和机理尚需作进一步研究。

［1］陶春虎.军用产品失效分析技术手册［M］.北京:国防工业出版社，2009.

［2］王辉，李季，阎肃秋.阴极寿命试验评估［C］.包头:中国电子学会真空电子学分会第十六届学术年会，2007.

［3］姚立真.可靠性物理［M］.北京:电子工业出版社，2004.

［4］谢章贵.螺旋线行波管收集极电源稳压取样方法螺旋线行波管收集极电源稳压取样方法［J］.电源技术应用，2008，(5).

［5］罗青.室外大功率行波管发射机小型化的结构设计［D］.南京:南京理工大学，2006.