行波管关断方式对应用系统可靠性的影响

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0 引言 行波管是一种真空电子器件，由于其具有宽带、大功率的突出优点，在固体器件飞速发展的今天，仍然是现代雷达和电子干扰系统发射机微波功率放大的核心部件。如何针对连续波行波管的特点，设计出可靠的工作电源是保证武器装备可靠性的重要因素。行波管在工作较长时间以后，电子枪各极间绝缘电阻可能变小，从而导致出现应用系统发射机无法及时开启的故障。本文通过对两种连续波行波管关断方式等效电路的讨论，提出避免这类故障发生的电路模式。 1 行波管的工作原理、结构和馈电方式 行波管是通过电子束和射频信号进行能量交换实现对微波信号的放大。电子枪发射出强流细束电子注，经较长的距离到达收集极，在电子注前进的过程中由周期磁场克服电子间拆力保持电子注有一定的直径。待放大的微波小信号由输入耦合器进入行波管慢波系统，在电磁波与电子注保持同步前行的过程中，电子注与微波产生能量交换，经输出耦合器得到了放大的微波信号。行波管的结构如图1所示，其主要由电子枪、慢波系统、收集极、输能装置(输入、输出耦合器)、集中衰减器、磁聚焦系统组成。 . o5 j: |! W6 V8 ~2 m) V图2显示了行波管各级电压的连接关系。K表示阴极，A表示阳极，H表示慢波线并接地，C表示收集极。行波管正确的加电和启动顺序是：①阴极预热；②加阴极高压，此时保持阴阳极同电位；③加收集极高压；④加阳极电压；⑤阴阳极分离，阳极电压切人。行波管工作时，从电子枪阴极射出的电子束流I(单位A)的大小满足公式： 式中：V为阴阳级之间的电压(单位V)；Pμ为导流系数(单位P，由电子枪结构决定)。 因此，只有阴阳极等电位即阴阳极电压为0才能保证电子束截止，行波管停止工作，只要阴阳级之间存在电位差，阴极就会有电子发射，行波管就会有功耗。 2 行波管关断等效电路的分析 2.1 地面设备常用等效电路 根据行波管的不同使用场合，电源的馈电方式会有一些差别。在行波管测试设备以及一些体积、功率限制不严的应用场合，如地面雷达、地面电子干扰机等，一般可采用图3所示的关断等效电路，收集极、热子电路略。图中虚线框部分表示行波管等效模型，左边部分为等效电源，阴、阳极分别采用独立电源Ek、Ea接入，e为接地。Rka为阴阳极间绝缘电阻，Rae为阳地极间绝缘电阻，Cka，Cae分别为极间分布电容，其量值由电子枪结构、电子枪封装材料等因数决定。通常，行波管各极间绝缘电阻Rka、Rae被要求大于1 000 MΩ，而极间分布电容大约几pF(因不同管子而异)，对电路影响很小，这里不做讨论。Ks为耐高压真空继电器开关，作为行波管启动、关断工作开关，开关位置1为常闭端。R一般取几百欧。 ( @' [- v& A8 Y8 _

下面以某连续波行波管为例简述启动、关断过程。假定电子枪导流系数Pμ为0.4μP，阴极K对地工作电压10 kV。在电源对行波管加电时，V=Vk-Va近似等于[R／(R+Rae)]Vk，取Vk=10 kV，由于R仅几百欧，V约小于10 mV。则阴极发射电子束流I约小于0.4×10-9A，接近0，在加电过程中，管子始终处于关断状态。当Ks被置于2端时，行波管阴阳极获得所需规定电位差，阴极发射电子，行波管启动工作，此时如将Ks置于1端，行波管即被关断。即使在Rae有比较明显的下降时，如为几百兆欧，行波管关断时，阴阳极电压V仅小于1 V，行波管也无明显功耗，因此这是一种可靠的行波管关断方式。 2.2 机载设备常用等效电路 在机载雷达以及一些功耗、体积、重量受限制的行波管应用场合，往往采用图4所示关断等效电路。图中虚线框部分表示行波管，右边部分为等效电源，阳极电压由阴极电压分压获得，由于功耗限制，分压电阻取几十兆欧量级，这里R取28 MΩ。 " u3 b/ _0 U8 g% [' V 仍以上述行波管为例，真空继电器开关Ks处于常开端2，作为管子启动工作开关。在电源对行波管加电时，V=Vk-Va近似等于[28／(28+Rae)]Vk，取Vk=10 kV，V约为280 V，按导流系数公式计算，则阴极发射电流I约为1.9 mA，意味着行波管未启动时，已有一定的功耗产生。如管子处于长时间待命状态，管体会被逐步加热，导致底板和收集极温度升高，当温度升至超过电源设定的控保温度，电源保护电路动作，管子供电被切断，使管子无法正常开启工作。 另一种情况是，管子加电后被及时开启，即开关Ks由端2接至端1，这是V=Vk-Va近似等于[28／(28+Rx)]Vk，取Vk=10 kV，Rx=10 MΩ，V约为7.4 kV，则阴极发射电流I约为255 mA，管子处于正常功率放大状态。而当管子被关断，即开关Ks由端1接至端2后，此时由于前述原理，阴极仍有电子发射，管子有功耗产生，电源初级显示有一定的负载电流，即发生所谓应用系统发射终止而电源初级电流却关不断的现象。 3 行波管绝缘状态对关断电路的影响 由于大功率行波管是一种在高真空、高温状态下工作的器件，生产工艺、零部件材料性能等因数对管子的工作性能、状态、寿命及可靠性将产生重要影响。一些管子在经过长时间工作后，管体内会有金属材料、活性物质的蒸散物。这些物质沉积在电子枪陶瓷件内表面，虽然其在某段时间对管子的使用性能不会造成实质影响，但对管子各极问绝缘电阻，特别是对电子枪各极间绝缘条件的破坏是非常明显的，并且这种状态变化具有偶然性。这种变化在电路上表现为绝缘电阻Rka(因Rka仅影响电源的功耗，这里不进行讨论)、Rae的下降，如Rae的绝缘电阻由大于1 000 MΩ，下降为几百兆欧或更小。假定Rae为100 MΩ，则对于图3所示等效电路，由于R仅为几百欧，因此管子被关断时，行波管也无明显功耗；而对于图4所示等效电路，当管子被关断时，R和Rae的阻值只差几倍，故Vk-Va有约近2 000 V的电压，阴极发射电子束流超过35 mA，管子就不能完全被关断，造成应用系统发射终止而电源初级电流却关不断的现象，且较大的功耗使管体温度在较短时间内超过电源控保温度，造成整机无法及时再次开机。 4 避免应用系统故障的有效关断电路模式 通过对以上两种行波管关断等效电路的分析和讨论，图3所示电路能对行波管执行可靠的启动和关断。而图4所示电路，在通常应用情况下，可以满足对行波管的启动和关断，但有明显的关不断的隐患，特别是在行波管电子枪绝缘状态变坏的情况下，导致应用系统发生故障的风险大大增加，使系统可靠性不能得到充分保证。综合图3、图4所示两种等效电路的特点，为满足机载雷达等特殊应用场合的要求，得到了图5关断等效电路模式。 7 u4 H% K3 W$ [& W 在发射机的工作环境中，电磁环境比较复杂，各种干扰信号对电路有很大影响。因此，如在该电路的真空继电器开关Ks的回路上适当添加辅助电感、电容等元件，以消除高压开关切换瞬间产生的干扰信号及外来干扰信号对应用系统的影响，图5等效电路将是一种可靠的连续波行波管的关断电路模式，它可以避免上述的故障现象，有效地提高行波管应用系统的可靠性。

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如何针对连续波行波管的特点，设计出可靠的工作电源是保证武器装备可靠性的重要因素。