某型主动雷达导引头舱发射机典型故障分析

郭晓华 吴伊蒙 秦燕鸽

摘要：某型主动雷达空空导弹为第四代空空导弹，发射机是该型导弹导引头舱的重要组成部分。据统计，发射机为导引头舱故障率最高的分组件，制约着该型导弹的修理进度及周期。通过对该型导弹导引头舱的修理，总结了与发射机相关的典型故障情况，本文从发射机工作原理出发，对故障原因进行分析归纳，进一步提出相应故障的排除思路，为该型发射机或类似型号发射机的修理提供参考。

关键词：导引头；发射机；速调管

Keywords：seeker；transmitter；klystron

0 引言

某型发射机是某型主动雷达空空导弹导引头舱的重要组成部分，作用是产生微波探测信号、本振信号以及用于导引头自检和参数自调整的检测信号等，并对发射的微波探测信号进行功率放大，通过天线向空间辐射，其性能直接影响雷达导引系统的作用距离及目标探测性能。该型发射机为主振放大式，采用小型速调管功率放大器，具有工作频率宽、输出功率大、频谱纯度高、效率高、体积小的特点[1，2]，但电路相对复杂。

1 发射机组成及工作原理

1.1 发射机组成

该型发射机由发射模块、高压电源、中频放大器、控制信号形成器等组成，如图1所示。各组成功能如下：

1）发射模块。由主振源和速调管组成，产生射频信号。主振源产生射频振荡信号，送到速调管输入端作为激励信号进行放大，同时产生同一振荡源的本振信号送到接收机。

2）高压电源。由7块电路板组成，形成速调管工作所需高压。

3）中频放大器。形成供主振源使用的中频信号。

4）控制信号形成器。产生高压电源中所有变换器的控制信号，形成点频代码。

5）领航信号形成器。产生领航信号、测试信号。

6）稳压器1和稳压器2。产生发射机内部分部件工作所需的低压电源。

7）波导传输检波装置。对输出的射频探测信号进行二极管检波。

8）波导同轴转换装置。将速调管输出的探测信号传输到天线环形器。

1.2 高压电源工作原理

高压电源内部7块电路板按功能可分为前置调制器、稳压器、滤波器、转换装置1、转换装置2、整流器1、整流器2，产生速调管工作需要的灯丝电压、阴极高压、栅极高压及正偏电压、负偏电压。高压电源工作原理框图如图2所示，当正偏电压连至速调管栅极时，速调管导通，形成探测信号；负偏电压连至速调管栅极时，速调管关断。

2 发射机的常见故障

导引头舱发射机结构复杂、组件繁多，故障率高。当导引头舱发射机发生故障时，导引头舱整机测试时通常表现为“发射机有效辐射功率”不合格、“发射机功率指示电平”不合格、“+57V（未开发射机）电压”不合格。下面将针对这些故障现象，对发射机的故障类型、故障原理及排故措施进行分析。

2.1 “发射机有效辐射功率”测试故障

1）故障现象

导引头舱或发射机测试时，“发射机有效辐射功率”不合格。

2）故障分析

导引头加高压时，发射机速调管产生的微波能量经波导传输检波装置、环行器和主动通道天线辐射出去。发射机速调管有阴极、栅极、灯丝、收集极4个电压端，当速调管加上灯丝电压后，灯丝预热，照亮阴极，阴极上的能量积累到一定程度时释放电子。当栅极加正偏压时，阴极释放的电子在外围磁场的约束下以电子注的形式向前运动，穿过栅极的网格进入速调管的谐振腔内，与输入的微波信号进行谐振和碰撞，从而达到能量交换的目的。经过多个谐振腔后，在输出腔间隙实现高频信号放大。经过高频互作用的电子注在收集极区发散，打到收集极表面，将剩余动能转化为热能，通过冷却媒介带走[3]。当栅极负偏压到来时，电子束被栅极的网格挡回，微波与电子注不能进行能量交换，射频信号在速调管内不能被放大。此时若速调管的灯丝电压和栅极电压供电不足或阴极活性不够，通过栅网的电子会减少，没有足够的电子进行能量交换，导致速调管的输出功率降低。由上述分析可知，影响该参数故障的因素有：速調管故障；高压电源故障。

3）排故措施

a. 提高灯丝和栅极供电电压，测试速调管输出信号功率是否得到改善；

b. 若提高栅极和灯丝电压后，速调管输出功率没有改变或改变很小，说明该措施不能提高速调管性能指标，判定速调管故障；

c. 更换合格的速调管后观察发射机有效辐射功率是否达到最优，若未达到最优，说明速调管最佳工作点偏移，优化不佳，需要重新调谐速调管谐振腔。

修理现场该类故障多为速调管原因造成，将速调管送生产厂家进行失效分析，结论为速调管随使用时间增长其管内残存气体逐渐影响阴极活性，引起阴极中毒[4，5]，导致发射能力下降；或因灯丝电流过高，导致阴极蒸散速度增加[6，7]，发射物质耗尽。

2.2 “发射机功率指示电平”测试故障

1）故障现象

导引头舱或发射机测试时，“发射机功率指示电平”不合格。

2）故障分析

导引头加高压时，发射机速调管产生的微波能量经波导传输检波装置、环行器和主通道天线辐射出去。波导传输检波装置内有一个检波二极管，可以将速调管输出的射频信号耦合出一部分到发射机控制信号形成器板进行积分放大，产生表征射频信号功率的直流电平[8]。“发射机功率指示电平”是反映发射机输出功率相对大小的一个电压值，也是导引头计算机的一个输入模拟量。计算机利用此模拟量进行发射机的功率优化，从而使发射机功率输出最大。从发射机波导传输检波装置输出的检波信号，通过射频电缆进入控制信号形成器，在控制信号形成器内积分放大后输出，该直流电平即为发射机功率指示电压。当速调管输出的功率变小时，发射机功率指示电压随之变小。通过以上分析可得出影响该参数故障的因素有：速调管故障；高压电源故障；波导传输检波装置故障。

3）排故措施

a. “发射机功率指示电平”故障和“发射机有效辐射功率”故障同时出现时，首先调高灯丝电压和栅极电压，若故障仍然存在，则为速调管故障，更换合格速调管；

b. “发射机功率指示电平”故障单独存在时，应考虑控制信号形成器或波导传输检波装置。若“发射机功率指示电平”测试值超出或小于规定值，则更换控制信号形成器内用于调节放大倍数的调试电阻；当测试值为0V时，检测波导传输检波装置检波二极管的输出信号，若无脉冲波输出，则为波导传输检波装置故障，更换合格波导传输检波装置。

2.3 “+57V（未开发射机）电压”测试故障1

1）故障现象

导引头或发射机测试时，“+57V（未开发射机）电压”测试值为0V左右，远小于正常值。

2）故障分析

在发射机处于加温、准备工作状态时，高压电源内产生灯丝电压给速调管预热，同时高压电源内的前置调制器板产生预调制电压、脉冲调制信号，使后级电路产生一千多伏的预高压，以保证加高压时高压电源输出电压快速达到发射所需电压。

分解该类故障发射机，发现高压电源前置调制器板1R29电阻（47Ω，额定功率1W）烧毁，致使导引头“+57V（未开发射机）电压”测试时为0V，电路如图3所示。进行“+57V（未开发射机）电压”参数测试时，前置调制器13引脚输入“+27V加温”电，在发射机加高压“+57V”引脚测量“+57V（未开发射机）电压”。经电路分析，电阻1R29烧毁原因为通过电流过大造成，造成电流过大的因素有：高压电源内部电路板故障；速调管故障（阴栅热短路）。

3）排故措施

a. 排查高压电源，该类故障中大部分高压电源电路板工作正常；

b. 更换合格速调管。拆下故障发射机速调管送生产厂家进行失效分析，结论为该型速调管电子枪的栅极、阴极罩等电极均为金属薄壁结构，随使用时间的增长，其晶格逐渐增大，影响零件强度，同时速调管反复加灯丝电压后热辐射使栅网轻微变形，晶格增大的栅网和阴极罩在热应力作用下破损，造成阴栅热短路故障。

修理现场该类故障多为速调管原因造成，由于速调管阴栅热短路故障，变压器通过电流增大，致使电阻1R29烧毁。

2.4 “+57V（未开发射机）电压”测试故障2

1）故障现象

发射机“+57V（未开发射机）电压”测试值为26V左右，超过正常值，同时“+27V加温”电消耗电流远小于正常值。

2）故障分析

产品在“加温”电时，发射机高压电源内部前置调制器、稳压器、滤波器、转换装置1、整流器1、整流器2工作，速调管工作。高压电源产生灯丝电压，速调管预热。

该故障现象中“+27V加温”电消耗电流远小于正常值，表明消耗电流最大的速调管没有预热，高压电源没有产生速调管预热所需的灯丝电流。“+27V加温”电压输入到稳压器，生成转换装置1工作所需的+12V左右电压，转换装置1再产生控制变压器工作的脉冲信号，整流器2产生灯丝电压（见图2）。通过电路分析，影响该参数故障的因素有：稳压器故障；转换装置1故障。

3）排故措施

首先，给稳压器单板供+27V，检测稳压器输出电压，若输出正常，说明稳压器工作正常。其次，检测转换装置1输出，若无输出脉冲信号，说明转换装置1故障。可根据具体故障分析定位到元器件级。

3 结论

某型发射机故障率为该型主动雷达空空导弹导引头故障率最高的部件，通过以上对该型发射机典型故障的分析，掌握了发射机工作原理，能够对故障点快速、准确定位，为该型发射机修理或类似型号发射机修理提供参考。

参考文献

[1]李德纯.发展中的空空导弹主动雷达导引头[J].航空兵器，1994（2）：11-17.

[2]李德纯.主动式雷达导引头技术发展探讨[J].制导与引信，2001，22（2）：31-36.

[3]丁耀根.大功率速调管的设计制造和应用[M].北京：国防工業出版社，2010.

[4]聂世奇.氧化物阴极中毒的化学机理[J].真空电子技术，1997（3）：14-15.

[5]于志强，高玉娟，邵文生，等.钡钨扩散阴极中毒特性综述[J].真空电子技术，2017（1）：22-27.

[6]赵青兰，王小霞，王勇，等. 150MW高峰值功率速调管阴极的研制[C]//中国真空学会学术年会，2014.

[7]张红卫.微波管钡钨阴极制备和性能的研究[D].中国科学院研究生院（电子学研究所），2003.

[8]赵玉龙.波导检波装置的研究[J].电子设计工程，2012（11）：82-84.