張朋 張玉芹 劉逸群 成紅霞 張曉冉 陳揚(yáng)

（1工業(yè)和信息化部電子第四研究院，北京，100007；2南京三樂(lè)集團(tuán)有限公司，南京，211800）

1 空間行波管特點(diǎn)及存在的問(wèn)題

空間行波管廣泛應(yīng)用于通信衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、導(dǎo)航衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器、高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、微波成像儀器、微波遙感儀器和測(cè)控系統(tǒng)等衛(wèi)星有效載荷系統(tǒng)中，用于微波的末級(jí)功率放大，其技術(shù)性能直接影響各星載系統(tǒng)的指標(biāo)。

與地面、艦載和機(jī)載系統(tǒng)中使用的行波管相比，空間行波管有以下特點(diǎn)[1]：

a）空間能源供給有限，所以要求空間行波管有盡可能高的效率；

b）星載產(chǎn)品不可替換和維修，所以要求空間行波管具備極長(zhǎng)的壽命；

c）空間行波管既要能經(jīng)受住衛(wèi)星發(fā)射時(shí)的沖擊和振動(dòng)等機(jī)械應(yīng)力，又需要適應(yīng)空間環(huán)境中的輻照、空間電磁干擾和散熱等一系列惡劣條件的影響，所以空間行波管必須有極高的可靠性。

近年來(lái)，空間行波管使用需求不斷增大，國(guó)產(chǎn)空間行波管在性能指標(biāo)和可靠性方面與國(guó)外產(chǎn)品相比還有一定差距；同時(shí)，整機(jī)生產(chǎn)企業(yè)反映國(guó)產(chǎn)空間行波管在使用中還存在質(zhì)量一致性不高和參數(shù)離散性大等問(wèn)題，因此研制單位需要通過(guò)加強(qiáng)可靠性設(shè)計(jì)和過(guò)程控制、優(yōu)化工藝和開(kāi)展失效分析等措施進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)。

2 基于空間行波管研制全過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化需求

空間行波管研制全過(guò)程包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造和檢驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)化工作對(duì)于保證空間行波管的質(zhì)量與可靠性具有重要作用。

以往真空電子器件的標(biāo)準(zhǔn)化工作主要集中在對(duì)產(chǎn)品的檢驗(yàn)考核方面，主要標(biāo)準(zhǔn)有GJB 3312A—2011《微波電子管通用規(guī)范》、GJB 3311A—2011《微波電子管測(cè)試方法》和GJB 616A—2001《電子管試驗(yàn)方法》，涵蓋了對(duì)產(chǎn)品的電性能要求、環(huán)境適應(yīng)性要求、質(zhì)量保證規(guī)定、電性能參數(shù)測(cè)試方法和環(huán)境試驗(yàn)方法。以此為基礎(chǔ)制定的空間行波管詳細(xì)規(guī)范可全面表征產(chǎn)品性能和可靠性，并為產(chǎn)品的檢驗(yàn)考核提供依據(jù)。

目前空間行波管在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造工藝方面還沒(méi)形成標(biāo)準(zhǔn)，在行波管的設(shè)計(jì)和制造工藝過(guò)程控制方面加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)化工作，制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可提高產(chǎn)品的固有可靠性，使 “可靠性是設(shè)計(jì)出來(lái)的、制造出來(lái)的”得以落實(shí)。

3 空間行波管詳細(xì)規(guī)范控制要求

空間行波管詳細(xì)規(guī)范在GJB 3312A—2011等通用要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合使用要求，規(guī)定產(chǎn)品的電性能參數(shù)、絕對(duì)最大額定值、工作條件、一般試驗(yàn)條件、環(huán)境試驗(yàn)要求、檢驗(yàn)要求、包裝和儲(chǔ)存要求等。

空間行波管的指標(biāo)有很多，可以大致分為：主要參數(shù)指標(biāo)、副特性指標(biāo)、外形指標(biāo)、電氣參量指標(biāo)、環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)、壽命指標(biāo)和適用性指標(biāo)。

為了全面表征空間行波管性能和可靠性要求，并滿足使用要求，空間行波管詳細(xì)規(guī)范應(yīng)規(guī)定的內(nèi)容見(jiàn)表1。其他內(nèi)容和格式遵循GJB 3312A—2011的相應(yīng)要求。

表1 空間行波管詳細(xì)規(guī)范內(nèi)容

從批量應(yīng)用和維護(hù)角度來(lái)說(shuō)，行波管的一致性越高越好。對(duì)整機(jī)而言，最重要的是保證行波管各極電壓的一致性。這樣可降低電源的設(shè)計(jì)難度、提高電源的通用性，也可使整機(jī)裝備的維護(hù)更加簡(jiǎn)便。這類指標(biāo)在詳細(xì)規(guī)范中通常通過(guò)工作條件的最大值和最小值表征，差值越小說(shuō)明一致性越好。

行波管成品率一般作為行波管制造過(guò)程的控制評(píng)價(jià)參數(shù)，對(duì)于單個(gè)產(chǎn)品而言，不作為檢驗(yàn)的指標(biāo)，但從批量生產(chǎn)制造的角度來(lái)看，成品率的高低也能反映行波管可靠性和一致性。

4 空間行波管設(shè)計(jì)規(guī)范控制要素

空間行波管通常由電子槍、慢波系統(tǒng)、收集極、聚焦系統(tǒng)、輸能系統(tǒng)和外包裝組成。設(shè)計(jì)規(guī)范要素要求主要包括：空間行波管的電設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、力學(xué)設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)。

4.1 電設(shè)計(jì)

電設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)、電氣參數(shù)和各部件設(shè)計(jì)。

a）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主要包括：電子槍結(jié)構(gòu)、螺旋線慢波電路、聚焦方式、收集極降壓級(jí)數(shù)和收集極效率、輸能結(jié)構(gòu)、冷卻方式、各部件之間的對(duì)接方式及重量分配、各部件外形尺寸要求等。

b）電氣參數(shù)設(shè)計(jì)。主要包括：電子效率，各級(jí)電壓、電流、導(dǎo)流系數(shù)、陰極支取電流密度，注通道半徑，電子注半徑，各級(jí)收集極電壓及電流分配，電子注流通率等。

c）各部件設(shè)計(jì)。主要包括內(nèi)容見(jiàn)表2。

表2 空間行波管各部件設(shè)計(jì)內(nèi)容

4.2 熱設(shè)計(jì)

熱設(shè)計(jì)要素主要包括：①保證電子槍、螺旋線慢波結(jié)構(gòu)，收集極各部件之間相互焊接連接；②確定慢波電路接觸電阻值范圍；③確定慢波電路焊接散熱片的比例；④收集極內(nèi)表面單位面積耗散功率⑤收集極外部必須跟底板和蓋板焊接，焊接的填充率；⑥確定外部散熱。

熱設(shè)計(jì)應(yīng)使空間行波管能在滿足使用要求的環(huán)境溫度下正常工作?？臻g行波管溫度條件見(jiàn)表3。

表3 空間行波管溫度條件

4.3 力學(xué)設(shè)計(jì)

力學(xué)設(shè)計(jì)主要考慮振動(dòng)、沖擊和加速度方面的要求。采用有限元分析方法，結(jié)合ANSYS軟件驗(yàn)證設(shè)計(jì)機(jī)械應(yīng)力可靠性，主要對(duì)正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)等試驗(yàn)條件進(jìn)行分析，分析得出整管最大應(yīng)力及位置，并綜合分析結(jié)果進(jìn)行裕度校核。在設(shè)計(jì)上可以利用CAD手段驗(yàn)證機(jī)械應(yīng)力設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

4.4 可靠性設(shè)計(jì)

可靠性設(shè)計(jì)是貫穿空間行波管設(shè)計(jì)始終的原則，從以下幾方面進(jìn)行空間行波管可靠性分析。

a）在抗力學(xué)可靠性設(shè)計(jì)方面，需進(jìn)行振動(dòng)和沖擊等仿真分析。通過(guò)對(duì)行波管關(guān)鍵部件的振動(dòng)模態(tài)分析可以找出引發(fā)其諧振響應(yīng)的最低頻率、結(jié)構(gòu)的固有頻率，通過(guò)沖擊分析可以發(fā)現(xiàn)薄弱的零件及結(jié)構(gòu)，對(duì)相關(guān)零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以提高其機(jī)械強(qiáng)度，從而降低行波管因結(jié)構(gòu)原因而引起的故障和失效，有效增加行波管在復(fù)雜力學(xué)環(huán)境下的工作可靠性。

b）熱學(xué)可靠性設(shè)計(jì)主要涉及電子槍的耐壓及穩(wěn)定性、高頻系統(tǒng)的散熱和收集極散熱等指標(biāo)設(shè)計(jì)。

c）從空間行波管選用的零件、部件及結(jié)構(gòu)的力學(xué)和熱學(xué)等性能成熟度出發(fā)，針對(duì)固有失效模式，在陰極負(fù)荷、熱絲通斷、輸能系統(tǒng)功率容量、工作溫度、高壓絕緣能力、抗力學(xué)環(huán)境能力和真空度等方面進(jìn)行降額設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，使空間行波管遠(yuǎn)離極限工作狀態(tài)，提高空間行波管的可靠性。

d）作為全金屬陶瓷結(jié)構(gòu)的空間行波管，防泄露和抗干擾能力強(qiáng)。電磁兼容設(shè)計(jì)主要分析射頻連接器、低頻導(dǎo)線等的影響。

e）空間行波管對(duì)靜電不敏感，在設(shè)計(jì)時(shí)主要需要考慮外殼金屬之間實(shí)現(xiàn)良好搭接，在滿足功能要求的前提下優(yōu)先選用抗靜電能力強(qiáng)的零部件。

f）空間行波管主體為金屬陶瓷結(jié)構(gòu)，不是輻照敏感器件?？馆椪赵O(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在材料和零部件的選取，例如：硅橡膠、導(dǎo)熱絕緣膠、電極引線等，需要選擇具有抗輻照能力的材料，電極引線外部安裝熱縮管以提高抗輻照性能。

5 空間行波管工藝規(guī)范控制要素

5.1 空間行波管工藝流程

空間行波管制造工藝復(fù)雜，工藝流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 工藝流程簡(jiǎn)圖

由工藝流程圖可以看出，從原材料采購(gòu)到零件加工、部件裝配、整管排氣、測(cè)試、老煉、試驗(yàn)等全過(guò)程，包含多個(gè)質(zhì)控點(diǎn)、檢驗(yàn)點(diǎn)，都屬于工藝規(guī)范的要素范疇。

5.2 關(guān)鍵工藝及控制要求

通過(guò)對(duì)空間行波管工藝對(duì)于產(chǎn)品性能以及可靠性的影響進(jìn)行分析，梳理空間行波管制造過(guò)程六大關(guān)鍵工藝：①電子槍裝配工藝；②螺旋線裝配工藝；③收集極裝配工藝；④冷測(cè)工藝；⑤排氣工藝；⑥熱測(cè)工藝。

在關(guān)鍵工藝的執(zhí)行過(guò)程中，設(shè)置相關(guān)關(guān)鍵檢驗(yàn)點(diǎn)，按照關(guān)鍵檢驗(yàn)點(diǎn)的要求嚴(yán)格執(zhí)行檢驗(yàn)要求，100%剔除不合格品。同時(shí)可以按照用戶要求設(shè)置相關(guān)強(qiáng)制檢驗(yàn)點(diǎn)，由用戶單位直接參與強(qiáng)制檢驗(yàn)單元的檢驗(yàn)。

5.3 工藝規(guī)范總體提綱

研究確定各工藝規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)總體提綱，包括范圍、引用文件、術(shù)語(yǔ)和定義、一般要求、工藝要求、工藝質(zhì)量檢驗(yàn)記錄等要求，如圖2所示。

圖2 工藝規(guī)范總體提綱

為了保證空間行波管的質(zhì)量與可靠性，標(biāo)準(zhǔn)不僅需要規(guī)定對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行合適的考核以證實(shí)其性能滿足要求，還要注重關(guān)鍵部件和關(guān)鍵工藝的考核要求和方法，更要從產(chǎn)品設(shè)計(jì)要素和工藝要素入手，一方面通過(guò)深化詳細(xì)規(guī)范控制要求，另一方面逐步形成空間行波管設(shè)計(jì)規(guī)范和工藝規(guī)范。目前形成的空間行波管設(shè)計(jì)要素和工藝要素控制要求，經(jīng)研制單位試行后，認(rèn)為對(duì)提高產(chǎn)品的成品率和質(zhì)量一致性具有很好的促進(jìn)作用。今后將繼續(xù)開(kāi)展更為深入的研究工作，盡早將研究成果固化為標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)行業(yè)總體質(zhì)量水平提升。