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分析某發(fā)射部件功率自動優(yōu)化性能改善措施
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1.引言 發(fā)射部件是雷達導(dǎo)引部件的重要組成部分,其性能對導(dǎo)引部件乃至導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能都有重大的影響,其中功率自動優(yōu)化功能的好壞直接決定著發(fā)射部件的性能,是發(fā)射部件的
核心技術(shù)之一。某重點型號發(fā)射部件自批產(chǎn)以來,由于其核心器件存在技術(shù)指標(biāo)不匹配、不合理等缺陷,導(dǎo)致其自動優(yōu)化性能普遍較差,造成大量的返工返修以及部分核心器件的報廢,同時也限制了發(fā)射部件工作性能的提升。
2. 自動優(yōu)化原理分析
主振器產(chǎn)生微波振蕩信號,經(jīng)可控衰減器衰減,再經(jīng)調(diào)諧后注入給速調(diào)管進行功率放大,速調(diào)管輸出的大功率微波信號經(jīng)功率傳輸通道通過天線發(fā)射出去。從發(fā)射部件功率傳輸通道上耦合少量能量,經(jīng)檢波、反相、積分和放大,獲得與輸出功率成正比的功率指示電平(PPRD),根據(jù)導(dǎo)引部件信號處理系統(tǒng)以及導(dǎo)引部件計算機功率優(yōu)化軟件功能形成優(yōu)化電壓,控制發(fā)射部件的可控衰減器,從而調(diào)整速調(diào)管注入功率至最佳值,使得速調(diào)管保持最大功率輸出。圖1所示為發(fā)射部件功率自動優(yōu)化原理框圖。
圖1發(fā)射部件功率優(yōu)化技術(shù)原理框圖
3. 存在問題及解決措施
如圖2所示,坐標(biāo)軸左邊表示的是速調(diào)管的輸入輸出功率關(guān)系曲線(P管in-P管out曲線),基于速調(diào)管需求注入功率的大小差異,用兩組示意圖(1)和(2)表示;坐標(biāo)軸右邊表示的是主振源的優(yōu)化電壓與輸出功率關(guān)系曲線(U優(yōu)-P源out曲線),根據(jù)功率電壓變化率ΔP源out/ΔU優(yōu)的特點以-1.5V為界分為1區(qū)和2區(qū)。
圖2 主振源優(yōu)化特性曲線與速調(diào)管功率特性曲線示意圖
3.1存在問題
從圖2并結(jié)合發(fā)射部件自動功率優(yōu)化的特點,可以分析得出優(yōu)化過程中主要存在以下三種故障模式:
1)實時優(yōu)化失效模式
當(dāng)速調(diào)管需求的注入功率較小,即主振源工作在1區(qū)時,根據(jù)軟件優(yōu)化流程,在優(yōu)化掃描階段能準(zhǔn)確的找到最佳注入功率點,但在實時優(yōu)化階段,由軟件控制的步進產(chǎn)生的
ΔP源out遠小于管子不穩(wěn)定性所需求最佳注入功率的變化ΔP管in,導(dǎo)致速調(diào)管不能快速工作在最大輸出功率狀態(tài),影響發(fā)射部件的性能。
2)優(yōu)化掃描失效模式
當(dāng)速調(diào)管需求的注入功率較大,即主振源工作在2區(qū)的時候,在優(yōu)化掃描階段由軟件控制的每隔0.5V采集的P源out間隔過大,導(dǎo)致不容易找到速調(diào)管所需的最佳注入功率點,因此速調(diào)管的大功率不能快速建立。在實時優(yōu)化階段,由軟件控制的步進產(chǎn)生的ΔP源out較大,能滿足管子不穩(wěn)定性所需求最佳注入功率的變化ΔP管in,但在該階段會導(dǎo)致速調(diào)管輸出功率大幅波動,干擾導(dǎo)引部件正常的信號處理。
3)衰減不夠模式
由于可控衰減器衰減量有限,所以當(dāng)速調(diào)管所需的最佳注入功率小于主振源的輸出功率時, 可控衰減器的衰減量不能滿足功率調(diào)整的范圍,會導(dǎo)致速調(diào)管一直工作在過激勵狀態(tài),發(fā)射部件得不到最大功率輸出,削弱了導(dǎo)引部件的工作性能。
3.2 改進措施
綜合以上分析,可以在提高硬件性能以及改進調(diào)試方法幾個方面來采取改進措施,有效解決優(yōu)化掃描失效、實時優(yōu)化失效和衰減不夠的故障,提高發(fā)射部件的功率性能。
3.2.1 改進主振源線性度
可控衰減器一般由PIN二極管來制作,普通的二極管由PN結(jié)組成,在P和N半導(dǎo)體材料之間加入一薄層低摻雜的本征半導(dǎo)體層,組成的這種P-I-N結(jié)構(gòu)的二極管叫做PIN二極管。對PIN二極管而言,在微波信號和直流偏置同時作用時,PIN二極管所呈現(xiàn)的阻抗主要決定于直流偏置的極性和量值,幾乎與微波信號的幅度無關(guān),PIN二極管可控衰減器就是利用這一原理,通過對直流偏置電壓(U優(yōu))的控制來實現(xiàn)對微波信號的衰減。
線性度是指衰減量與直流偏置電壓(U優(yōu))的關(guān)系曲線的線性程度,這一參數(shù)除要求電路匹配良好外,更重要的是選擇R-U關(guān)系曲線線性度良好的PIN二極管,并選定其適當(dāng)?shù)墓ぷ鼽c,R-U曲線很理想的PIN二極管是沒有的,如圖3所示
,理想的衰減曲線為A曲線,實際的衰減曲線為B曲線,同一個PIN二極管可控衰減器,衰減量越大線性度越差。 圖3 一級PIN二極管衰減器特性示意圖 某發(fā)射部件主振源可控衰減器電路如圖4所示,該電路的特點是只采用了一級單個PIN二極管衰減器,缺點是衰減不夠
大線性度差。
圖4 現(xiàn)有主振源可控衰減器電路
如采用兩級衰減,可以大大提高可控衰減器的線性度,設(shè)計電路如圖5所示。
圖5 兩級PIN二極管衰減器電路
采用兩級PIN二極管衰減電路后,其衰減線性范圍擴大了1倍,如圖6所示。
圖6 兩級PIN二極管衰減器特性示意圖
3.2.2改進速調(diào)管穩(wěn)定性
因為速調(diào)管是集電子、物理、化學(xué)等相關(guān)技術(shù)為一體的真空微波器件,發(fā)射電子注的陰極材料由鋇鎢等氧化物制備而成,需在真空度要求很高的腔體內(nèi)完成能量轉(zhuǎn)換,解決速調(diào)管的穩(wěn)定性在實現(xiàn)技術(shù)性能的基礎(chǔ)上要提高速調(diào)管的陰極、諧振腔等制造工藝技術(shù)水平,減小因工作溫度變化引起諧振腔變形導(dǎo)致其性能的不穩(wěn)定性。
速調(diào)管制造完成后,在一定時間內(nèi)速調(diào)管材料中氣體離子的釋放難以避免的導(dǎo)致腔體的真空度下降,所以為了提高速調(diào)管的一次裝機合格率,速調(diào)管在出廠之前需要有足夠的存儲周期并多次老練測試以檢測腔體真空度。
基于以上考慮,某發(fā)射部件速調(diào)管從06批生產(chǎn)開始在驗收規(guī)范中增加了出廠前至少存儲6個月后才能出廠驗收的規(guī)定,從幾個批次的數(shù)據(jù)統(tǒng)計來看,增加存儲時間后可以剔除8%左右的不良產(chǎn)品,提高了速調(diào)管一次裝機合格率。
3.2.3 提前調(diào)整注入功率
某發(fā)射部件主振源可控衰減器只采用了一級單個PIN二極管衰減器,為了滿足速調(diào)管所需的最佳注入功率范圍,在發(fā)射部件調(diào)試過程中可以通過調(diào)整主振源的諧振腔,在可控衰減器末端調(diào)整主振源的輸出功率,避免因單級PIN二極管衰減器的衰減能力不足導(dǎo)致速調(diào)管工作在過激勵狀態(tài)。
為解決該問題,在某發(fā)射部件的發(fā)射模塊調(diào)試中增加了主振源諧振腔的調(diào)整工序。通過增加此工序,可確保主振源的輸出功率在可控衰減器的衰減下滿足速調(diào)管所需最佳注入功率點的變化范圍。從很大程度上提高了發(fā)射部件的一次調(diào)試合格率。
4.結(jié)論
主動雷達導(dǎo)彈發(fā)射部件功率自動優(yōu)化性能的可靠實現(xiàn),在研制階段需要對優(yōu)化回路的硬件特性指標(biāo)進行充分的論證和設(shè)計,在此基礎(chǔ)上軟件流程及有關(guān)參數(shù)的設(shè)計要與硬件特性良好的匹配;在生產(chǎn)調(diào)試階段需要對有關(guān)參數(shù)采取恰當(dāng)?shù)恼{(diào)試手段,以消除硬件參數(shù)的個體差異,進一步提高軟硬件的匹配性,從而使發(fā)射部件的功率作用發(fā)揮到極至。
本文以某重點型號發(fā)射部件為研究對象,采取了有效的改進措施,解決了軟硬件失配性造成的多種故障,不僅提高了發(fā)射部件的一次調(diào)試合格率而且顯著優(yōu)化了其功率性能,對其他類似性能參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計和后續(xù)型號的研制也有較高的參考價值。
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