分析某發(fā)射部件功率自動(dòng)優(yōu)化性能改善措施

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1.引言 發(fā)射部件是雷達(dá)導(dǎo)引部件的重要組成部分,其性能對(duì)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(dòng)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(diǎn)型號(hào)發(fā)射部件自批產(chǎn)以來(lái),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(dòng)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(bào)廢,同時(shí)也限制了發(fā)射部件工作性能的提升。

2. 自動(dòng)優(yōu)化原理分析

主振器產(chǎn)生微波振蕩信號(hào),經(jīng)可控衰減器衰減,再經(jīng)調(diào)諧后注入給速調(diào)管進(jìn)行功率放大,速調(diào)管輸出的大功率微波信號(hào)經(jīng)功率傳輸通道通過(guò)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(hào)處理系統(tǒng)以及導(dǎo)引部件計(jì)算機(jī)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(dòng)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(wèn)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(diǎn)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(wèn)題

從圖2并結(jié)合發(fā)射部件自動(dòng)功率優(yōu)化的特點(diǎn),可以分析得出優(yōu)化過(guò)程中主要存在以下三種故障模式:

1)實(shí)時(shí)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(shí),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(diǎn),但在實(shí)時(shí)優(yōu)化階段,由軟件控制的步進(jìn)產(chǎn)生的

ΔP源out遠(yuǎn)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(shí)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(guò)大,導(dǎo)致不容易找到速調(diào)管所需的最佳注入功率點(diǎn),因此速調(diào)管的大功率不能快速建立。在實(shí)時(shí)優(yōu)化階段,由軟件控制的步進(jìn)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(huì)導(dǎo)致速調(diào)管輸出功率大幅波動(dòng),干擾導(dǎo)引部件正常的信號(hào)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(shí), 可控衰減器的衰減量不能滿足功率調(diào)整的范圍,會(huì)導(dǎo)致速調(diào)管一直工作在過(guò)激勵(lì)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(jìn)措施

綜合以上分析,可以在提高硬件性能以及改進(jìn)調(diào)試方法幾個(gè)方面來(lái)采取改進(jìn)措施,有效解決優(yōu)化掃描失效、實(shí)時(shí)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(jìn)主振源線性度

可控衰減器一般由PIN二極管來(lái)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(duì)PIN二極管而言,在微波信號(hào)和直流偏置同時(shí)作用時(shí),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(hào)的幅度無(wú)關(guān),PIN二極管可控衰減器就是利用這一原理,通過(guò)對(duì)直流偏置電壓(U優(yōu))的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)微波信號(hào)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(diǎn),R-U曲線很理想的PIN二極管是沒(méi)有的,如圖3所示

,理想的衰減曲線為A曲線,實(shí)際的衰減曲線為B曲線,同一個(gè)PIN二極管可控衰減器,衰減量越大線性度越差。 圖3 一級(jí)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(diǎn)是只采用了一級(jí)單個(gè)PIN二極管衰減器,缺點(diǎn)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(jí)衰減,可以大大提高可控衰減器的線性度,設(shè)計(jì)電路如圖5所示。

圖5  兩級(jí)PIN二極管衰減器電路

采用兩級(jí)PIN二極管衰減電路后,其衰減線性范圍擴(kuò)大了1倍,如圖6所示。

圖6 兩級(jí)PIN二極管衰減器特性示意圖

3.2.2改進(jìn)速調(diào)管穩(wěn)定性

因?yàn)樗僬{(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(shí)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(shí)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(jī)合格率,速調(diào)管在出廠之前需要有足夠的存儲(chǔ)周期并多次老練測(cè)試以檢測(cè)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(kāi)始在驗(yàn)收規(guī)范中增加了出廠前至少存儲(chǔ)6個(gè)月后才能出廠驗(yàn)收的規(guī)定,從幾個(gè)批次的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來(lái)看,增加存儲(chǔ)時(shí)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(jī)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(jí)單個(gè)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(guò)程中可以通過(guò)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(jí)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(guò)激勵(lì)狀態(tài)。

為解決該問(wèn)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(guò)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(diǎn)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(dòng)雷達(dá)導(dǎo)彈發(fā)射部件功率自動(dòng)優(yōu)化性能的可靠實(shí)現(xiàn),在研制階段需要對(duì)優(yōu)化回路的硬件特性指標(biāo)進(jìn)行充分的論證和設(shè)計(jì),在此基礎(chǔ)上軟件流程及有關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)要與硬件特性良好的匹配;在生產(chǎn)調(diào)試階段需要對(duì)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(gè)體差異,進(jìn)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(diǎn)型號(hào)發(fā)射部件為研究對(duì)象,采取了有效的改進(jìn)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(duì)其他類似性能參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和后續(xù)型號(hào)的研制也有較高的參考價(jià)值。

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