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)射部件是雷達導引部件的重要組成部分,其性能對導引部件乃至導彈武器系統的戰術(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(zhù)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)指標不匹配、不合理等缺陷,導致其自動(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,經(jīng)可控衰減器衰減,再經(jīng)調諧后注入給速調管進(jìn)行功率放大,速調管輸出的大功率微波信號經(jīng)功率傳輸通道通過(guò)天線(xiàn)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),根據導引部件信號處理系統以及導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,從而調整速調管注入功率至最佳值,使得速調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,坐標軸左邊表示的是速調管的輸入輸出功率關(guān)系曲線(xiàn)(P管in-P管out曲線(xiàn)),基于速調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(xiàn)(U優(yōu)-P源out曲線(xiàn)),根據功率電壓變化率ΔP源out/ΔU優(yōu)的特點(diǎn)以-1.5V為界分為1區和2區。

圖2  主振源優(yōu)化特性曲線(xiàn)與速調管功率特性曲線(xiàn)示意圖

3.1存在問(wèn)題

從圖2并結合發(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

當速調管需求的注入功率較小,即主振源工作在1區時(shí),根據軟件優(yōu)化流程,在優(yōu)化掃描階段能準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遠小于管子不穩定性所需求最佳注入功率的變化ΔP管in,導致速調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

當速調管需求的注入功率較大,即主振源工作在2區的時(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,導致不容易找到速調管所需的最佳注入功率點(diǎn),因此速調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(mǎn)足管子不穩定性所需求最佳注入功率的變化ΔP管in,但在該階段會(huì )導致速調管輸出功率大幅波動(dòng),干擾導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,所以當速調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(mǎn)足功率調整的范圍,會(huì )導致速調管一直工作在過(guò)激勵狀態(tài),發(fā)射部件得不到最大功率輸出,削弱了導引部件的工作性能。

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(xiàn)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結組成,在P和N半導體材料之間加入一薄層低摻雜的本征半導體層,組成的這種P-I-N結構的二極管叫做PIN二極管。對PIN二極管而言,在微波信號和直流偏置同時(shí)作用時(shí),PIN二極管所呈現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(wú)關(guān),PIN二極管可控衰減器就是利用這一原理,通過(guò)對直流偏置電壓(U優(yōu))的控制來(lái)實(shí)現對微波信號的衰減。

線(xiàn)性度是指衰減量與直流偏置電壓(U優(yōu))的關(guān)系曲線(xiàn)的線(xiàn)性程度,這一參數除要求電路匹配良好外,更重要的是選擇R-U關(guān)系曲線(xiàn)線(xiàn)性度良好的PIN二極管,并選定其適當的工作點(diǎn),R-U曲線(xiàn)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(xiàn)為A曲線(xiàn),實(shí)際的衰減曲線(xiàn)為B曲線(xiàn),同一個(gè)PIN二極管可控衰減器,衰減量越大線(xiàn)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(diǎn)是只采用了一級單個(gè)PIN二極管衰減器,缺點(diǎn)是衰減不夠

大線(xiàn)性度差。

圖4  現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(xiàn)性度,設計電路如圖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(xiàn)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(jìn)速調管穩定性

因為速調管是集電子、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完成能量轉換,解決速調管的穩定性在實(shí)現技術(shù)性能的基礎上要提高速調管的陰極、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致其性能的不穩定性。

速調管制造完成后,在一定時(shí)間內速調管材料中氣體離子的釋放難以避免的導致腔體的真空度下降,所以為了提高速調管的一次裝機合格率,速調管在出廠(chǎng)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)射部件速調管從06批生產(chǎn)開(kāi)始在驗收規范中增加了出廠(chǎng)前至少存儲6個(gè)月后才能出廠(chǎng)驗收的規定,從幾個(gè)批次的數據統計來(lái)看,增加存儲時(shí)間后可以剔除8%左右的不良產(chǎn)品,提高了速調管一次裝機合格率。

3.2.3 提前調整注入功率

某發(fā)射部件主振源可控衰減器只采用了一級單個(gè)PIN二極管衰減器,為了滿(mǎn)足速調管所需的最佳注入功率范圍,在發(fā)射部件調試過(guò)程中可以通過(guò)調整主振源的諧振腔,在可控衰減器末端調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致速調管工作在過(guò)激勵狀態(tài)。

為解決該問(wèn)題,在某發(fā)射部件的發(fā)射模塊調試中增加了主振源諧振腔的調整工序。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(mǎn)足速調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)射部件的一次調試合格率。

4.結論

主動(dòng)雷達導彈發(fā)射部件功率自動(dòng)優(yōu)化性能的可靠實(shí)現,在研制階段需要對優(yōu)化回路的硬件特性指標進(jìn)行充分的論證和設計,在此基礎上軟件流程及有關(guān)參數的設計要與硬件特性良好的匹配;在生產(chǎn)調試階段需要對有關(guān)參數采取恰當的調試手段,以消除硬件參數的個(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)型號發(fā)射部件為研究對象,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)射部件的一次調試合格率而且顯著(zhù)優(yōu)化了其功率性能,對其他類(lèi)似性能參數的優(yōu)化設計和后續型號的研制也有較高的參考價(jià)值。

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