某型指令發(fā)射機(jī)自動(dòng)頻率微調(diào)原理分析

■ 鄧松 唐星星 甘家松/國(guó)營(yíng)長(zhǎng)虹機(jī)械廠

0 引言

某型指令發(fā)射機(jī)作為某型武器系統(tǒng)指令鏈路的重要組成部件，除發(fā)射功率外，其工作頻率也是重要指標(biāo)之一。在許多情況下，頻率穩(wěn)定度差會(huì)導(dǎo)致通信作用距離縮短，甚至完全破壞聯(lián)絡(luò)。

磁控管是該型指令發(fā)射機(jī)中主要的微波功率源，具有輸出功率大、效率高等優(yōu)點(diǎn)，指令發(fā)射機(jī)的輻射功率和工作頻率主要由其保證。但在實(shí)際工作中，磁控管頻率會(huì)發(fā)生漂移，需通過(guò)自動(dòng)頻率微調(diào)系統(tǒng)來(lái)保證指令發(fā)射機(jī)獲得極高的頻率穩(wěn)定度。

1 磁控管變頻原理

指令發(fā)射機(jī)的磁控管采用同軸磁控管形式，主要分為陽(yáng)極諧振系統(tǒng)、陰極、能量輸出裝置、頻率調(diào)諧機(jī)構(gòu)、磁路系統(tǒng)五大部分。其中，陽(yáng)極調(diào)諧系統(tǒng)決定磁控管的振蕩頻率和頻率穩(wěn)定度，儲(chǔ)存由電子和高頻場(chǎng)相互作用所產(chǎn)生的高頻能量，并通過(guò)能量輸出器將大部分高頻能量饋送給負(fù)載，因此必須具備極高的品質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)性。陽(yáng)極調(diào)諧系統(tǒng)主要由諧振腔沿圓柱形內(nèi)部區(qū)域排列組成，其振蕩頻率取決于諧振腔的等效電容、電感。采用機(jī)械運(yùn)動(dòng)或電的方法改變諧振腔的等效電容、電感都能改變磁控管的振蕩頻率，前者稱為機(jī)械調(diào)諧，后者稱為電調(diào)諧。電調(diào)諧主要通過(guò)改變陽(yáng)極電壓或通過(guò)電子流注入等方法實(shí)現(xiàn)磁控管調(diào)頻。該型指令發(fā)射機(jī)的磁控管屬于機(jī)械調(diào)諧。

測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在固定的中心頻率上，該型指令發(fā)射機(jī)磁控管輸出的高頻頻率以恒定的變化范圍和恒定的速率周期變化，屬于顫抖調(diào)諧磁控管。如圖1所示，磁控管的顫抖機(jī)構(gòu)安裝在其調(diào)諧器上，調(diào)諧活塞的軸上安裝有凸輪裝置，外部連接電機(jī)及減速機(jī)構(gòu)（見(jiàn)圖2）。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，偏心裝置通過(guò)滾珠軸承使調(diào)諧活塞沿諧振腔軸向做正弦運(yùn)動(dòng)，從而改變諧振腔的大小。

如圖3所示，由于磁控管發(fā)射脈沖的寬度與頻率調(diào)制周期相比十分短促，在各個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，發(fā)射頻率幾乎不變。適當(dāng)改變伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速（即改變磁控管的頻率調(diào)整周期），可使每一脈沖都得到與前一個(gè)脈沖不同且不相關(guān)的發(fā)射頻率，從而實(shí)現(xiàn)脈間變頻。經(jīng)測(cè)試，其頻率改變范圍約為中心頻率的3.5%。

2 自動(dòng)頻率微調(diào)系統(tǒng)

為了防止磁控管頻率漂移，指令發(fā)射機(jī)采用了一套自動(dòng)頻率微調(diào)系統(tǒng)來(lái)保證磁控管具有極高的頻率穩(wěn)定度，圖4為自動(dòng)頻率微調(diào)系統(tǒng)工作原理示意圖，圖5為產(chǎn)品實(shí)物。

整個(gè)自動(dòng)頻率微調(diào)系統(tǒng)利用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)諧振腔，是帶有被調(diào)制諧振腔的鑒頻器（見(jiàn)圖6）。它是一個(gè)高質(zhì)量因數(shù)的諧振腔，其中的一個(gè)壁由膜片組成，在由交流供電的螺線管作用下發(fā)生位移。諧振腔與磁控管、檢波器耦合，從檢波器取得控制電壓，對(duì)磁控管進(jìn)行頻率微調(diào)。

鑒頻器用于鑒別輸入信號(hào)頻率偏離額定頻率的程度，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)與頻率偏差量成比例的誤差信號(hào)電壓，作為自動(dòng)頻率調(diào)整系統(tǒng)的控制電壓，其極性取決于頻率偏離的方向。具體工作過(guò)程為：在螺線管的作用下，諧振腔的膜片以一定頻率振動(dòng)，該頻率與交流電源的頻率有關(guān)。此時(shí)，在不太大的范圍內(nèi)周期性地改變諧振腔的自然諧振頻率，也就是使諧振腔“調(diào)制”。圖6虛線表示膜片振動(dòng)時(shí)諧振特性的極限位置。

圖1 磁控管原理圖

圖2 減速機(jī)構(gòu)與磁控管連接

圖3 顫抖調(diào)諧磁控管頻率調(diào)制特性

圖4 自動(dòng)頻率微調(diào)工作原理

圖5 自動(dòng)頻率微調(diào)系統(tǒng)實(shí)物

假設(shè)自然諧振頻率為f0的諧振腔（當(dāng)膜片在中心位置時(shí)）調(diào)諧在磁控管的頻率上，在此種情況下膜片諧振時(shí)，檢波器輸出端的電壓就具有如圖7右側(cè)曲線f0所示的形狀。當(dāng)磁控管的頻率與諧振腔的自然頻率不相符合時(shí)（如f1或f2），檢波器輸出端的電壓就隨螺線管交變電壓的頻率而變化（如圖7右側(cè)曲線f1、f2）。當(dāng)磁控管頻率為f1與f2時(shí)，檢波器輸出端的電壓相位相差180°。比較這個(gè)相移與螺線管交變電壓的相位，可確定頻率偏移的方向。

磁控管產(chǎn)生的高頻能量經(jīng)波導(dǎo)系統(tǒng)加載至波導(dǎo)十字交叉耦合器輸入端，耦合器調(diào)整加載諧振腔的能量數(shù)值（耦合度約為60dB），后者的自然頻率由于膜片的形變而周期性地變化。檢波后，諧振腔輸出端的脈沖振幅按交變供給電壓的頻率調(diào)制。脈沖放大后，由低通濾波器分離出按調(diào)制頻率變化的控制電壓，該電壓加在控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)放大電路上，電機(jī)帶動(dòng)調(diào)諧部件微調(diào)磁控管，電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向取決于驅(qū)動(dòng)電路輸出的電壓相位。

圖6 帶有被調(diào)制諧振腔的鑒頻器

由上述分析可以看出，自動(dòng)頻率調(diào)整系統(tǒng)是利用了自動(dòng)控制原理，能夠?qū)⑤斎胼^大的頻差變?yōu)檩敵鲚^小的頻差，由此保證將指令發(fā)射機(jī)的頻率漂移控制在±2MHz以內(nèi)。

3 頻率穩(wěn)定度的檢測(cè)及調(diào)整

造成磁控管頻率漂移的原因包括電源電壓、溫度、外部負(fù)載的緩慢變化等，頻漂可由頻率計(jì)或頻譜分析儀準(zhǔn)確測(cè)量獲得。指令發(fā)射機(jī)的輸出脈沖功率較大，測(cè)試時(shí)需適當(dāng)衰減，使其不超過(guò)測(cè)試儀器的最大允許輸入功率，以保證儀器安全。

指令發(fā)射機(jī)在使用過(guò)程中，可能會(huì)產(chǎn)生以下與頻率參數(shù)有關(guān)的故障。

1）頻率一直處于搜索狀態(tài)，直至產(chǎn)品斷電

這種情況一般是由于磁控管產(chǎn)生的初始頻率與需要達(dá)到的頻率偏差太大，超出了自動(dòng)頻率微調(diào)的有效控制范圍，減速機(jī)構(gòu)的凸輪最終觸發(fā)微動(dòng)開(kāi)關(guān)B4，迫使發(fā)射機(jī)下電。解決方法：在排除磁控管損壞及電路故障的前提下，先使減速機(jī)構(gòu)與磁控管離合，手動(dòng)調(diào)節(jié)磁控管的凸輪，將輸出頻率強(qiáng)行拉入調(diào)頻電路控制范圍內(nèi)（即需要達(dá)到的頻率值附近），然后將減速機(jī)構(gòu)恢復(fù)到初始狀態(tài)。

圖7 諧振腔諧振特性和在檢波器輸出端的電壓曲線

2）頻率穩(wěn)定時(shí)超出允許范圍值

這種情況一般是由于諧振腔的參數(shù)發(fā)生了變化，使頻率標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生了偏差。解決方法：在排除調(diào)頻電路故障的前提下，通過(guò)調(diào)節(jié)諧振腔的機(jī)械調(diào)諧螺釘，改變諧振腔的腔長(zhǎng)，從而達(dá)到調(diào)整衰減頻率的目的，必要時(shí)可更換諧振腔。

3）頻率不搜索，自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)未工作

這種情況一般是由電路故障導(dǎo)致，可能的原因有：

a.二次電源故障，+15V（Ⅰ）、+15V（Ⅱ）、-15V直流供電不正常，調(diào)頻電路未工作。

b.檢波器無(wú)脈沖輸出或輸出的脈沖幅度過(guò)小。如果檢波器的質(zhì)量變差，在輸出端還會(huì)混入噪聲，影響控制電路正常工作。

c.調(diào)頻電路某個(gè)或某幾個(gè)晶體管損壞，功能喪失，需要根據(jù)電路原理具體查找故障器件，在此不做詳細(xì)敘述。

d.磁控管性能變差或未工作，此項(xiàng)原因?qū)嶋H與b項(xiàng)原因類似，磁控管無(wú)輸出或輸出功率小導(dǎo)致檢波器輸出脈沖的幅度異常。

4 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)頻率微調(diào)屬于非常復(fù)雜的閉環(huán)控制系統(tǒng)，以上僅列舉了指令發(fā)射機(jī)常見(jiàn)的幾種故障類型及可能發(fā)生故障的部位。實(shí)際修理中，涉及的部件及因素較多，需針對(duì)故障現(xiàn)象進(jìn)行具體分析。