谈接收机保护器故障数据统计分析范文

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摘要：本文对接收机保护器的故障数据进行了统计分析，识别出接收机保护器的主要故障现象、类型及其原因，并提出了应对接收机保护器最主要故障模式“管内气氛变化”的有效措施，为接收机保护器的可靠性提升工作提供有价值的指导。

关键词：接收机保护器；故障数据统计分析；管内气氛变化；可靠性

TR（Transmission－Receiver）管也叫气体放电管，即收发开关，它是利用等离子体放电控制高频能量通过或反射的一种充气微波管，被广泛应用于雷达收发转换开关和接收机保护装置［1］。在雷达发射脉冲信号期间保护接收机不受损坏，而在雷达接收回波信号时确保信号顺利传输至接收机；此外，在相邻发射脉冲之间，或当雷达关机时，保证接收机不受可能进入雷达天线的高功率微波辐射影响［2］。随着近年来接收机保护器装备需求量的不断增长，接收机保护器在批量生产供应中暴露出一些故障现象，例如离子电流降低、驻波或损耗超差、恢复时间长、密封窗炸裂、漏过功率大等，这些故障对武器装备交付以及使用可靠性产生了不少影响。本文对作者所在单位近六年的接收机保护器故障数据进行统计分析，识别出接收机保护器的主要故障现象，探讨了故障现象对应的故障原因和解决措施，并在此基础上，针对接收机保护器的制造和使用可靠性提升提出一些改进建议。

1故障数据统计分析

1．1接收机保护器的结构及性能

接收机保护器一般由前置预放电管、放电间隙（一级或多级）、限幅器（一级或多级）、波导和工作气体组成（如图1），其中前置预放电管部分是由预防腔体与石英放电管构成的，起到承受大功率和获得短恢复时间的作用；放电间隙则是由上下相对圆锥形的固定电极、调谐电极，以及两侧的谐振膜片构成，当低功率微波信号输入时，由于输入窗和放电间隙处形成的场强较低，工作气体不会产生电离，此时接收机保护器相当于一个带通滤波器，信号可“无损”通过；当大功率微波信号（大于着火功率）输入时，放电间隙处的强电场使工作气体电离，甚至引起输入窗口处工作气体电离，形成等离子体短路面，造成输入大功率信号“全”反射。而限幅器是由变容二极管和金属元件组成，起到对漏过功率进一步降低的作用。表征接收机保护器电性能的主要参数如表1所示。当雷达整机处于接收状态时，要求从目标返回的微弱回波信号能以很低的损耗通过接收机保护器进入接收机，故要求接收机保护器具有很低的电压驻波比和总插入损耗。当雷达整机处于发射状态时，接收机保护器内产生微波气体放电，前窗形成等离子体短路面，将发射机的脉冲功率反射到天线而发送出去，阻止高功率脉冲进入接收机，从而保护了接收机；但仍有部分微小的脉冲功率通过接收机保护器漏到接收机，故要求接收机保护器有足够低的漏过功率。而在发射脉冲结束时雷达处于接收状态，要求等离子体迅速消除电离，使规定频带范围内的回波信号顺利进入接收机，因此幅度恢复时间直接影响着雷达的最小作用距离，要求该指标也愈小愈好［3］。除上述电性能参数外，部分接收机保护器还设置了专门监测管内工作气体压强的非工作特性指标“离子电流”，用以初步判断接收机保护器内部气体组分是否发生变化。

1．2接收机保护器的故障数据统计分析

据不完全统计，2014年至2019年，作者所在单位生产交付的接收机保护器出现439支故障成品，除去复测正常、寿命终止及用户使用类问题，在寿命周期内因产品自身原因出现故障的接收机保护器共238支，约占故障产品总数的54．2％。故障现象主要包括离子电流降低、驻波或损耗超差、恢复时间长、密封窗炸裂、漏过功率大等，各类故障的数量及占比详见图2。从统计结果可知，离子电流降低问题出现最为频繁，在故障总数中占比接近80％，其次是驻波或损耗超差问题，在故障总数中占比15．55％，其余故障现象占比不足10％。对导致上述故障的原因进一步展开分析，按故障原因所属性质可分为工艺、设计、其他等类型，分别占故障总数的97．06％、2．52％和0．42％，其中工艺类问题是主要的故障原因，进而将每种类型的故障原因继续向下细分，得到如图3所示的接收机保护器故障现象及原因对应情况。统计细分后的每种故障原因对应的故障产品数量，如表2所示，可知管内气氛变化是最主要的故障原因，即接收机保护器最主要的故障模式在故障总数中占比超过90％，其余故障模式，如连接长度设计、电镀、变容器位置等问题，总占比仅5％左右。对管内气氛变化发生的原因进一步分析，知其是因管内外压差不同，存在一些细小的管状孔洞，造成外部气体逐渐地进入管内，使产品内部的气体慢慢发生改变。一般分为材料漏气和工艺漏气，其中有缺陷的材料漏气发生的可能性很低，本文统计的该类故障均是由制管工艺不足导致漏气造成的。一般对接收机保护器的设计寿命定为5年，使用年限超过5年的故障产品可以看作寿命终止。由表3可知，在正常的寿命周期内，第一年出现管内气氛变化的故障概率较低，前三年出现该类故障的概率占该类故障总数的40％左右，而第四年发生该类故障的概率最大，占比超过该类故障总数的一半，随着装备系统的需求不断上升，接收机保护器的交付数量也逐年增加。由于设计或工艺的局限性，产品故障时有发生，但随着认识的深入及技术的迭代更新，质量控制水平也在不断提高。2014年以来发生故障的产品，其生产年份在2003年至2019年的时间范畴内呈现一定的规律性分布。按故障的出现年份及生产年份划分，分别统计故障产品数量与发生年份和生产年份的对应情况，如图4和图5所示。统计结果表明，接收机保护器的故障数量随时间的发展，整体上呈现逐年波动下降的趋势，与对产品故障机理认识深入程度、质量控制措施落实完善程度的螺旋式上升规律相对应。从故障发生年份的角度分析，2015年出现的故障数量最多，占比接近故障管总数的一半，其故障产品主要为2011年的生产批；其次是2018年的故障数量，占比接近30％，故障产品则主要为2016年的生产批；两个年度的故障数量突出与某型接收机保护器离子电流下降的批次性问题直接相关。2016年以后生产的接收机保护器故障数量再次逐年下降，反映出针对故障原因制定的纠正措施的有效性。

2接收机保护器的可靠性水平提升措施

接收机保护器正常工作的必要条件是管内维持合适的气体组分和压力，如果出现管内气氛变化，即管内的气体组分和压力变化，将导致工作气体着火功率增加甚至不“着火”，入射功率直接通过，超过半导体限幅器的承受能力后烧毁限幅器。对接收机保护器故障现象及原因的统计分析结果表明，管内气氛变化正是接收机保护器最主要的故障原因（占比90％以上）。在接收机保护器的长期研制生产中，积累了一些应对管内气氛变化问题的有效措施，并经实践证实可降低故障概率，提升接收机保护器的可靠性水平。（1）改进谐振窗封接工艺。接收机保护器由金属波导管、金属电极、陶瓷窗片等零件通过焊接而成，焊接处理不当将会产生漏孔，其中谐振窗的封接工艺是保证气密性的薄弱环节。接收机保护器的焊接方式一般有软焊和硬焊两种，其中软焊采用的是焊锡（辅以助焊剂）在一定的温度下对封接处进行焊锡封接，硬焊采用金属焊料在氢炉内高温封接，硬焊相较于软焊，具有封接面洁净度高、硬度高、漏率低和寿命长等特点。建议将谐振窗的封接工艺由软焊改为硬焊，并提高谐振窗内密封片的表面光洁度或增加易焊镀层，优化封接面结构设计，可提高谐振窗封接的气密性，大大降低接收机保护器的漏气率。（2）改进氚的充入方式。氚作为接收机保护器提供初始电子的主要气体，在接收机保护器工作期间起着重要作用。建议将对氚靶片进行高频烘烤向管内释放气态氚的方式，改为在接收机保护器腔体侧壁固定氚钛靶（吸附有氚的镀有高纯钛的不锈钢底板）提供氚的方式，可降低气态氚被管壁吸附或从焊接面渗出的不稳定性，延长氚的持续供应时间。（3）加严产品的高低温贮存筛选要求，增加储存周期，提高管内气氛变化产品的剔除率；或在产品装机前进行必要的复测，通过观察参数的变化来剔除故障产品。

3结束语

接收机保护器是开关管应用中一个非常重要的领域，随着雷达装备量的提升，接收机保护器的使用数量也大幅度增加，提高接收机保护器的批生产可靠性具有十分重要的意义。本文介绍了近几年接收机保护器使用过程中出现的故障情况，从设计、工艺等角度对故障产生的原因及控制措施进行了统计分析，识别出接收机保护器的主要故障模式———管内气氛变化，最后，从设计及工艺、筛选检验等方面提出了改进建议，供接收机保护器的设计者和生产者参考，以不断提升接收机保护器的可靠性水平。

作者：薛静 庞月婵 王茹楠 单位：北京真空电子技术研究所