CN103400051B - 行波管受发射能力限制寿命的估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种行波管受发射能力限制寿命的估计方法，首先对试验数据进行预处理，然后对性能退化趋势进行拟合分析，最后对发射能力限制寿命进行估计。本发明方法中，试验数据预处理过程包括拣选稳定工作状态进行有效数据提取，对性能退化趋势的拟合过程包括利用特定函数对给定应力下电流<i>I</i>或<i>I</i>/？<i>V</i>^3/2随时间变化规律的拟合。本发明通过对寿命试验监测数据的处理提高了对试验数据的利用效率，完善了对行波管发射性能退化规律的全寿命周期描述，估计方法简单易行，可以基于较短期寿命试验对长寿命试验管的寿命进行估计。

Description

行波管受发射能力限制寿命的估计方法

技术领域

本发明属于微波真空电子技术领域，涉及一种真空电子器件试验数据处理和寿命评估方法。

背景技术

微波真空电子器件如行波管等的可靠性对其应用非常重要，对其寿命的评估是其可靠性分析的重要环节。行波管结构复杂、成本高，寿命试验代价大，且对长寿命行波管而言，基于短期试验难于实现对其寿命的估计。目前，基于行波管核心部件——阴极的寿命估计是整管寿命估计的主要参考指标。对行波管阴极寿命进行估计有利用欠热特性曲线、Miram曲线和实际功函数(PWFD)的特征参数的变化来估计的方法，进一步的这些特征参数的变化由活性物质蒸发和阴极材料互扩散、离子轰击、阴极中毒等导致的表面膜层退化等失效机理决定。利用这些方法进行寿命估计时，寿命试验过程中的监测数据通常只作为判断器件是否正常的依据，并未得到有效的利用，其阴极发射能力要通过测试上述曲线或特征参数来表征，过程比较复杂、不能实时跟踪性能的变化。

在一定工作条件下，行波管整个寿命期间的性能变化规律最终决定了其使用寿命，因此其性能变化规律可作为寿命估计的依据。而就行波管阴极发射能力而言，其在寿命过程中的典型变化规律包含上升和下降阶段，尽管不同管型上升阶段大不相同，有的上升阶段可以忽略，有的却可长达到几万小时，这表明在很长一段寿命试验过程中可能观察不到性能下降。现有的表征阴极发射能力变化的经验公式均只考虑了下降阶段，寿命试验中未出现明显的下降趋势以前无法进行寿命估计，既无法基于短期寿命试验对长寿命试验管的寿命进行估计。

发明内容

技术问题：针对上述问题，本发明提供一种基于寿命试验监测数据的简单易行的行波管受发射能力限制寿命的估计方法。

技术方案：本发明的行波管受发射能力限制寿命的估计方法，包括以下步骤：

1)对行波管寿命试验监测数据进行预处理，即拣选稳定工作状态的监测数据作为有效数据，稳定工作状态指在一个连续时间段内工作条件参数稳定在选定范围内的工作状态，工作条件参数为热子功率或温度或热子功率和阳极电压V，选定范围为[s(1-a％),s(1+b％)]范围内，其中s为工作条件参数设定值，a为稳定工作状态的向下变化阈值，b为稳定工作状态的向上变化阈值，a，b取值范围均为[0.01，50]；

2)从有效数据中提取行波管试验管在给定工作条件下的阳极电流随时间的变化数据、收集极电流随时间的变化数据，阳极电流与阳极电压3/2次方的比值I/V^3/2随时间的变化数据或收集极或收集极电流与阳极电压3/2次方的比值I/V^3/2随时间的变化数据，作为给定工作条件下的试验管性能变化数据，然后按照下式对试验管性能变化数据进行拟合分析，得到拟合曲线：

$y=\frac{a}{e^{bt}}+ct+d$

其中y为阳极电流、收集极电流、阳极电流与阳极电压3/2次方的比值或收集极电流与阳极电压3/2次方的比值，t为时间，a，b，c，d为待拟合参数，并且满足a<0，b<0，c<0，d>-a；

3)根据步骤2)得到的拟合曲线，对行波管试验管的寿命进行估计，得到试验管的发射能力限制寿命估计值。

本发明方法的步骤2)中，在提取到给定工作条件下的试验管性能变化数据后，按时间段对试验管性能变化数据进行分组，并对每组数据求平均值，然后对平均值进行拟合分析，得到拟合曲线。

本发明方法的步骤3)中，对行波管试验管的寿命进行估计，是将阳极电流、收集极电流、阳极电流与阳极电压3/2次方的比值或收集极电流与阳极电压3/2次方的比值降为初值的90％时，拟合曲线所对应的时间作为试验管的发射能力限制寿命估计值，初值为t＝0时或第一个有效数据记录时刻的阳极电流、收集极电流、阳极电流与阳极电压3/2次方的比值或收集极电流与阳极电压3/2次方的比值。

有益效果：本发明通过对寿命试验监测数据的处理提高了对试验数据的利用效率，完善了对行波管发射性能退化规律的全寿命周期描述，估计方法简单易行，可以基于较短期寿命试验对长寿命试验管的寿命进行估计。

与现有技术相比，本发明在寿命估计过程中直接利用寿命试验监测数据，无须间断性地进行Miram曲线、实际功函数(PWFD)、逸出功、饱和发射电流密度、欠热特性等的测试、简化了寿命试验过程，提高了对试验监测数据的利用效率，可实时进行估计；本发明对试验数据的处理过程中采用拣选稳定工作状态试验数据、及按时间分断平均的方法，不同于目前对寿命试验过程中电流变化趋势的分析中常用的随机抽取监测数据的方法，降低了试验过程中过大的噪声或工作环境条件异常等对监测数据干扰带来的观测误差，保证了性能退化规律拟合及寿命估计所用数据的有效性，提高了拟合优度；同时对给定工作条件下有效数据进行拟合的方法进一步降低了工作条件应力参数对评估结果的影响，提高了评估结果的准确性，便于开展工作条件应力影响分析；此外，试验管性能变化拟合公式可对有性能上升和下降两个阶段的试验管的性能变化规律进行拟合，不同于现有的经验公式只考虑性能下降阶段的情况，改善了全寿命周期行波管发射性能退化规律描述的准确和完整性，因此可基于短期寿命试验对长寿命试验管的寿命估计。

总的来说，本发明方法具有如下优点：

本发明方法可较好地给出试验管在整个寿命阶段发射能力的变化。

1)可基于较短期寿命试验监测数据实现对长寿命行波管发射能力限制条件下的寿命进行估计。

2)本发明方法仅利用寿命试验过程中的监测数据，简单易行、可在试验过程中实时进行，有较好的适用性。

3)利用本发明试验数据处理方法可以降低对寿命试验过程中对应力条件稳定性的要求。

附图说明

图1是寿命试验数据处理与可靠性分析流程图。

图2是基于本发明实施例得到的有效数据和拟合曲线示意图。

具体实施方式

本发明方法的流程如图1所示，主要包括以下步骤：

1)对行波管寿命试验监测数据进行预处理，即拣选稳定工作状态的监测数据作为有效数据，稳定状态指在一个连续时间段内工作条件参数稳定在选定范围内的工作状态，工作条件参数为热子功率或温度或热子功率和阳极电压V，选定范围为[s(1-a％)，s(1+b％)]范围内，其中s为工作条件参数设定值，a为稳定工作状态的向下变化阈值，b为稳定工作状态的向上变化阈值，a，b取值范围均为[0.01，50]，筛选所得数据区间段不宜少于5个；

2)从有效数据中提取行波管试验管在给定工作条件下的阳极电流或收集极电流I随时间的变化数据，或阳极电流或收集极电流与阳极电压3/2次方的比值I/V^3/2随时间的变化数据，作为给定工作条件下的试验管性能变化数据，然后按照下式对试验管性能变化数据进行拟合分析，得到拟合曲线：

$y=\frac{a}{e^{bt}}+ct+d$

其中y为阳极电流或收集极电流I或I/V^3/2，t为时间，a，b，c，d为待拟合参数，并且满足a<0，b<0，c<0，d>-a；其中的阳极电流或收集极电流I，对于采用二极管作为试验管的情况，指其阳极电流，对于采用电子枪、短管、整管的情况，指其收集极电流。

3)根据步骤2)得到的拟合曲线，对行波管试验管的寿命进行估计，得到试验管的发射能力限制寿命估计值。

本发明的一个优选实施例中，步骤2)中，针对给定工作条件下的试验管性能变化数据，首先对其按时间段进行分组，并对每组数据求平均值，然后对分段平均后的数据按照步骤2)中的公式进行拟合分析，得到拟合曲线；这里按时间段进行分组是按照时间的先后顺序进行分组，设每组数据的时间跨度均为Δt，则监测时间t位于[0，Δt]范围内的数据归为第1组，t位于[Δt，2Δt]范围内的为第2组，…，以此类推；一般根据所要体现的试验管性能随时间变化的精度和试验数据采集的密度来确定每组数据的时间跨度，在通常的试验管性能缓变的情况下，Δt可选择小时、日或者周等较长的时间跨度，Δt的最小值为寿命试验监测数据的采样周期。

本发明的另一个优选实施例中，步骤3)中对行波管试验管的寿命进行估计，是将阳极电流或收集极电流I或I/V^3/2降为初值的90％时，拟合曲线所对应的时间作为试验管的发射能力限制寿命估计值，初值为t＝0时或第一个有效数据记录时刻的阳极电流或收集极电流I或I/V^3/2。

为说明本发明寿命试验数据处理方法带来的好处，这里以某寿命试验二极管阳极电流变化曲线拟合为例进行说明。进行不同的数据处理后采用多种拟合函数进行拟合的判定系数结果如表1所示：表中第二列为对原始数据选定热子功率＝5.3W，阳极电压＝492.79V，然后对电流随时间变化情况进行直接拟合的结果，表示为“直接拟合”；表中第三列为对原始数据选定热子功率与阳极电压，并对电流按日取平均值后拟合的结果，表示为“分段平均后拟合”；表中最后一列对应于本发明完整的试验数据处理过程，先进行连续2小时稳定工作时间段筛选，再选定热子功率与阳极电压，并对电流按日取平均值后拟合。由表中的判定系数可以看出几种拟合效果中，“分段平均后拟合”的效果好于“直接拟合”，而再加上筛选稳定状态这一预处理方法后的拟合判定系数最高，其数据拟合效果最好，说明本发明数据处理方法有利于对试验管性能变化规律的体现。

表1几种不同试验数据处理情况下拟合的判定系数

为说明本发明进行寿命估计的效果，这里进一步给出一个典型示例。图2为对某试验管利用本发明方法得到的有效数据及曲线拟合结果，图中的点为预处理后的有效数据，实线为性能变化规律拟合结果，由图可见该管发射能力具有随时间先上升后下降的特点，对其进行稳定工作状态筛选的条件是热子功率1天内处于[2.967W-0.01W，2.967W+0.01W]范围内，由于该监测数据情况为每天记录1个数据，因此满足热子功率范围的数据全部为有效数据，其给定工作条件的选取范围与稳定状态筛选相同，拟合曲线降到首个有效数据点的I/V^3/2值所对应的90％时，横坐标为40万小时，该值即为该试验管受发射能力限制的寿命的估计值。可见，利用本发明方法可基于较短期寿命试验数据对长寿命试验管进行寿命估计。

Claims (3)

1.一种行波管受发射能力限制寿命的估计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)对行波管寿命试验监测数据进行预处理，即拣选稳定工作状态的监测数据作为有效数据，所述稳定工作状态指在一个连续时间段内工作条件参数稳定在选定范围内的工作状态，所述工作条件参数为热子功率或温度或热子功率和阳极电压V，所述选定范围为[s(1-a％),s(1+b％)]范围内，其中s为工作条件参数设定值，a为稳定工作状态的向下变化阈值，b为稳定工作状态的向上变化阈值，a，b取值范围均为[0.01，50]；

2)从有效数据中提取行波管试验管在给定工作条件下的阳极电流随时间的变化数据、收集极电流随时间的变化数据，阳极电流与阳极电压3/2次方的比值I/V^3/2随时间的变化数据或收集极电流与阳极电压3/2次方的比值I/V^3/2随时间的变化数据，作为给定工作条件下的试验管性能变化数据，然后按照下式对所述试验管性能变化数据进行拟合分析，得到拟合曲线：

$y=\frac{a}{e^{bt}}+ct+d$

其中y为阳极电流、收集极电流、阳极电流与阳极电压3/2次方的比值或收集极电流与阳极电压3/2次方的比值，I为阳极电流或收集极电流，t为时间，a，b，c，d为待拟合参数，并且满足a<0，b<0，c<0，d>-a；

3)根据所述步骤2)得到的拟合曲线，对行波管试验管的寿命进行估计，得到试验管的发射能力限制寿命估计值。

2.根据权利要求1所述的行波管受发射能力限制寿命的估计方法，其特征在于，所述步骤2)中，在提取到给定工作条件下的试验管性能变化数据后，按时间段对所述试验管性能变化数据进行分组，并对每组数据求平均值，然后对平均值进行拟合分析，得到拟合曲线。

3.根据权利要求1或2所述的受发射能力限制行波管寿命的估计方法，其特征在于，所述步骤3)中对行波管试验管的寿命进行估计，是将阳极电流、收集极电流、阳极电流与阳极电压3/2次方的比值或收集极电流与阳极电压3/2次方的比值降为初值的90％时，拟合曲线所对应的时间作为试验管的发射能力限制寿命估计值，所述初值为t＝0时或第一个有效数据记录时刻的阳极电流、收集极电流、阳极电流与阳极电压3/2次方的比值或收集极电流与阳极电压3/2次方的比值。