CN114295642A - 陶瓷杆蒸碳涂层衰减性能测试设备及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及陶瓷杆蒸碳涂层衰减性能测试设备及测试方法，属于微波/毫米波电真空器件领域。待测试件夹持在波导系统内；机械传动机构上设有托架，待测试件垂直于托架且置于托架上，机械传动机构驱动托架上、下运动；所述的固定支架上设有三端口环行器；三端口环行器通过电缆与信号发生器、波导系统及小功率计相连通；小功率计与数据处理器相连通，数据处理器与计算机控制系统相连通；计算机控制系统用于控制机械传动机构。本发明提供的陶瓷杆蒸碳涂层衰减性能测试设备及测试方法，使得陶瓷杆的衰减性能更直观，替代了原有的对陶瓷杆蒸碳涂层直流电阻的检测，手段更加科学合理，有利于产品电参数的一致性，提高了产品的互换性。

Description

陶瓷杆蒸碳涂层衰减性能测试设备及测试方法

技术领域

本发明涉及陶瓷杆蒸碳涂层衰减性能测试设备及测试方法，属于微波/毫米波电真空器件领域。

背景技术

行波管是微波/毫米波电真空器件中最重要的器件之一，在通信、雷达、电子对抗等现代军事电子装备中都应用的十分广泛。在行波管内，最核心的部件是慢波系统，它直接影响到行波管性能的好坏。螺旋线慢波系统是行波管中应用最多最广泛的慢波系统，其高频特性对行波管的工作带宽、增益、输出功率和效率等参数都有非常重要的影响。行波管工作的稳定性与行波管内所用的集中衰减器密切相关，因此，必须深入研究集中衰减器对行波管的影响，特别是准确计算集中衰减器的分布特性。

目前，集中衰减器主要是在陶瓷杆上蒸碳的方式进行设置，对于行波管中的陶瓷杆上衰减量的测试，在国内目前主要还是通过测量直流电阻的方法来估计衰减的分布，这种方法的误差很大。而传统的测量方法主要是依靠长期积累的经验，将集中衰减器上的衰减量作为一个常量去测试的，这种方法没有考虑频率的变化对衰减量的影响，也忽视了很多外界因素对衰减的影响。另外，通常采用探针来测试慢波结构中陶瓷杆上衰减层的衰减分布本身就存在控制困难，导致计算不准确的问题。因此，我们必须寻求一种更准确的方法来测量行波管集中衰减器的衰减分布。

发明内容

本发明针对上述问题提供了能够测试陶瓷杆的总衰减量和分布衰减量，并给出分布衰减量的曲线，解决困扰螺旋线行波管的稳定性的难题之一，能进行陶瓷杆蒸碳层衰减性能的测试，给出相应的测试方法。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的陶瓷杆蒸碳涂层衰减性能测试设备，包括信号发生器；三端口环行器；波导系统，小功率计；数据处理器，计算机控制系统；固定支架，机械传动机构，托架；待测试件夹持在波导系统内；机械传动机构上设有托架，待测试件垂直于托架且置于托架上，机械传动机构驱动托架上、下运动；所述的固定支架上设有三端口环行器；三端口环行器通过电缆与信号发生器、波导系统及小功率计相连通；小功率计与数据处理器相连通，数据处理器与计算机控制系统相连通；计算机控制系统用于控制机械传动机构。

本发明所述的陶瓷杆蒸碳涂层衰减性能测试设备，所述的三端口环行器上分别设有端口一，端口二，端口三；所述的端口一为信号输入端，端口一与信号发生器相连；所述的端口二为输入输出双向端口，端口二与波导系统相连；所述的端口三为输出端口，端口三与小功率计相连。

本发明所述的陶瓷杆蒸碳涂层衰减性能测试设备，所述的小功率计的信号输出端与数据处理器的信号输入端相连，数据处理器的信号输出端与计算机控制系统的信号输入端相连。

本发明所述的陶瓷杆蒸碳涂层衰减性能测试设备，所述的波导系统包括法兰，信号管腔，轴套，全反射面；所述的信号管腔的一端布置法兰，信号管腔的另一端设有轴套，相对于信号管腔另一侧的轴套上设有全反射面；所述的信号管腔内设有信号输入及输出的内腔，信号管腔的内腔贯穿轴套延伸至全反射面内。

本发明所述的陶瓷杆蒸碳涂层衰减性能测试设备，所述的信号管腔内的内腔从信号输入输出端的内腔直径向轴套方向呈逐渐压缩状；轴套内信号管腔内腔直径与全反射面信号管腔内腔直径相等。

陶瓷杆蒸碳涂层衰减性能测试设备的测试方法，测试方法如下：

步骤1、将陶瓷杆的杆体表面蒸碳涂层，将该陶瓷杆作为待测试件；

步骤2、将陶瓷杆夹持在波导系统中的轴套内，陶瓷杆的底端布置托架上；

步骤3、打开信号发生器、功率计；调节信号发生器的输出频率；

步骤4、对功率进行校正；并根据陶瓷杆的实际长度值对设置需要测试的长度；

步骤5、通过计算机控制系统控制机械传动机构，使待测试件沿波导系统从上至下自由下降；小功率计及数据处理器将曲线和衰减量数值反馈至计算机控制系统。

本发明所述的陶瓷杆蒸碳涂层衰减性能测试设备的测试方法，所述的步骤3 中调节信号发生器的输出频率，设定为8.0GHz～12.0GHz。

本发明所述的陶瓷杆蒸碳涂层衰减性能测试设备的测试方法，所述的步骤4 中对功率进行校正，调节信号发生器的功率电平，同时观察功率的数值变化，直至功率计显示为1mW～3mW。

有益效果

本发明提供的陶瓷杆蒸碳涂层衰减性能测试设备及测试方法，从工艺控制和检测的角度出发，为陶瓷杆衰减量的测量和对比提供了一条途径，在生产过程中可以有效把控陶瓷杆的衰减量，使得陶瓷杆的衰减性能更直观，替代了原有的对陶瓷杆蒸碳涂层直流电阻的检测，手段更加科学合理，有利于产品电参数的一致性，提高了产品的互换性。同时，对流通率差、性能不稳定的螺旋线行波管故障现象分析提供了有力的技术支撑，可以对故障管的陶瓷杆解剖分析，开阔了发现问题、分析问题、解决问题的思路，提升了产品质量和可靠性。

由于陶瓷杆蒸碳问题而导致的流通率差、不稳定等质量问题骤减，产品良品率大幅度上升。螺旋线行波管蒸碳陶瓷杆在采用该设备进行性能检测控制后，产品性能的良品率从控制前的65％提升到91％，提升效果非常明显。

附图说明

图1是衰减器工作时附近电场方向；

图2是本发明的结构示意图；

图3是本发明的波导系统结构示意图；

图4是图3中A处放大结构示意图；

图5是本发明测试陶瓷杆分布衰减的测试曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示：

在行波管中，衰减器是在特定的电磁场中工作，这个特定的电磁场取决于行波管螺旋线。因此，陶瓷杆上衰减涂层的衰减分布也是由这个特定的场决定的。如果能寻找到一种与行波管慢波线相比拟的场，将陶瓷杆的衰减涂层段按照一定的方向放入其中，进行有效的模拟，通过测量此时电磁场作用下的衰减，从而可以得到衰减涂层的分布规律。这样就设计出建立在电磁场意义上的衰减测量模型。

如图1所示：陶瓷杆上的衰减器在行波管中工作时的电场情，在图1上可以清楚的看到，在衰减器附近的电场方向为Z向，即螺旋线的轴向方向。在矩形波导理论中，根据主模TE10的场结构，其中宽边电场方向正好可以模拟行波管衰减器的工作环境。如果在矩形波导宽边的正中(此处的电场强度最大，有了利于衰减的测量)开一个小孔用来导入陶瓷杆，此时陶瓷杆上衰减器的工作情况与行波管中的工作情况一致且场形非常接近，这样就可以得到此时一点的衰减量，然后可控的上下移动陶瓷杆，进而得到衰减器的衰减分布。

如图2所示：陶瓷杆蒸碳涂层衰减性能测试设备，包括信号发生器1；三端口环行器2；波导系统3，小功率计5；机械传动机构6，数据处理器7，计算机控制系统8，托架9，固定支架10；待测试件夹持在波导系统3内；机械传动机构6上设有托架，待测试件垂直于托架9且置于托架9上，机械传动机构6驱动托架9上、下运动；固定支架10上设有三端口环行器2；三端口环行器2通过电缆4与信号发生器1、波导系统3及小功率计5相连通；小功率计5与数据处理器7相连通，数据处理器7与计算机控制系统8相连通；计算机控制系统8 用于控制机械传动机构6。机械传动机构6由丝杆及电机组成，电机驱动丝杆转动，托架9与丝杆相互配合连接。小功率计5的信号输出端与数据处理器7的信号输入端相连，数据处理器7的信号输出端与计算机控制系统8的信号输入端相连。

三端口环行器2上分别设有端口一21，端口二22，端口三23；所述的端口一21为信号输入端，端口一21与信号发生器1相连；所述的端口二22为输入输出双向端口，端口二22与波导系统3相连；所述的端口三23为输出端口，端口三23与小功率计相连。

信号发生器，提供系统所需的某波段(X波段)固定频率的一定功率电平 (2dBm左右)的微波小信号；

波导系统，微波小信号的传输通道，保证蒸碳后陶瓷杆的每一微小段能够从波导系统中吸收微波功率；

三端口环行器，端口一接信号发生器，端口二作为波导系统的输入口，端口三接收波导系统经过衰减吸收后的反射功率，亦是微波小信号的传输通道；

电缆，微波小信号的传输通道，联接信号发生器、波导系统、三端口环行器小功率计、数据处理器；

小功率计，校正系统和检测三端口环行器3端口的功率；

机械传动机构，使陶瓷杆和波导系统之间产生相对位移；

数据处理器，处理环行器3端口的功率电平和陶瓷杆的轴向位置信息；

计算机控制系统，控制机械传动机构，接收、显示和存储数据处理器的信息；

托架，托住蒸碳后的陶瓷杆；

固定支架，固定波导系统、三端口环行器等。

如图2所示：陶瓷杆蒸碳涂层衰减性能测试设备，波导系统3包括法兰31，信号管腔32，轴套33，全反射面34；信号管腔32的一端布置法兰31，信号管腔32的另一端设有轴套33，相对于信号管腔32另一侧的轴套上设有全反射面 34；信号管腔32内设有信号输入及输出的内腔，信号管腔的内腔贯穿轴套延伸至全反射面内。信号管腔内的内腔从信号输入输出端的内腔直径向轴套方向呈逐渐压缩状；轴套内信号管腔内腔直径与全反射面信号管腔内腔直径相等。

陶瓷杆蒸碳涂层衰减性能测试设备的测试方法，如下：

1.准备工作

1.1操作人员应掌握本工艺操作要求。

1.2仪器满足工艺要求。

1.3来料检查，要求零件表面清洁、无酸迹、无水迹、无脏物、无氧化、无明显变形。

1.4准备好与陶瓷杆尺寸相匹配的输能头，并对输能头表面进行清洁，检查无误后安装波导口。

1.5与陶瓷杆接触的部位，如：波导口、托架等，要保持洁净。

1.6检查测试设备各个接口连接是否正常，确保无松动、脱落等异常。

2.工艺过程

2.1依次打开设备总电源和设备电源。

2.2打开电脑主机，待电脑正常运行后打开衰减分布测试软件。

2.3打开信号发生器、功率计。

2.4调节信号发生器的输出频率，并设定为8.0GHz～12.0GHz；调节信号发生器的功率电平，同时观察功率的数值变化，直至功率计显示为1mW～3mW。

2.5点击软件界面“设置”按钮进行速度设置。

2.6查看校正功率是否为1mW～3mW，若有差别则点击“1mW～3mW”按钮，直至校正功率显示为1mW～3mW。

2.7根据陶瓷杆的实际长度值对需要测试的长度进行设置。

2.8点击“曲线”按钮返回测试界面，选择曲线序号。

2.9点击“清零”按钮，确保衰减累计数值为0。

2.10点击“上到位”按钮，使陶瓷杆托盘上升至顶部位置，再安装好陶瓷杆，确保托盘下降时，陶瓷杆能在波导口内随托盘自由下降。

2.11点击“回零位”按钮，测试界面将呈现测试曲线和衰减量数值。

2.12将所测曲线保存在相应文件夹中。

3.技术要求

3.1陶瓷杆表面清洁，无酸迹、无水迹、无脏物等缺陷。

3.2陶瓷杆不允许变形。

3.3陶瓷杆颜色正常。

4.注意事项

4.1陶瓷杆蒸碳冷却至室温后才能进行衰减性能测试。

4.2陶瓷杆尺寸与波导系统的孔径应相匹配。

如图3所示：利用HFSS仿真软件设计仿真用于测试的矩形波导，波导两端分别连接同轴-波导转换器后接矢量网络分析仪的两端口，测量时陶瓷杆由波导宽边的中心圆孔插入，每次移动1mm，记录网络分析仪上某频点的S₂₁值。最后根据所记录的值绘制出陶瓷杆在单个频点的分布衰减曲线。

目前通过现有的一些测量零部件，决定以三公分的波导系统为主体，充分利用现有的资源和条件，结合行波管生产过程中的实际问题，以该行波管生产所使用的蒸碳后陶瓷杆作为测量对象，利用测量装置，对输入输出陶瓷杆进行每1mm 段衰减量的测量，根据记录S₂₁数据完成分布衰减量曲线的绘制，如图3，测试的重复性很好。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.陶瓷杆蒸碳涂层衰减性能测试设备，其特征在于：包括信号发生器；三端口环行器；波导系统，小功率计；数据处理器，计算机控制系统；固定支架，机械传动机构，托架；待测试件夹持在波导系统内；机械传动机构上设有托架，待测试件垂直于托架且置于托架上，机械传动机构驱动托架上、下运动；所述的固定支架上设有三端口环行器；三端口环行器通过电缆与信号发生器、波导系统及小功率计相连通；小功率计与数据处理器相连通，数据处理器与计算机控制系统相连通；计算机控制系统用于控制机械传动机构。

2.根据权利要求1所述的陶瓷杆蒸碳涂层衰减性能测试设备，其特征在于：所述的三端口环行器上分别设有端口一，端口二，端口三；所述的端口一为信号输入端，端口一与信号发生器相连；所述的端口二为输入输出双向端口，端口二与波导系统相连；所述的端口三为输出端口，端口三与小功率计相连。

3.根据权利要求1所述的陶瓷杆蒸碳涂层衰减性能测试设备，其特征在于：所述的小功率计的信号输出端与数据处理器的信号输入端相连，数据处理器的信号输出端与计算机控制系统的信号输入端相连。

4.根据权利要求1所述的陶瓷杆蒸碳涂层衰减性能测试设备，其特征在于：所述的波导系统包括法兰，信号管腔，轴套，全反射面；所述的信号管腔的一端布置法兰，信号管腔的另一端设有轴套，相对于信号管腔另一侧的轴套上设有全反射面；所述的信号管腔内设有信号输入及输出的内腔，信号管腔的内腔贯穿轴套延伸至全反射面内。

5.根据权利要求4所述的陶瓷杆蒸碳涂层衰减性能测试设备，其特征在于：所述的信号管腔内的内腔从信号输入输出端的内腔直径向轴套方向呈逐渐压缩状；轴套内信号管腔内腔直径与全反射面信号管腔内腔直径相等。

6.陶瓷杆蒸碳涂层衰减性能测试设备的测试方法，其特征在于：测试方法如下：

步骤1、将陶瓷杆的杆体表面蒸碳涂层，将该陶瓷杆作为待测试件；

步骤2、将陶瓷杆夹持在波导系统中的轴套内，陶瓷杆的底端布置托架上；

步骤3、打开信号发生器、功率计；调节信号发生器的输出频率；

步骤4、对功率进行校正；并根据陶瓷杆的实际长度值对设置需要测试的长度；

步骤5、通过计算机控制系统控制机械传动机构，使待测试件沿波导系统从上至下自由下降；小功率计及数据处理器将曲线和衰减量数值反馈至计算机控制系统。

7.根据权利要求6所述的陶瓷杆蒸碳涂层衰减性能测试设备的测试方法，其特征在于：所述的步骤3中调节信号发生器的输出频率，设定为8.0 GHz～12.0GHz。

8.根据权利要求6所述的陶瓷杆蒸碳涂层衰减性能测试设备的测试方法，其特征在于：所述的步骤4中对功率进行校正，调节信号发生器的功率电平，同时观察功率的数值变化，直至功率计显示为1mW～3mW。

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