相控陣?yán)走_(dá)射頻TR組件功率模塊故障分析及改進(jìn)策略

摘 要：產(chǎn)品，從該產(chǎn)品在分系統(tǒng)調(diào)試交驗(yàn)、整機(jī)調(diào)試交驗(yàn)、用戶使用過程中反饋的信息可以看出， T／R組件中的微波功率模塊發(fā)生故障的可能性較大，給分系統(tǒng)調(diào)試交驗(yàn)、整機(jī)調(diào)試交驗(yàn)以及售后維修等工作造成了很大困難，直接影響到雷達(dá)整機(jī)工作的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)也給本單位帶來了不小的經(jīng)濟(jì)損失。分析了造成 T／R組件微波功率模塊損壞的主要原因，提出了降低 T／R組件故障率的相應(yīng)方法，并固化形成了中國兵器工業(yè)集團(tuán)公司標(biāo)準(zhǔn) Ｑ／ＣＮＧ １０９ —２０１７ ，對(duì)提高雷達(dá)整機(jī)可靠性、提升產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。? ? ??

T／R?組件主要用于相控陣?yán)走_(dá)微波信號(hào)的發(fā)射和回波信號(hào)的接收。某雷達(dá)的?T／R?組件應(yīng)用先進(jìn)的微波單片集成電路（ ＭＭＩＣ ）優(yōu)化設(shè)計(jì)，將多個(gè)微波功率模塊（ ＰＨＡ３１３５－１３０Ｍ ）、低噪聲接收電路等組合而成。器件質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到雷達(dá)整機(jī)性能的好壞 。本文探討的 ＸＸＸ 雷達(dá)?T／R?組件中的微波功率模塊，在前幾批生產(chǎn)調(diào)試及交驗(yàn)使用過程中因多次發(fā)生故障，已嚴(yán)重影響到某雷達(dá)整機(jī)的質(zhì)量。根據(jù)中國兵器工業(yè)集團(tuán)公司質(zhì)量工作要求，由西安電子工程研究所負(fù)責(zé)對(duì)?T／R?組件中的微波功率模塊的故障進(jìn)行分析，找出了造成該組件失效的主要原因。由中國兵器工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所牽頭、相關(guān)技術(shù)人員共同參與，對(duì)解決措施進(jìn)行總結(jié)提煉，編制完成了 Ｑ ／ ＣＮＧ?。保埃?— ２０１７ ，有效提高了雷達(dá)產(chǎn)品的質(zhì)量。

１　 故障統(tǒng)計(jì)

截止到現(xiàn)在，該雷達(dá)已經(jīng)完成了５套?T／R?組件（每套含８８?jìng)€(gè)?T／R?組件、 １２個(gè)驅(qū)動(dòng)放大器）的調(diào)試。其中，使用微波功率模塊總計(jì) ９３４ 只，失效總數(shù)為 ５２ 只。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，一開始通電就發(fā)生故障的有３只，在調(diào)試過程中發(fā)生故障的有６只，在６０ｈ功率老煉過程中發(fā)生故障的有１７只，在低溫－４０℃環(huán)境條件下失效的有 １９ 只，某雷達(dá)總站返修發(fā)生故障的有７只。具體統(tǒng)計(jì)見表１ 。

表 １　 微波功率模塊故障統(tǒng)計(jì)表

從表 １ 可以看出，微波功率模塊在 ６０ｈ 功率老煉和 低 溫 摸 底 試 驗(yàn) 中 失 效 最 多，占 總 失 效 率 的６９．２２％ 。要降低微波功率模塊的失效率，提高其可靠性，關(guān)鍵是找到微波功率模塊在６０ｈ功率老煉和低溫摸底試驗(yàn)中失效的原因，并找出解決問題的方法。

２　 微波功率模塊失效原因分析２．１　 故障現(xiàn)象失效微波功率模塊在調(diào)試、高低溫試驗(yàn)及可靠性試驗(yàn)過程中均出現(xiàn)輸出功率明顯下降或者無功率輸出的現(xiàn)象。對(duì)失效微波功率模塊進(jìn)行直流參數(shù)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)失效微波功率模塊上的功率管 Ｖ （ ＢＲ ） ＣＢＯ形成開路或（和） Ｖ （ ＢＲ ） ＥＢＯ 形成通路。進(jìn)一步對(duì)失效微波功率模塊進(jìn)行粗檢漏與開蓋失效分析，粗檢漏發(fā)現(xiàn)樣品的瓷帽表面出現(xiàn)連續(xù)氣泡，開蓋發(fā)現(xiàn)失效內(nèi)部有大量氟油浸入，表明器件漏氣嚴(yán)重，有器件管芯及對(duì)應(yīng)的輸出電容均出現(xiàn)嚴(yán)重?zé)龤?，輸?a target="_blank">網(wǎng)絡(luò)中部分發(fā)射極引線熔斷，兩級(jí)輸入匹配電容基本完整，燒毀現(xiàn)象反應(yīng)單管輸出端出現(xiàn)了嚴(yán)重失配。 ?２．２　 失效原因定位根據(jù)該微波功率模塊在?T／R?組件的使用條件和上述故障現(xiàn)象，分析可能導(dǎo)致故障的原因，在此基礎(chǔ)上建立微波功率模塊故障樹模型（見圖１ ）。依據(jù)建立的故障樹模型對(duì)７個(gè)末端因素進(jìn)行逐項(xiàng)確認(rèn)。

圖１微波功率模塊故障樹模型 ?２．２．１　 使用條件

由于此失效微波功率模塊在－４０ ℃低溫環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)此微波功率模塊的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行查看，發(fā)現(xiàn)其最低使用溫度是－３０ ℃ 。由于此微波功率模塊是國外供貨，設(shè)計(jì)階段沒有比這個(gè)更高環(huán)境適應(yīng)性的器件。所以，對(duì)此微波功率模塊進(jìn)行 －４０ ℃低溫環(huán)境試驗(yàn)，從 ３００ 塊微波功率模塊中抽取 ５０ 塊進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，此微波功率模塊在－４０℃低溫環(huán)境下可以正常工作。

２．２．２　 射頻過激勵(lì)

根據(jù)此微波功率模塊使用條件可知，頻率范圍為３．１～３．５ＧＨｚ ，射頻激勵(lì)功率為２０～２５Ｗ ，激勵(lì)信號(hào)形式為脈沖調(diào)制信號(hào)，脈沖寬度為８０ μ ｓ ，周期為１ｍｓ ，正常工作輸出功率為１３０～１７０ Ｗ 。由于供給此微波功率模塊的微波信號(hào)是由５５ Ｗ 的功率管進(jìn)行功率分配而來，經(jīng)過調(diào)試檢測(cè)可知，其每個(gè)端口的輸出功率為２５～３５Ｗ ，超出微波功率模塊的額定輸入功率。微波功率管外圍電路圖如圖２所示。

圖２微波功率管外圍電路圖 ?２．２．３　 過熱

由于此微波功率模塊是功率器件，在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行了此模塊的熱設(shè)計(jì)，有效保證了此模塊的散熱性能，而且此微波功率模塊在高溫下沒有發(fā)生失效情況，可以認(rèn)為微波功率模塊及其周圍的電路在熱設(shè)計(jì)方面是符合技術(shù)要求的。

２．２．４　 過電壓

對(duì)微波功率模塊的 ３６Ｖ 電壓進(jìn)行測(cè)量，其滿足微波功率模塊的使用要求。使用示波器對(duì)微波功率模塊的瞬間加電電壓進(jìn)行檢測(cè)，由于在電源端使用大的電容對(duì)電源進(jìn)行濾波，沒有不符合要求的涌動(dòng)電壓，因此排除過電壓的因素。

２．２．５　 器件可靠性差

本微波功率模塊由該公司的中國總代理直接購貨，從源頭上保證了該微波功率模塊的批質(zhì)量。但是，以前該微波功率模塊由于相應(yīng)的測(cè)試技術(shù)條件所限，沒有進(jìn)行入所前檢驗(yàn)、篩選，裝機(jī)的微波功率模塊的質(zhì)量和性能指標(biāo)不能完全掌握，給固態(tài)收發(fā)系統(tǒng)乃至整機(jī)的性能帶來一定的隱患。所以，該微波功率模塊本身可靠性差是造成其損壞的一個(gè)重要原因。

２．２．６　 駐波大

微波功率級(jí)聯(lián)示意圖如圖３所示。在該微波功率模塊調(diào)試過程中，由于該電路還很難建立較佳的級(jí)間匹配狀態(tài)，每個(gè)模塊的輸入和輸出都存在一定的失配，此微波功率模塊可能需要承受超過３∶１的駐波，此時(shí)模塊燒毀可能主要因?yàn)闊o法承受輸出端口駐波超過３∶１的失配狀態(tài)。每個(gè)模塊中２個(gè)器件的工作狀態(tài)不可能完全一致，輸入端會(huì)出現(xiàn)或多或少的不等激勵(lì)，２ 只器件輸出端因失配而承受的反射功率也不盡相同，而該微波功率模塊只能承受３∶１以下的駐波。所以，此電路的反射駐波大是造成該微波功率模塊損壞的一個(gè)重要原因。

圖３微波功率級(jí)聯(lián)示意圖 ?２．２．７　 電路自激

如果電路自激問題在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)引入，則此現(xiàn)象在產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型前應(yīng)該大批量出現(xiàn)，再加上電路有防止電路自激的應(yīng)用電路。所以，由本身電路自激而引起的微波功率模塊損壞的可能性比較小。

３　 微波功率模塊故障解決措施３．１　 解決措施

由于該雷達(dá)產(chǎn)品使用條件較為苛刻，現(xiàn)階段使用的微波功率模塊的溫度范圍不能達(dá)到該產(chǎn)品的使用環(huán)境范圍。根據(jù)微波功率模塊的設(shè)計(jì)原理和使用方法，有如下處理辦法：

１ ）另外選用合適溫度范圍內(nèi)的微波功率模塊，使其溫度范圍與該雷達(dá)產(chǎn)品的溫度范圍相匹配，達(dá)到該雷達(dá)的環(huán)境要求；２ ）由于該微波功率模塊設(shè)計(jì)的溫度有盈余性，對(duì)現(xiàn)使用的微波功率模塊進(jìn)行 －４０℃ 低溫環(huán)境試驗(yàn)，把低溫適應(yīng)性不好的微波功率模塊進(jìn)行淘汰處理，禁止其裝機(jī)調(diào)試，并流入下一環(huán)節(jié)。根據(jù)微波功率模塊的質(zhì)量需求，編制中國兵器工業(yè)集團(tuán)公司標(biāo)準(zhǔn) Ｑ ／ ＣＮＧ?。保埃?—２０１７ 《雷達(dá)、通信與火控系統(tǒng)用電子元器件二次篩選技術(shù)要求》?，保障微波功率模塊的檢驗(yàn)質(zhì)量，有效提高產(chǎn)品上機(jī)質(zhì)量。

按照要求對(duì)此微波功率模塊進(jìn)行嚴(yán)格的全參數(shù)測(cè)試、環(huán)境應(yīng)力篩選和功率老煉，保證每個(gè)微波功率模塊達(dá)到技術(shù)要求，并對(duì)失效的微波功率模塊進(jìn)行淘汰處理。

由于微波功率模塊的輸入功率存在超出其額定功率的要求，形成射頻過激勵(lì)。規(guī)范該微波功率模塊前端電路的調(diào)試細(xì)則，對(duì)微波功率模塊的輸入功率進(jìn)行全頻段監(jiān)控，使其在該微波功率模塊的額定輸入功率之內(nèi)，但又要保證其輸出功率的正常性。

規(guī)范該固態(tài)收發(fā)系統(tǒng)的電路調(diào)試細(xì)則，建立較佳的級(jí)間匹配狀態(tài)，把每個(gè)模塊的輸入和輸出都存在的失配降到最小，把輸入端會(huì)出現(xiàn)或多或少的不等激勵(lì)降到最低，使其電路產(chǎn)生的駐波不超過該微波功率模塊的承受范圍。

３．２　 解決措施實(shí)施結(jié)果

經(jīng)過采取上述措施進(jìn)行改進(jìn)，通過制定相應(yīng)的調(diào)試細(xì)則，該雷達(dá)固態(tài)收發(fā)系統(tǒng)已完成一套?T／R?組件，共計(jì)１７８?jìng)€(gè)微波功率模塊的調(diào)試，僅一只微波功率模塊在剛加電時(shí)，出現(xiàn)無功率輸出現(xiàn)象，其余在經(jīng)過常溫測(cè)試、功率老煉、低溫測(cè)試、高溫測(cè)試和振動(dòng)試驗(yàn)等試驗(yàn)后，均正常工作。上述措施的實(shí)施，改進(jìn)了固態(tài)收發(fā)系統(tǒng)的調(diào)試方法，提高了固態(tài)收發(fā)系統(tǒng)乃至整機(jī)的可靠性，降低了該產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。

４　 結(jié)語

對(duì)某批次一套固態(tài)收發(fā)系統(tǒng)（共計(jì) １７８ 個(gè)微波功率模塊）進(jìn)行跟蹤試驗(yàn)，均采取了上述解決方法，在固態(tài)收發(fā)系統(tǒng)與總站的調(diào)試交驗(yàn)過程中，均未再次出現(xiàn)該微波功率模塊大面積損壞的現(xiàn)象。微波功率模塊故障的徹底排除，使固態(tài)收發(fā)系統(tǒng)的故障率大大降低，很好地保證了固態(tài)收發(fā)系統(tǒng)及雷達(dá)整機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性，并大幅度降低了生產(chǎn)成本，具有一定的借鑒意義。（參考文獻(xiàn)略）

特別鳴謝 作者：馮歡歡? ，惠好鵬 ，汪蓓? ，付耀龍?