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某射频TR组件功率模块故障分析及改进

摘   要:某雷达站现为西安电子工程研究所重点批量生产产品,从该产品在分系统调试交验、整机调试交验、用户使用过程中反馈的信息可以看出, T/R组件中的微波功率模块发生故障的可能性较大,给分系统调试交验、整机调试交验以及售后维修等工作造成了很大困难,直接影响到雷达整机工作的稳定性和可靠性,同时也给本单位带来了不小的经济损失。分析了造成 T/R组件微波功率模块损坏的主要原因,提出了降低 T/R组件故障率的相应方法,并固化形成了中国兵器工业集团公司标准 Q/CNG 109 —2017 ,对提高雷达整机可靠性、提升产品质量具有重要意义。

T/R 组件主要用于相控阵雷达微波信号的发射和回波信号的接收。某雷达的 T/R 组件应用先进的微波单片集成电路( MMIC )优化设计,将多个微波功率模块( PHA3135-130M )、低噪声接收电路等组合而成。器件质量的优劣直接影响到雷达整机性能的好坏 。本文探讨的 XXX 雷达 T/R 组件中的微波功率模块,在前几批生产调试及交验使用过程中因多次发生故障,已严重影响到某雷达整机的质量。根据中国兵器工业集团公司质量工作要求,由西安电子工程研究所负责对 T/R 组件中的微波功率模块的故障进行分析,找出了造成该组件失效的主要原因。由中国兵器工业标准化研究所牵头、相关技术人员共同参与,对解决措施进行总结提炼,编制完成了 Q / CNG 109 — 2017 ,有效提高了雷达产品的质量。

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1  故障统计

截止到现在,该雷达已经完成了5套 T/R 组件(每套含88个 T/R 组件、 12个驱动放大器)的调试。其中,使用微波功率模块总计 934 只,失效总数为 52 只。根据统计数据,一开始通电就发生故障的有3只,在调试过程中发生故障的有6只,在60h功率老炼过程中发生故障的有17只,在低温-40℃环境条件下失效的有 19 只,某雷达总站返修发生故障的有7只。具体统计见表1 。

表 1  微波功率模块故障统计表

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 从表 1 可以看出,微波功率模块在 60h 功率老炼和 低 温 摸 底 试 验 中 失 效 最 多,占 总 失 效 率 的69.22% 。要降低微波功率模块的失效率,提高其可靠性,关键是找到微波功率模块在60h功率老炼和低温摸底试验中失效的原因,并找出解决问题的方法。

2  微波功率模块失效原因分析2.1  故障现象失效微波功率模块在调试、高低温试验及可靠性试验过程中均出现输出功率明显下降或者无功率输出的现象。对失效微波功率模块进行直流参数测试,发现失效微波功率模块上的功率管 V ( BR ) CBO形成开路或(和) V ( BR ) EBO 形成通路。进一步对失效微波功率模块进行粗检漏与开盖失效分析,粗检漏发现样品的瓷帽表面出现连续气泡,开盖发现失效内部有大量氟油浸入,表明器件漏气严重,有器件管芯及对应的输出电容均出现严重烧毁,输入网络中部分发射极引线熔断,两级输入匹配电容基本完整,烧毁现象反应单管输出端出现了严重失配。

2.2  失效原因定位根据该微波功率模块在 T/R 组件的使用条件和上述故障现象,分析可能导致故障的原因,在此基础上建立微波功率模块故障树模型(见图1 )。依据建立的故障树模型对7个末端因素进行逐项确认。

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图1微波功率模块故障树模型
2.2.1  使用条件

由于此失效微波功率模块在-40 ℃低温环境进行试验,对此微波功率模块的数据信息进行查看,发现其最低使用温度是-30 ℃ 。由于此微波功率模块是国外供货,设计阶段没有比这个更高环境适应性的器件。所以,对此微波功率模块进行 -40 ℃低温环境试验,从 300 块微波功率模块中抽取 50 块进行试验,试验数据表明,此微波功率模块在-40℃低温环境下可以正常工作。

2.2.2  射频过激励

根据此微波功率模块使用条件可知,频率范围为3.1~3.5GHz ,射频激励功率为20~25W ,激励信号形式为脉冲调制信号,脉冲宽度为80 μ s ,周期为1ms ,正常工作输出功率为130~170 W 。由于供给此微波功率模块的微波信号是由55 W 的功率管进行功率分配而来,经过调试检测可知,其每个端口的输出功率为25~35W ,超出微波功率模块的额定输入功率。微波功率管外围电路图如图2所示。

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图2微波功率管外围电路图
2.2.3  过热

由于此微波功率模块是功率器件,在设计初期进行了此模块的热设计,有效保证了此模块的散热性能,而且此微波功率模块在高温下没有发生失效情况,可以认为微波功率模块及其周围的电路在热设计方面是符合技术要求的。

2.2.4  过电压

对微波功率模块的 36V 电压进行测量,其满足微波功率模块的使用要求。使用示波器对微波功率模块的瞬间加电电压进行检测,由于在电源端使用大的电容对电源进行滤波,没有不符合要求的涌动电压,因此排除过电压的因素。

2.2.5  器件可靠性差

本微波功率模块由该公司的中国总代理直接购货,从源头上保证了该微波功率模块的批质量。但是,以前该微波功率模块由于相应的测试技术条件所限,没有进行入所前检验、筛选,装机的微波功率模块的质量和性能指标不能完全掌握,给固态收发系统乃至整机的性能带来一定的隐患。所以,该微波功率模块本身可靠性差是造成其损坏的一个重要原因。

2.2.6  驻波大

微波功率级联示意图如图3所示。在该微波功率模块调试过程中,由于该电路还很难建立较佳的级间匹配状态,每个模块的输入和输出都存在一定的失配,此微波功率模块可能需要承受超过3∶1的驻波,此时模块烧毁可能主要因为无法承受输出端口驻波超过3∶1的失配状态。每个模块中2个器件的工作状态不可能完全一致,输入端会出现或多或少的不等激励,2 只器件输出端因失配而承受的反射功率也不尽相同,而该微波功率模块只能承受3∶1以下的驻波。所以,此电路的反射驻波大是造成该微波功率模块损坏的一个重要原因。

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图3微波功率级联示意图
2.2.7  电路自激

如果电路自激问题在产品设计时已经引入,则此现象在产品设计定型前应该大批量出现,再加上电路有防止电路自激的应用电路。所以,由本身电路自激而引起的微波功率模块损坏的可能性比较小。

3  微波功率模块故障解决措施3.1  解决措施

由于该雷达产品使用条件较为苛刻,现阶段使用的微波功率模块的温度范围不能达到该产品的使用环境范围。根据微波功率模块的设计原理和使用方法,有如下处理办法:

1 )另外选用合适温度范围内的微波功率模块,使其温度范围与该雷达产品的温度范围相匹配,达到该雷达的环境要求;2 )由于该微波功率模块设计的温度有盈余性,对现使用的微波功率模块进行 -40℃ 低温环境试验,把低温适应性不好的微波功率模块进行淘汰处理,禁止其装机调试,并流入下一环节。根据微波功率模块的质量需求,编制中国兵器工业集团公司标准 Q / CNG 109 —2017 《雷达、通信与火控系统用电子元器件二次筛选技术要求》 ,保障微波功率模块的检验质量,有效提高产品上机质量。

按照要求对此微波功率模块进行严格的全参数测试、环境应力筛选和功率老炼,保证每个微波功率模块达到技术要求,并对失效的微波功率模块进行淘汰处理。

由于微波功率模块的输入功率存在超出其额定功率的要求,形成射频过激励。规范该微波功率模块前端电路的调试细则,对微波功率模块的输入功率进行全频段监控,使其在该微波功率模块的额定输入功率之内,但又要保证其输出功率的正常性。

规范该固态收发系统的电路调试细则,建立较佳的级间匹配状态,把每个模块的输入和输出都存在的失配降到最小,把输入端会出现或多或少的不等激励降到最低,使其电路产生的驻波不超过该微波功率模块的承受范围。

3.2  解决措施实施结果

经过采取上述措施进行改进,通过制定相应的调试细则,该雷达固态收发系统已完成一套 T/R 组件,共计178个微波功率模块的调试,仅一只微波功率模块在刚加电时,出现无功率输出现象,其余在经过常温测试、功率老炼、低温测试、高温测试和振动试验等试验后,均正常工作。上述措施的实施,改进了固态收发系统的调试方法,提高了固态收发系统乃至整机的可靠性,降低了该产品的生产成本。

4  结语

对某批次一套固态收发系统(共计 178 个微波功率模块)进行跟踪试验,均采取了上述解决方法,在固态收发系统与总站的调试交验过程中,均未再次出现该微波功率模块大面积损坏的现象。微波功率模块故障的彻底排除,使固态收发系统的故障率大大降低,很好地保证了固态收发系统及雷达整机的稳定性和可靠性,并大幅度降低了生产成本,具有一定的借鉴意义。

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