八通道功率放大器批量生產(chǎn)幅相一致性研究

薛　羽，李　偉

(南京電子技術(shù)研究所,　南京 210039)

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八通道功率放大器批量生產(chǎn)幅相一致性研究

薛羽，李偉

(南京電子技術(shù)研究所,南京 210039)

在有源相控陣天饋系統(tǒng)中T/R組件是最關(guān)鍵的部件。在T/R組件中功率組件是關(guān)鍵組件之一，正在朝多通道綜合一體化方向發(fā)展。相控陣雷達往往需要成千上萬的T/R組件，所以多通道功率放大器的幅相一致性對批量生產(chǎn)提出了高要求。文中分析了S波段八通道功率放大器組件影響幅相一致性的因素，根據(jù)批量生產(chǎn)的工藝流程開發(fā)了流水作業(yè)、優(yōu)化的工裝設(shè)計、自動測試系統(tǒng)等解決措施，實現(xiàn)了功率放大器的批量生產(chǎn)對幅相一致性的要求。

功率放大器組件；幅相一致性；生產(chǎn)周期；批量生產(chǎn)技術(shù)

0　引　言

T/R組件是有源相控陣雷達的核心部件[1]，數(shù)量成千上萬，其技術(shù)指標、結(jié)構(gòu)工藝、可靠性及成本直接關(guān)系到系統(tǒng)的成敗[2]。固態(tài)功率放大器組件是T/R組件中的關(guān)鍵組件之一，功率組件之間幅度、相位跟蹤的偏移，即幅相一致性直接影響T/R組件的性能。隨著用戶需求的擴大和裝備生產(chǎn)周期的縮短，功率放大器組件的可批量生產(chǎn)性成為了關(guān)鍵技術(shù)?？紤]到維修互換性，為了得到良好的幅相一致性，功率放大器組件的批量生產(chǎn)對生產(chǎn)工藝和電性能一致性提出了更高要求。本文根據(jù)某相控陣雷達T/R組件中的S波段八通道功率放大器組件的批量生產(chǎn)要求，分析了批量生產(chǎn)影響幅相一致性的因素，提出了合理的批生產(chǎn)流程、流水組裝工藝、幅相調(diào)試、自動測試技術(shù)方案，經(jīng)過驗證、優(yōu)化和固化生產(chǎn)工藝，有效地解決了功率放大器組件幅相一致性，保證了T/R組件和雷達裝備批生產(chǎn)的交付周期。

1　八通道功率放大器組件

1.1功率放大器的組成框圖

S波段八通道功率放大器組件由一個子陣功率放

大器和八個主通道功率放大器組成。子陣功放和八通道功放之間采用了功率分配和匹配電路設(shè)計方法，在晶體管輸出端接一個隔離器防止牽引過大引起的失配[3]。子陣功率放大器鏈路組成框圖見圖1，單通道功率放大器鏈路框圖組成見圖2。

圖1　子陣功率放大器的組成框圖

1.2功率放大器的工作原理

本S波段八通道功率放大器組件中子陣功率放大

器采用三級放大鏈路，第一級采用單片放大器，第二、第三級采用微波功率晶體管放大器。晶體管放大器的輸入、輸出匹配電路采用電抗性轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)，把晶體管低輸入阻抗變換到50Ω的源阻抗，保證了放大器功率增益的平坦性。放大器輸出阻抗的變化是導(dǎo)致單級放大器相位變化的主要因素，而后級功率放大器的輸入阻抗變化反映為前一級放大器輸出阻抗的變化。因此，級間采用隔離器改善晶體管的駐波特性，保證在輸入激勵變化全過程中使輸出功率受輸入激勵信號幅度起伏影響減小，更易于保持輸出信號的幅相一致性。

子陣功率放大器采用脈沖工作方式，輸入功率為mW量級，輸出功率允許一定范圍的波動，并且經(jīng)過一分八的串饋功分器，分成八路信號作為八通道功放的輸入激勵信號，單通道功放中采用與子陣功放一樣的功率管、結(jié)構(gòu)形式和工作方式，八通道功放輸出分八個端口。

本文中微波脈沖功率晶體管采用結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)穩(wěn)定的國產(chǎn)NPN型雙極晶體管，輸入、輸出匹配電路采用高介電系數(shù)印制板優(yōu)化設(shè)計[4]。

1.3批量生產(chǎn)要求

八通道功率放大器組件的批量生產(chǎn)是從元器件、零部件、外殼到組件的加工集成過程，涉及了零部件裝配、元器件電裝、接插件裝配、走線、微波性能調(diào)試、測試等多道生產(chǎn)工序。八通道功率放大器組件批生產(chǎn)流程框圖見圖3。

圖3　八通道功率放大器組件批生產(chǎn)流程框圖

該流程以齊套完成轉(zhuǎn)大面積焊接為開始節(jié)點，以驗收合格交付為終止節(jié)點，產(chǎn)品經(jīng)過五個工序和兩個檢驗點，流程中的齊套作為前提保障不計入實際生產(chǎn)周期中。八通道功放組件每天(按7h實際工作時間計算)的產(chǎn)能：大面積焊接24個(共192個通道)，八通道功放裝配24個(共192個通道)，調(diào)試和測試22個(共176個通道)。

某相控陣雷達裝備用戶需求：批次數(shù)量4 760個通道，幅度一致性不超過±1.2dB，相位一致性不超過±45°，周期24d。對于4 760個通道的功放組件按常規(guī)的生產(chǎn)方式，大面積焊接需要約25個工作日，八通道功放裝配需要約25個工作日，調(diào)試和測試需要約27個工作日，加上上道工序完工以后小批次轉(zhuǎn)下道工序的串行生產(chǎn)模式，預(yù)計生產(chǎn)周期需要60個工作日。因此，需要研究新的生產(chǎn)模式以滿足用戶需求。

2　批量生產(chǎn)技術(shù)研究

為了提高本S波段八通道功放組件產(chǎn)能，首先對各個生產(chǎn)工序的固有生產(chǎn)方式影響功放組件幅相一致性的因素進行分析，并提出了關(guān)鍵因素的控制方法，經(jīng)過流水生產(chǎn)初步設(shè)計、生產(chǎn)驗證、優(yōu)化和固化等多個階段，逐步形成了各個工序的高效生產(chǎn)節(jié)拍；然后，對八通道功率放大器組件批量生產(chǎn)全流程進行流水生產(chǎn)節(jié)拍設(shè)計和生產(chǎn)驗證，通過配合工裝設(shè)計和自動測試系統(tǒng)的研發(fā)，固化了批量生產(chǎn)技術(shù)狀態(tài)和工序過程改進成效，形成了以下生產(chǎn)規(guī)范。

2.1大面積焊接

大面積焊接主要完成功率管輸入、輸出匹配電路片與底板(即組件外殼)的焊接，其焊接位置一致性和焊透率是影響幅相一致性的關(guān)鍵因素。為保證輸入、輸出匹配電路片大面積焊接可靠性和一致性，根據(jù)電路片特點設(shè)計制造了專用的焊接夾具，保證焊接一致性的調(diào)試，保證焊透率>80%，滿足了批量生產(chǎn)的要求。

大面積焊接工序設(shè)置八個流水工位，分別完成阻焊、涂膠、焊膏印刷、貼裝、再流焊、清洗、修整、檢驗，生產(chǎn)節(jié)拍14min，每天按7h實際工作時間計算，日均完成30個八通道功率放大器大面積焊接，即共240個通道。

2.2八通道功放裝配

八通道功放裝配是在大面積焊接轉(zhuǎn)來的外殼內(nèi)完成所有元器件、接插件、功率管的裝配，并完成走線及焊接。該道工序不同的裝配人員和元器件是影響幅相一致性的關(guān)鍵因素。為保證八通道功放組件的裝配質(zhì)量，根據(jù)組件的特點拆分了該道裝配工序，形成流水生產(chǎn)方式及同一整件和元器件由同一人員裝配，裝配影響因素大大降低，同時，保證元器件的同批次性。因此，滿足了批量生產(chǎn)的要求。

八通道功率放大器裝配工序設(shè)置16個工位，分成兩條八工位流水裝配線，分別完成模塊裝配I、模塊焊接I、模塊裝配II、模塊焊接II、元器件裝配、元器件焊接、布線焊接、其他與檢驗，生產(chǎn)節(jié)拍28min，每天按7h實際工作時間計算，日均完成30個八通道功率放大器裝配，即共240個通道。

2.3子陣功率放大器調(diào)試

要控制幅相誤差，首先必須了解功放的幅頻和相頻特性，并對它們進行幅相測量，以對其進行質(zhì)量控制。系統(tǒng)形成后，對其進行幅相測量和調(diào)整，以實現(xiàn)所需的幅相要求[5-6]。

子陣功率調(diào)試是在八通道功放裝配轉(zhuǎn)來的組件上完成子陣功率放大器的功率幅度調(diào)試，子陣功率放大器功率幅度測試系統(tǒng)采用通用接口總線GPIB以積木方式組建[7]，系統(tǒng)軟件采用MicrosoftVisualC++ .NET作為開發(fā)工具，結(jié)合MeasurementStudiofor.NET進行儀器控制。系統(tǒng)需要的測試儀表設(shè)備有：射頻信號源、隔離器、激勵放大器、功率衰減器、直流穩(wěn)壓電源、峰值功率計、GPIB電纜、專用夾具和測試計算機等，其系統(tǒng)原理框圖見圖4。

圖4　功率幅度測試系統(tǒng)原理框圖

子陣功率放大器功率幅度測試時，斷開與一分八功分器連接電纜，輸入射頻激勵信號由射頻信號源(圖4中A處)提供，經(jīng)隔離器和激勵放大器后送給被測件，激勵放大器和被測件供電由直流穩(wěn)壓電源提供，子陣功率放大器輸出功率經(jīng)衰減器衰減后輸入功率計探頭(圖4中B處)，測試計算機通過GPIB電纜采集輸出功率數(shù)據(jù)，從而完成測試。自主開發(fā)的軟件可控制信號源變換頻率，自動完成測試數(shù)據(jù)采集過程，并可對功率值進行幅度一致性門限對比，提供不滿足提示。

當(dāng)功率放大器輸出功率幅度不滿足批量生產(chǎn)的要求就要對其進行調(diào)試。調(diào)試方法是在各級輸出匹配電路、輸入匹配電路上指定位置進行，用增減法使放大器的輸出功率改變大小，直至輸出功率滿足要求，此時放大器輸出功率值滿足幅度一致性要求。

子陣功率放大器調(diào)試工序設(shè)置1個工位，完成輸出功率及幅度一致性調(diào)試、測試和數(shù)據(jù)保存，生產(chǎn)節(jié)拍14min，每天按7h實際工作時間計算，可以完成30個八通道功率放大器子陣功率放大器調(diào)試，即240個通道/d。

2.4八通道功率放大器功率幅度調(diào)試

八通道功率調(diào)試是在子陣調(diào)試完成后轉(zhuǎn)來的組件上完成八通道功率放大器的功率幅度調(diào)試，八通道功率放大器測試采用與子陣功率放大器一樣的測試系統(tǒng)，其系統(tǒng)原理框圖見圖4。

八通道功率幅度測試時，八個通道功放依次按子陣測試工作方式進行，八個通道分別調(diào)試、測試和數(shù)據(jù)保存，其幅度一致性不滿足批生產(chǎn)要求時需要對其進行調(diào)試，調(diào)試方法與子陣功率調(diào)試相同。當(dāng)所有通道放大器經(jīng)調(diào)試后其輸出功率均滿足設(shè)計指標要求，功放組件批量生產(chǎn)將滿足幅度一致性要求。

八通道功率幅度調(diào)試工序設(shè)置五個獨立工位，完成輸出功率及幅度一致性調(diào)試、測試和數(shù)據(jù)保存，生產(chǎn)節(jié)拍70min，每天按7h實際工作時間計算，每個工位完成六個八通道功放組件，五個工位合計日完成30個八通道功率放大器功率幅度調(diào)試，即共240個通道。

2.5八通道功率放大器相位調(diào)試和測試

相位調(diào)試和測試是在八通道功率調(diào)試完成后轉(zhuǎn)來的組件上完成相位調(diào)試和測試，相位調(diào)試和測試系統(tǒng)基于通用接口總線GPIB、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、自動控制和測試軟件進行自動測試系統(tǒng)集成[8]。系統(tǒng)需要的測試儀表設(shè)備有：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、隔離器、激勵放大器、功率衰減器、直流穩(wěn)壓電源、GPIB電纜、專用夾具和測試計算機等，系統(tǒng)原理框圖見圖5。

圖5　功放組件相位調(diào)試測試系統(tǒng)框圖

相位調(diào)試和測試前由專人完成子陣與八通道功放之間的連接和檢查。相位測試由自動測試系統(tǒng)完成，測試計算機完成數(shù)據(jù)采集，自主開發(fā)的軟件可對相位值進行相位一致性門限對比，提供超標提示。當(dāng)功率放大器輸出功率相位不滿足批量生產(chǎn)的要求就要對其進行調(diào)試。調(diào)試方法是更換配相電纜(子陣一分八功分器輸出與八通道之間有八根相位值可選的連接電纜)完成。因此，可以滿足所有通道相位一致性要求。

相位調(diào)試和測試工序設(shè)置一個工位，完成輸出相位及相位一致性調(diào)試、測試和數(shù)據(jù)保存，生產(chǎn)節(jié)拍14min，每天按7h實際工作時間計算，可以完成30個八通道功率放大器相位調(diào)試和測試，即共240個通道。

2.6批量生產(chǎn)全流程

八通道功率放大器組件批量生產(chǎn)全流程：以大面積焊接第一天生產(chǎn)的30個功放組件(即240個通道)為節(jié)拍，各工序間按每天的產(chǎn)能進行流水生產(chǎn)，工序間預(yù)留1d，第三天開始出30個功放組件(即240個通道)的成品，23d后完成4 760個通道的合格產(chǎn)品。

圖6為某批次4 760個通道的功率放大器輸出功率和相位在某個工作頻率點的測試數(shù)據(jù)，可以看出幅相一致性均優(yōu)于指標要求。

圖6　功率放大器4 760個通道的幅相測試數(shù)據(jù)

3　結(jié)束語

本文研究的成果目前已經(jīng)用于某相控陣雷達T/R組件所需八通道功率放大器多個批次的批量生產(chǎn)，每套裝備指標均滿足批量生產(chǎn)要求，實際完成周期為23d，滿足了用戶需求，且幅相一致性優(yōu)于指標要求。

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薛羽男，1960年生，高級工程師。研究方向為T/R組件批生產(chǎn)。

李偉男，1983年生，工程師。研究方向為T/R組件調(diào)試。

AStudyonAmplitude-phaseConsistencyof8-channelPowerAmplifierModulesinBatchProduction

XUEYu，LIWei

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

T/Rmoduleisthemostimportantpartofactivephasedarrayantennaandfeedsystem.ActingasakeycomponentinT/Rmodule,poweramplifiermoduleisnowdevelopingtothedirectionofmulti-channelintegration.ActivephasedarrayradarismadeupofuptoseveralthousandT/Rmodules.Thusamplitude-phaseconsistencyofmulti-channelpoweramplifiermodulesdemandsmuchhigherqualityrequirementsinbatchproduction.Influencingfactorsofamplitude-phaseconsistencyofS-band8-channelpoweramplifiermodulesareanalyzedinthispaper.Accordingtobatchproductionprocessofpoweramplifiermodule,severalsolvingmeasuresincludingflowproduction,optimizedfixtureandautomationtestsystemareappliedtoensurehighamplitude-phaseconsistency.

poweramplifiermodule；amplitude-phaseconsistency；productioncycle；batchproductiontechnology

薛羽Email：xueyuxuwei@163.com

2016-01-16

2016-03-18

TN957.51

A

1004-7859(2016)06-0067-04

·收/發(fā)技術(shù)·DOI：10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.06.016