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?yán)走_(dá)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(duì)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(jì)、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)等解決措施，實(shí)現(xiàn)了功率放大器的批量生產(chǎn)對(duì)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?yán)走_(dá)的核心部件[1]，數(shù)量成千上萬，其技術(shù)指標(biāo)、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(kuò)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(duì)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?yán)走_(dá)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(dòng)測(cè)試技術(shù)方案，經(jīng)過驗(yàn)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(dá)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(gè)子陣功率放

大器和八個(gè)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(jì)方法，在晶體管輸出端接一個(gè)隔離器防止?fàn)恳^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(jí)放大鏈路，第一級(jí)采用單片放大器，第二、第三級(jí)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(jí)放大器相位變化的主要因素，而后級(jí)功率放大器的輸入阻抗變化反映為前一級(jí)放大器輸出阻抗的變化。因此，級(jí)間采用隔離器改善晶體管的駐波特性，保證在輸入激勵(lì)變化全過程中使輸出功率受輸入激勵(lì)信號(hào)幅度起伏影響減小，更易于保持輸出信號(hào)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(jí)，輸出功率允許一定范圍的波動(dòng)，并且經(jīng)過一分八的串饋功分器，分成八路信號(hào)作為八通道功放的輸入激勵(lì)信號(hào)，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(gè)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(guó)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(jì)[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(cè)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(diǎn)，以驗(yàn)收合格交付為終止節(jié)點(diǎn)，產(chǎn)品經(jīng)過五個(gè)工序和兩個(gè)檢驗(yàn)點(diǎn)，流程中的齊套作為前提保障不計(jì)入實(shí)際生產(chǎn)周期中。八通道功放組件每天(按7h實(shí)際工作時(shí)間計(jì)算)的產(chǎn)能：大面積焊接24個(gè)(共192個(gè)通道)，八通道功放裝配24個(gè)(共192個(gè)通道)，調(diào)試和測(cè)試22個(gè)(共176個(gè)通道)。

某相控陣?yán)走_(dá)裝備用戶需求：批次數(shù)量4 760個(gè)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(duì)于4 760個(gè)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(gè)工作日，八通道功放裝配需要約25個(gè)工作日，調(diào)試和測(cè)試需要約27個(gè)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(jì)生產(chǎn)周期需要60個(gè)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(duì)各個(gè)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(jìn)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(jì)、生產(chǎn)驗(yàn)證、優(yōu)化和固化等多個(gè)階段，逐步形成了各個(gè)工序的高效生產(chǎn)節(jié)拍；然后，對(duì)八通道功率放大器組件批量生產(chǎn)全流程進(jìn)行流水生產(chǎn)節(jié)拍設(shè)計(jì)和生產(chǎn)驗(yàn)證，通過配合工裝設(shè)計(jì)和自動(dòng)測(cè)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(jìn)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(diǎn)設(shè)計(jì)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(gè)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(yàn)，生產(chǎn)節(jié)拍14min，每天按7h實(shí)際工作時(shí)間計(jì)算，日均完成30個(gè)八通道功率放大器大面積焊接，即共240個(gè)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(diǎn)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(shí)，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(gè)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(yàn)，生產(chǎn)節(jié)拍28min，每天按7h實(shí)際工作時(shí)間計(jì)算，日均完成30個(gè)八通道功率放大器裝配，即共240個(gè)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(duì)它們進(jìn)行幅相測(cè)量，以對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量控制。系統(tǒng)形成后，對(duì)其進(jìn)行幅相測(cè)量和調(diào)整，以實(shí)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(cè)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(jìn)行儀器控制。系統(tǒng)需要的測(cè)試儀表設(shè)備有：射頻信號(hào)源、隔離器、激勵(lì)放大器、功率衰減器、直流穩(wěn)壓電源、峰值功率計(jì)、GPIB電纜、專用夾具和測(cè)試計(jì)算機(jī)等，其系統(tǒng)原理框圖見圖4。

圖4　功率幅度測(cè)試系統(tǒng)原理框圖

子陣功率放大器功率幅度測(cè)試時(shí)，斷開與一分八功分器連接電纜，輸入射頻激勵(lì)信號(hào)由射頻信號(hào)源(圖4中A處)提供，經(jīng)隔離器和激勵(lì)放大器后送給被測(cè)件，激勵(lì)放大器和被測(cè)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(jì)探頭(圖4中B處)，測(cè)試計(jì)算機(jī)通過GPIB電纜采集輸出功率數(shù)據(jù)，從而完成測(cè)試。自主開發(fā)的軟件可控制信號(hào)源變換頻率，自動(dòng)完成測(cè)試數(shù)據(jù)采集過程，并可對(duì)功率值進(jìn)行幅度一致性門限對(duì)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(duì)其進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試方法是在各級(jí)輸出匹配電路、輸入匹配電路上指定位置進(jìn)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(shí)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(gè)工位，完成輸出功率及幅度一致性調(diào)試、測(cè)試和數(shù)據(jù)保存，生產(chǎn)節(jié)拍14min，每天按7h實(shí)際工作時(shí)間計(jì)算，可以完成30個(gè)八通道功率放大器子陣功率放大器調(diào)試，即240個(gè)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(cè)試采用與子陣功率放大器一樣的測(cè)試系統(tǒng)，其系統(tǒng)原理框圖見圖4。

八通道功率幅度測(cè)試時(shí)，八個(gè)通道功放依次按子陣測(cè)試工作方式進(jìn)行，八個(gè)通道分別調(diào)試、測(cè)試和數(shù)據(jù)保存，其幅度一致性不滿足批生產(chǎn)要求時(shí)需要對(duì)其進(jìn)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(jì)指標(biāo)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(gè)獨(dú)立工位，完成輸出功率及幅度一致性調(diào)試、測(cè)試和數(shù)據(jù)保存，生產(chǎn)節(jié)拍70min，每天按7h實(shí)際工作時(shí)間計(jì)算，每個(gè)工位完成六個(gè)八通道功放組件，五個(gè)工位合計(jì)日完成30個(gè)八通道功率放大器功率幅度調(diào)試，即共240個(gè)通道。

2.5八通道功率放大器相位調(diào)試和測(cè)試

相位調(diào)試和測(cè)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(cè)試，相位調(diào)試和測(cè)試系統(tǒng)基于通用接口總線GPIB、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、自動(dòng)控制和測(cè)試軟件進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)集成[8]。系統(tǒng)需要的測(cè)試儀表設(shè)備有：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、隔離器、激勵(lì)放大器、功率衰減器、直流穩(wěn)壓電源、GPIB電纜、專用夾具和測(cè)試計(jì)算機(jī)等，系統(tǒng)原理框圖見圖5。

圖5　功放組件相位調(diào)試測(cè)試系統(tǒng)框圖

相位調(diào)試和測(cè)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(cè)試由自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)完成，測(cè)試計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)采集，自主開發(fā)的軟件可對(duì)相位值進(jìn)行相位一致性門限對(duì)比，提供超標(biāo)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(duì)其進(jìn)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(cè)試工序設(shè)置一個(gè)工位，完成輸出相位及相位一致性調(diào)試、測(cè)試和數(shù)據(jù)保存，生產(chǎn)節(jié)拍14min，每天按7h實(shí)際工作時(shí)間計(jì)算，可以完成30個(gè)八通道功率放大器相位調(diào)試和測(cè)試，即共240個(gè)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(gè)功放組件(即240個(gè)通道)為節(jié)拍，各工序間按每天的產(chǎn)能進(jìn)行流水生產(chǎn)，工序間預(yù)留1d，第三天開始出30個(gè)功放組件(即240個(gè)通道)的成品，23d后完成4 760個(gè)通道的合格產(chǎn)品。

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

圖6　功率放大器4 760個(gè)通道的幅相測(cè)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?yán)走_(dá)T/R組件所需八通道功率放大器多個(gè)批次的批量生產(chǎn)，每套裝備指標(biāo)均滿足批量生產(chǎn)要求，實(shí)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(biāo)要求。

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薛羽男，1960年生，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)門/R組件批生產(chǎn)。

李偉男，1983年生，工程師。研究方向?yàn)門/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