八通道功率放大器批量生產幅相一致性研究

薛　羽，李　偉

(南京電子技術研究所,　南京 210039)

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八通道功率放大器批量生產幅相一致性研究

薛羽，李偉

(南京電子技術研究所,南京 210039)

在有源相控陣天饋系統中T/R組件是最關鍵的部件。在T/R組件中功率組件是關鍵組件之一，正在朝多通道綜合一體化方向發展。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，根據批量生產的工藝流程開發了流水作業、優化的工裝設計、自動測試系統等解決措施，實現了功率放大器的批量生產對幅相一致性的要求。

功率放大器組件；幅相一致性；生產周期；批量生產技術

0　引　言

T/R組件是有源相控陣雷達的核心部件[1]，數量成千上萬，其技術指標、結構工藝、可靠性及成本直接關系到系統的成敗[2]。固態功率放大器組件是T/R組件中的關鍵組件之一，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周期的縮短，功率放大器組件的可批量生產性成為了關鍵技術。考慮到維修互換性，為了得到良好的幅相一致性，功率放大器組件的批量生產對生產工藝和電性能一致性提出了更高要求。本文根據某相控陣雷達T/R組件中的S波段八通道功率放大器組件的批量生產要求，分析了批量生產影響幅相一致性的因素，提出了合理的批生產流程、流水組裝工藝、幅相調試、自動測試技術方案，經過驗證、優化和固化生產工藝，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換網絡，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、結構形式和工作方式，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構參數和工藝參數穩定的國產NPN型雙極晶體管，輸入、輸出匹配電路采用高介電系數印制板優化設計[4]。

1.3批量生產要求

八通道功率放大器組件的批量生產是從元器件、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、微波性能調試、測試等多道生產工序。八通道功率放大器組件批生產流程框圖見圖3。

圖3　八通道功率放大器組件批生產流程框圖

該流程以齊套完成轉大面積焊接為開始節點，以驗收合格交付為終止節點，產品經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周期中。八通道功放組件每天(按7h實際工作時間計算)的產能：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的生產方式，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下道工序的串行生產模式，預計生產周期需要60個工作日。因此，需要研究新的生產模式以滿足用戶需求。

2　批量生產技術研究

為了提高本S波段八通道功放組件產能，首先對各個生產工序的固有生產方式影響功放組件幅相一致性的因素進行分析，并提出了關鍵因素的控制方法，經過流水生產初步設計、生產驗證、優化和固化等多個階段，逐步形成了各個工序的高效生產節拍；然后，對八通道功率放大器組件批量生產全流程進行流水生產節拍設計和生產驗證，通過配合工裝設計和自動測試系統的研發，固化了批量生產技術狀態和工序過程改進成效，形成了以下生產規范。

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，根據電路片特點設計制造了專用的焊接夾具，保證焊接一致性的調試，保證焊透率>80%，滿足了批量生產的要求。

大面積焊接工序設置八個流水工位，分別完成阻焊、涂膠、焊膏印刷、貼裝、再流焊、清洗、修整、檢驗，生產節拍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來的外殼內完成所有元器件、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鍵因素。為保證八通道功放組件的裝配質量，根據組件的特點拆分了該道裝配工序，形成流水生產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，滿足了批量生產的要求。

八通道功率放大器裝配工序設置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，生產節拍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，以對其進行質量控制。系統形成后，對其進行幅相測量和調整，以實現所需的幅相要求[5-6]。

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

圖4　功率幅度測試系統原理框圖

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壓電源提供，子陣功率放大器輸出功率經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據，從而完成測試。自主開發的軟件可控制信號源變換頻率，自動完成測試數據采集過程，并可對功率值進行幅度一致性門限對比，提供不滿足提示。

當功率放大器輸出功率幅度不滿足批量生產的要求就要對其進行調試。調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。

子陣功率放大器調試工序設置1個工位，完成輸出功率及幅度一致性調試、測試和數據保存，生產節拍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試，即240個通道/d。

2.4八通道功率放大器功率幅度調試

八通道功率調試是在子陣調試完成后轉來的組件上完成八通道功率放大器的功率幅度調試，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，其系統原理框圖見圖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，八個通道分別調試、測試和數據保存，其幅度一致性不滿足批生產要求時需要對其進行調試，調試方法與子陣功率調試相同。當所有通道放大器經調試后其輸出功率均滿足設計指標要求，功放組件批量生產將滿足幅度一致性要求。

八通道功率幅度調試工序設置五個獨立工位，完成輸出功率及幅度一致性調試、測試和數據保存，生產節拍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試，即共240個通道。

2.5八通道功率放大器相位調試和測試

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

圖5　功放組件相位調試測試系統框圖

相位調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完成，測試計算機完成數據采集，自主開發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。當功率放大器輸出功率相位不滿足批量生產的要求就要對其進行調試。調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。

相位調試和測試工序設置一個工位，完成輸出相位及相位一致性調試、測試和數據保存，生產節拍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試和測試，即共240個通道。

2.6批量生產全流程

八通道功率放大器組件批量生產全流程：以大面積焊接第一天生產的30個功放組件(即240個通道)為節拍，各工序間按每天的產能進行流水生產，工序間預留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據，可以看出幅相一致性均優于指標要求。

圖6　功率放大器4 760個通道的幅相測試數據

3　結束語

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

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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。

李偉男，1983年生，工程師。研究方向為T/R組件調試。

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/發技術·DOI：10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.06.016