某射频TR组件功率模块故障分析及改进

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。

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 。

 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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：

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。

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。

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。（参考文献略）

作者：冯欢欢  ，惠好鹏 ，汪　 蓓  ，付耀龙 

欢迎射频微波雷达通信工程师关注公众号

电子万花筒平台自营：Xilinx ALTERA ADI TI ST NXP 镁光 三星 海力士内存芯片 等百余品牌的电子元器件，可接受BOM清单，缺料，冷门，停产，以及国外对华禁运器件业务！

欢迎大家有需求随时发型号清单，我们将在第一时间给您呈上最好的报价，微信(QQ同号)：1051197468 也希望您把我们的微信推荐给采购同事，感谢对平台的支持与信任！

与我们合作，您的器件采购成本将相比原有供应商降低10%以上！！不信？那您就来试试吧！！欢迎来撩！！