提高固態發射機可靠性方法研究

王鋒，劉東升，劉鵬遠，李兵

（軍械工程學院導彈工程系，河北石家莊050003）

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提高固態發射機可靠性方法研究

王鋒，劉東升，劉鵬遠，李兵

（軍械工程學院導彈工程系，河北石家莊050003）

摘要：固態發射機具有體積小、質量輕、低壓工作等特點，微波功率晶體管的設計和制造水平不斷提高使其得到了廣泛的應用。但作為大功率系統，大電流、高熱耗以及復雜的電路設計等因素同樣使對固態發射機的可靠性面臨著嚴峻的考驗。本文根據固態發射機的工作原理和基本結構，研究了影響可靠性的因素，分析可靠度模型，提出了功率冗余設計和過程備份設計的可靠性改進方法，通過對比改進前后的數據，系統可靠性得到了顯著提高，為固態發射機的可靠性設計提供了可行的方案。

關鍵詞：固態發射機；可靠性；功率冗余；過程備份

微波功率管制造工藝快速發展，使設計生產輸出功率更高、工作頻率更寬的器件成為可能。這也為固態發射機性能的提升提供了有力的硬件支持。正因此，電真空發射機正逐漸被微波功率器件所取代。采用功率管的固態發射機不再需要燈絲、高功率調制器以及上萬伏的高壓電源，幾十伏電壓就可以完成功能實現［1］。

目前固態發射機在S波段及以下波段的應用技術已經日趨成熟，取代電子管的過程正在迅速蔓延。在雷達系統中，發射機是系統可靠性的薄弱環節［2］。采用固態發射機，不存在故障突發導致功率發射終止的問題，系統故障呈逐漸退化形式，有效提高了系統的可靠性。

固態發射機作為雷達系統大功率輸出的關鍵部分，通常是采用功率合成的方式，由小功率器件提供大功率輸出。作為大電流、高熱耗的大功率系統，功率的穩定、可靠輸出與功率合成的方式和功率器件的指標密切相關。其復雜的電路設計等諸多因素都使固態發射機的可靠性面臨著嚴峻的考驗。

本文根據固態發射機的結構特點和工作原理，結合實際經驗，提出了提高固態發射機可靠性的一些改進方法和措施。

1　影響可靠性因素

相比電真空管發射機，固態發射機的可靠性是其最主要的優勢之一。對于系統的基本可靠性的控制，主要針對各個子單元的電路設計、系統結構和工藝，以及器件散熱能力等。通過改進結構設計、克服缺陷、提高制造工藝水平、減少組裝差錯以及補償環境影響等手段來實現。

對于系統完成任務的工作可靠性，就需要從系統設計的層面進行分析設計。影響固態發射機工作可靠性的主要因素可以分為系統設計、子單元設計、結構工藝、保護設計及散熱溫度設計等。為了提高固態發射機工作的可靠性，常采用模塊化設計。在每個子單元設計中，影響可靠性因素包括功率管的選擇、各單元之間的匹配與隔離等。大功率開關電源及功率合成器作為發射機的功率形成的核心部分，是決定系統工作可靠性的關鍵環節，保證單個器件可靠性的同時應該考慮組合效應，采取適當的冗余和合理的備份，從系統的角度增加容錯能力。

固態發射機的結構工藝是可靠性設計的基礎。在大功率并較長時間連續工作的條件下，結構形成的分布參數及器件散熱條件成為影響器件性能及電路功能的主要因素［2］。溫度是影響晶體管工作特性的重要參數，過高的工作溫度可能直接導致器件的失效，因此，溫度是影響組件、系統可靠性的重要因素。必須保證工作溫度在允許溫度范圍之內，合理的結構設計和必要的溫度控制措施是保持固態發射機可靠性的有效手段。

2　功率冗余設計

對于每個子系統，有其基本性能靜態指標要求，也有工作中的動態指標要求。設計中，應該充分考慮系統在實際工作中的承受能力［3］，在成本允許的范圍內，考慮將極限工作狀態合理納入到系統的容忍范圍，也就是設計中留有合理的余量。尤其對大功率系統，組成的元件一旦受損對系統會造成直接的致命損害，所以功率的冗余設計更為必要。

以某固態發射機末級功率合成為例進行分析。單路功率管功率為100 W，合成效率80%，輸出指標為大于200 W。如果采用2級4路的合成方式，過程如圖1所示，計算可得，最終輸出的功率為256 W，滿足技術指標的要求。測試數據表明，信號輸入為連續信號時，末級的輸出功率較為穩定，約為210 W，仍然在小于256 W的范圍內，設備都處于正常的負荷狀態。

圖1　兩級四路功率合成結構

但發射機在工作時，信號的輸入并不總是平穩的，如果輸入信號為周期脈沖時，末級輸出可能出現400 W左右的短時信號，形成過沖。顯然這一功率值超出了功率，按照400 W的末級輸出，根據圖1中的合成結構，反推第一級4個功率管的輸出功率應為156.25 W，超出了額定值50%以上。這種過沖雖然不是連續的，但是長期的存在也會對功率管壽命、可靠性產生很大的影響，造成可能是致命性的后果。因此，在功率設計上應有合理的冗余設計，保證各功率元件始終都能處于正常的工作狀態。

為了保證功率管輸出不超過額定功率，提高整體可靠性，進行針對性的改進設計，增加并聯路數，減少合成級數，采用1級6路的合成結構，如圖2所示。同樣指標的功率管，額定功率100W，合成效率80%，六合一之后的輸出功率為480W。即使末級出現400W過沖，六路功率管的負荷只有83.3W，滿足功率要求。

圖2　一級六路功率合成結構

充分考慮了系統在工作狀態的功率需求，留有必要的余量，采取功率的冗余設計，提高了系統的容錯能力，保證了整體的工作可靠性。

3　過程可靠性設計

固態發射機是由多級組成的高集成度的復雜系統，任何一級出現問題都可能導致發射機的故障，系統失效率等于各級組件失效率之和［3-4］，其模型可以描述為：

可見，級數越多，失效率越高，可靠性就會降低。因此，盡量減少串聯級數是提高系統可靠性的方法之一。正如上一節中的改進實例，由兩級合成改為一級合成，這個分系統由3級組件變為了2級，失效率就由λ1+λ2+λ3降為λ1+λ3，可以有效提高系統整體的可靠性。

要保證系統功能的完整實現，必要的多層分級結構是不可避免的［5］，即式（1）中i的取值是有下限的?？梢?，通過減少級數方法的操作空間是有限的。這種情況下，就只能通過減小每一個層級的失效率λ1來降低整體的失效率λ，也就是要在基本單元的設計中保證各級的可靠性，簡單有效的方法就是過程冗余設計。

固態發射機采用多路并聯的合成結構，并聯情況下，功能失效是一個是漸變的過程［5-6］，通常可采用r/n模型來評價并聯結構的可靠性。r/n模型是指系統的n個并聯單元中，正常單元數不少于r，系統仍可以正常工作，不會出現故障。r/n可靠性模型如圖3所示。

圖3　r/n（G）系統可靠性模型

則其數學模型可以表示為：

根據這一模型，對并聯過程進行冗余設計，采取單元備份的形式可以有效的提高系統的可靠性［5］。某固態發射機末級功放為例，單路功率管失效率約為λ=69×10-6/h，按照指標要求，至少需要15路功率管來實現末端的功率合成，采用冗余設計時增加5路備份，即20路中允許有最多5路發生故障。根據式（2）r/n模型，此時末級功放連續工作t=72小時的可靠度為：式中R1為單路功率管的可靠度，R1=1-λt。

可以與未進行冗余備份設計時可靠度進行比較，只采用15路合成時的可靠度為：

顯然，這個結果比采取冗余設計的可靠度要低得多。

可見，對系統進行結構設計時，減少串聯級數可以降低系統的失效率，同時采取過程備份，可以使系統保持穩定的工作可靠性。

4　溫度設計

大功率晶體管的失效多數是由于其結溫過高引起的。對于固態器件，結溫表示有源區在給定工作條件下的最高溫度。結溫作為評估器件材料內金屬遷移的能力重要指標，可以用來確定器件在工作過程中的可靠性［7］。經驗計算公式為：結溫每下降10℃，器件的平均故障間隔時間就可以提高1倍。因此，固態發射機必須設計良好的溫度控制系統。通過合理布局、減小器件發熱源和散熱器之間的接觸熱阻等設計保證組件與環境順暢的熱交換。采取風冷、水冷等方式對高熱組件進行冷卻控溫，使其始終保持正常合理的工作溫度，抑制溫度對可靠性的影響。

5　結論

作為雷達系統的核心組件，固態發射機以其優良的特性正在逐步取代微波電子管。性能的正常發揮是以其可靠性為前提的。本文針對固態發射機的可靠性問題進行了系統分析，采取功率冗余設計降低單個器件的工作損耗，提高整體的抗過沖能力。在系統的并列合成結構采取過程備份設計，增加系統的容錯能力，降低系統的失效率。通過對前后數據的分析比對，驗證了改進后可靠性提高的明顯效果，為提高固態發射機可靠性提供了可行的方案。

參考文獻：

［1］承德寶.雷達原理［M］.北京：國防工業出版社，2008.

［2］雷國忠.固態發射機關鍵技術的研究［J］.火控雷達技術，2000，29 （4）：1-6.

［3］丁定浩.雷達固態發射機可靠性評估和失效判別的定量方法［J］.電子學報，1997，25（9）：92-93.

［4］古志強，張才清.固態雷達發射機多路電源的并聯均流設計［J］.現代雷達，2007，29（4）：86-89.

［5］陸廷孝，鄭鵬洲，等.可靠性設計與分析［M］.北京：國防工業出版社，1995.

［6］邱成悌.電子設備結構設計原理［M］.南京：東南大學出版社，2001.

［7］宋云.T-R組件的散熱設計［J］.電子機械工程，2003，19（5）：5-7.

A research on lmProvlng rellablllty of the solld state transmltter

WANG Feng，LIU Dong-sheng，LIU Peng-yuan，LI Bjng
（Department of Missile Engineering Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

Abstract:So1jd state transmjtter has many advantages such as sma11 vo1ume，1jght qua1jty and the 1ow work vo1tage. The desjgn and manufacture 1eve1 of mjcrowave power transjstor contjnuous1y jmprove that make jt wjde1y used. But as a hjgh power system，1arge current，hjgh heat consumptjon and comp1ex cjrcujt desjgn a1so make the re1jabj1jty of so1jd state transmjtter face serjous test. Accordjng to the workjng prjncjp1e and basjc structure of the so1jd state transmjtter，thjs artjc1e studjes the jnf1uencjng re1jabj1jty factors，ana1ysjs the re1jabj1jty mode1 and puts forward the re1jabj1jty jmprovement method whjch jnc1udes power redundancy desjgn and process backup desjgn. After comparjng the data before and now，the system re1jabj1jty js jmproved sjgnjfjcant1y. Thjs study provjdes a feasjb1e scheme for the re1jabj1jty desjgn of the so1jd-state transmjtter.

Key words:so1jd state transmjtter，re1jabj1jty，power redundancy，process backup

中圖分類號：TN43

文獻標識碼：A

文章編號：1674-6236（2016）07-0107-02

收稿日期：2015-05-26稿件編號：201505226

作者簡介：王鋒（1980—），男，山西太原人，博士，講師。研究方向：測試技術及信號處理。