| 标题 | 数字阵列模块的可靠性研究 |
| 范文 | 吴文婷
摘 ?要：数字阵列模块（DAM）是数字阵列雷达的核心部件，在数字阵列雷达中，DAM的数量往往占到设备量的70%以上，其可靠性对雷达整机的影响非常大。本文详细分析了影响数字阵列模块可靠性的几种因素。针对其中最大的两类干扰因素，给出了提高可靠性的具体方法。通过电磁兼容性设计以及增加老炼试验，能使数字阵列模块的可靠性提高50%左右。 关键词：数字阵列模块;可靠性;电磁兼容;老炼 0 ?引言 数字阵列雷达就是指接收和发射波束全部以数字方式来实现的数字化雷达。DAM是数字阵列雷达的核心部件，它集成了波形产生、本振频率源、发射激励以及数字接收机的功能。在数字阵列雷达中，往往使用几十个乃至几千个DAM模块，DAM的数量占设备量的比例高达70%以上。因此DAM的可靠性对整部雷达的影响非常重大。 1 ?DAM简介 DAM是Digital Array Module（数字阵列模块）的缩写，一般会包含几路乃至几十路收发通道，通常是由模拟TR前端、数字接收机、本振频率源、发射激励以及DDS组成。它集成了完整的发射系统和接收系统。发射时，由DDS根据工作模式产生一定频率、相位、脉宽、带宽以及调制形式的中频信号，再经过混频处理，得到雷达所需的射频信号，经由发射功率模块将信号功率放大送至天线阵列。接收时，由TR前端接收天线单元的微弱回波信号，经过预选放大之后进行下变频处理成中频信号，再由数字接收机对中频信号进行A/D转换，数字下变频后形成IQ数字信号。 2 ?影响DAM可靠性的因素 根据工程经验，对影响DAM可靠性的因素进行了研究分析。总的来说，影响DAM可靠性的因素集中在三个方面：收发单通道性能下降;数据传输链路通信故障;DAM的相位不稳定以及装配制造问题。其中，单通道性能下降和相位问题占到了限制因素的一半以上。 （1）单通道性能下降 在雷达整机联调过程中，单通道性能下降占总故障的35%左右。而单通道性能下降的故障基本集中在TR前端的元器件问题和工艺缺陷上。作为最新一代雷达，DAM组件使用三维立体安装提高了电路密度，大量利用了微组装、气相沉积等新技术和新工艺，因此其电路复杂性高，集成化高，故障率也较高。 （2）DAM的相位不稳定问题 在影响DAM可靠性的因素中，相位不稳定的问题占了四分之一。数字阵列雷达采用的关键技术之一是数字波束形成技术（DBF），而DBF要求各个天线、各路接收机和各路A/D的幅相特性要完全一致。为了达到这一目的，采取波束形成校正的方法，将各通道的幅相值作归一化处理。若相位不稳定，寄存器内的幅相信息就出现偏差，最终计算出来的DBF指向也会不准确，失去了DBF的优势。而导致相位不稳定的最大的因素是电磁干扰。 3 ?提高可靠性的几种方法 （1）采取应力筛选加常温老炼的方法 单通道性能下降的故障基本集中在TR前端的元器件问题和工艺缺陷上，这些都是属于早期失效。而电子元器件在生命周期内的失效分布呈"浴盆曲线"，曲线表明，产品装配完成即进入早期失效。产品早期失效的模式是元器件及工艺的缺陷，是需要10～100小时的工作时间才能完成其暴露过程。为了使早期失效故障暴露在前期调试，从而使得整机工作进入可靠性稳定阶段，就需要采取筛选加老炼的方法进行可靠性试验。 工程经验表明，环境应力筛选试验能暴露10%左右的故障。而老炼会再暴露40%左右的故障。老炼就是对DAM施加适当的电应力，使其潜在的元器件及工艺缺陷加速成为故障暴露，并加以发现和排除的过程。通用的DAM老炼系统由测试机柜、测试适配器、测试软件三部分构成，其工作原理如图2所示。通用老炼系统的硬件由电源子系统、时钟子系统、检测子系统、冷却子系统、控制子系统以及适配器组成。由控制子系统发送工作模式、频率代码等控制信号给DAM，同时控制电源、冷却系统进行工作，检测子系统将检测到的DAM的状态实时传回给控制系统进行分析处理并显示监控。老炼系统采用开放式架构，测试系统中所有设备都遵循固定的协议，用户可以利用协议与设备通讯。 通过老炼，DAM加速暴露了工艺缺陷和元器件的早期失效问题。实验表明，DAM通过筛选和老炼能将可靠性提高50%左右。 （2）增强抗干扰能力 DAM是收发一体，集成度高，数字、模拟电路混合设计，因而DAM内部的电磁环境十分复杂，若电磁兼容性设计不够完善，则会在DAM内部发生串扰，同时也降低了抗干扰的性能。 ①电源干扰 电源干扰主要包括两种：电源自身干扰和电源传导干扰。消除电源自身干扰的办法是在电源模块输出前加DC-DC稳压电路，降低输出纹波。消除电源传导干扰，最有效的方法是隔离和滤波。 ②外界辐射干扰 外界辐射干扰通过三种途径进入DAM来干扰电路正常稳定工作。一是通过DAM壳体直接透射进入DAM内部电路。在DAM壳体设计时，应采用铝等良导体，同时DAM壳体厚度应远大于工作频率的相应趋肤深度。二是通过DAM壳体四周缝隙进入DAM内部电路。工程设计时，DAM壳体四周密封时一定要采用导电密封垫，使得整个DAM形成一个完整的良导体，抑制干扰进入DAM内部电路。三是通过DAM外部接插件进入DAM内部电路。工程设计时在电源接、时钟接插件的引针输入端加滤波电容，以滤除干扰。同时，应将DAM组件所有的外部连接电缆套上屏蔽，并且要包裹严密。还要考虑到外部连接接口，外部连接控制线尽量使用422接口，尤其是敏感控制信号，触发、串行时钟等。 ③DAM内部频率点源组合干扰 DAM体积小、各种信号功率电平大，对应谐波也大，因此各谐波组合成分一旦落入雷达工作频带内就形成干扰，影响DAM系统性能。工程设计时，要对数字接收和发射波形的时钟进行隔离和屏蔽，同时在时钟输出前要各自进行滤波，抑制谐波成分。 4 ?结束语 要提高数字阵列模块的可靠性，需要在设计阶段将电磁兼容考虑进去，同时针对可能出现的各种干扰采取相应的措施进行设计。另外，在制造调试阶段，需要对DAM进行环境应力筛选和常温老炼试验，使其消除早期失效故障。工程实践表明，通过文中探讨的方法，能将DAM的可靠性提高30%～50%。对于如何进一步提高DAM的可靠性，还有待于进一步的研究和探索。 参考文献： [1]朱庆明.数字阵列雷达评述[J]. 雷达科学与技术，2004（6）. [2] 王冰，靳学明，韩华.DBF体制雷达中多通道数字中频接收机设计[J].现代雷达，2003（12）. [3]杨志飞.产品老炼、环境应力筛选、可靠性保证试验评价[J].电子产品可靠性与环境试验，1996（6）. |
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