薛 羽，吳 鵬，劉 剛

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

固態(tài)功率放大器模塊自動化生產(chǎn)研究*

薛 羽，吳 鵬，劉 剛

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

固態(tài)功率放大器模塊是全固態(tài)發(fā)射機的核心，其生產(chǎn)技術對相控陣雷達的綜合性能指標具有重要影響。S波段固態(tài)功率放大器模塊的批量生產(chǎn)對焊接、裝配、測試提出了高要求。文中介紹了功率放大器模塊的自動化組裝和測試的實現(xiàn)，驗證了固態(tài)功率放大器模塊采用自動化生產(chǎn)線的可行性。該研究成果的應用有效地提高了固態(tài)功率放大器模塊的裝配一致性和可靠性，為工業(yè)制造智能化的研究工作奠定了良好的技術基礎。

固態(tài)功率放大器模塊；幅相一致性；自動化組裝焊接技術；自動測試技術

引 言

有源相控陣雷達全固態(tài)發(fā)射機越來越受到雷達裝備市場的肯定。發(fā)射機核心功率放大器組件受單個微波功率晶體管放大器的制約，有必要采取功率合成技術來滿足高功率輸出的要求。因此，功率放大器組件常常采用易維護的模塊式級聯(lián)、末級合成的一體設計。這種一體化發(fā)射鏈路中功率模塊性能的好壞除取決于功率放大器本身固有的幅相特性外，模塊的設計、組裝、加工精度和可靠性等指標也直接影響雷達的綜合性能指標[1]。因此要獲得高性能、低成本、高組裝效率及高互換性的功率放大器模塊，發(fā)展高精度的自動化組裝與焊接技術是至關重要的[2]。

本文研究了微波功率模塊的組成和制造方法，合理采用自動化微波組裝工藝和測試技術，有效地提高了功率模塊的裝配一致性，保證了模塊的幅相一致性和可靠性。這種自動化生產(chǎn)方式消除了人工裝配、焊接出錯帶來的不合格品，提高了生產(chǎn)效率，其產(chǎn)品成功應用于多個批次雷達裝備功率放大器組件中。

1 微波功率模塊

1.1 高功率模塊的組成

功率模塊由2個寬帶3 dB耦合器和接于其間的2個放大器組成，見圖1。輸入的3 dB耦合器起功率分配作用，將輸入信號分成相位差90°的2個信號送給2個放大器，輸出的3 dB耦合器起功率合成作用，將2個相位差90°的信號合成輸出[3]。

圖1 功率模塊的組成

圖1中：Pi為輸入功率(激勵信號)；Po為輸出功率；V1、V2為功率放大管；E1、E2為輸入匹配電路；E3、E4為輸出匹配電路。

1.2 高功率模塊的批量生產(chǎn)指標要求

1)工作頻率為S波段；

2)脈沖輸出功率≥160 W；

3)幅度一致性< ± 0.8 dB；

4)相位一致性(由功率放大管決定)。

1.3 高功率模塊的設計

該功率模塊采用威爾金森3 dB耦合器將輸入和輸出匹配到50 Ω，放大器V1、V2采用進口硅雙極型功率管，輸入和輸出匹配電路E1～E4根據(jù)功率管的典型應用電路采用微波CAD軟件對其進行優(yōu)化仿真設計，仿真結(jié)果見圖2和圖3。

圖2 輸入阻抗匹配電路及仿真結(jié)果

圖3 輸出阻抗匹配電路及仿真結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果設計制作了功率放大器模塊實物，結(jié)合裝配的工藝流程和自動化生產(chǎn)適應性驗證，在滿足批量生產(chǎn)電性能指標要求的前提下，經(jīng)過優(yōu)化修改最終確定了將3塊高頻印制板直接大面積焊接到銅基板的方案。實際功率模塊輸入、輸出阻抗匹配電路板版圖見圖4。

圖4 功率模塊微波電路板版圖

2 功率模塊自動化組裝技術

功率模塊的生產(chǎn)流程是將輸入、輸出阻抗匹配電路板焊接到基板上，然后裝配元器件進行微波性能測試，滿足幅相一致性指標的模塊為合格品，將不滿足的進行調(diào)試返修再進行測試。本節(jié)介紹的功率模塊自動化組裝技術是以機器人為基本操作單元自動完成電路板焊接和元器件裝配流程的集成系統(tǒng)。

2.1 微波板自動化裝配焊接集成系統(tǒng)

微波板自動化裝配焊接集成系統(tǒng)能夠自動完成3塊輸入、輸出阻抗匹配電路板與底板大面積焊接的所有工藝流程。由于實現(xiàn)過程自動化，有效保證了微波接地的可靠性和組裝的一致性。

微波板自動化裝配焊接集成系統(tǒng)由自動上料、點膠、點涂焊膏、貼裝/裝夾、焊接、清洗、烘干、卸夾、下料等自動和輔助傳輸裝置組成，其中上料、貼裝、下料3個工位用了ABB機器人系統(tǒng)。生產(chǎn)過程由管控系統(tǒng)控制，實現(xiàn)上述工藝流程全過程自動化，同時實現(xiàn)載體工裝板、裝配工裝、電路板工裝自動回板，滿足自動化裝配、焊接需求。

上料、貼裝、下料3個工位的ABB機器人根據(jù)指令自動完成物料識別、拾取、定位放置等動作。圖5是微波板自動化裝配焊接集成系統(tǒng)中的微波板貼片六軸機器人，其功能是將電路板吸起并和基板固定在一起。

圖5 工位上的機器人實物

本系統(tǒng)由自動化集成控制單元對產(chǎn)品生產(chǎn)流程進行設定，通過條碼掃描對工裝板的位置狀態(tài)、物料信息進行監(jiān)控，并通過精確定位的視覺系統(tǒng)對電路板的外形、貼裝質(zhì)量進行檢測，定位精度達到 ± 0.04 mm，有效控制了裝配工藝誤差，提高了模塊裝配一致性。該系統(tǒng)在功率模塊焊接時可采取施加一定壓力的方法，以確保微波板與載體基板的焊透率>85%，保證微波接地性能的可靠性。圖6為系統(tǒng)焊接完成后的實物照片。

圖6 功率模塊基板實物

2.2 微波板接插件自動裝配焊接系統(tǒng)

微波板接插件自動裝配焊接系統(tǒng)能夠自動完成2個表貼電阻器、6個表貼電容器、2個功率管與底板裝配、焊接的所有工藝流程。由于實現(xiàn)過程自動化，有效保證了組裝、焊接的一致性。

微波板接插件自動裝配焊接系統(tǒng)由3個YAMAHA四軸精密機器人和2個EPSON六軸精密機器人分成的3個工作臺(1#、2#、3#)和輔助傳輸裝置組成。軟件和管控系統(tǒng)可控制自動完成模塊裝貼、擰螺釘、焊接、元器件貼裝、焊接等生產(chǎn)過程，實現(xiàn)上述工藝流程全過程自動化，滿足自動化裝配、焊接需求。

1#工作臺主要進行2個功率管的貼裝與擰緊，由2個YAMAHA四軸精密機器人互相配合完成。2#工作臺與1#工作臺在1個線體上，主要進行2個電阻器的貼裝與焊接，由1個YAMAHA四軸精密機器人(1#工作臺中的1個)和1個EPSON六軸精密機器人互相配合完成。3#工作臺主要進行6個電容器的貼裝與焊接，由1個YAMAHA四軸精密機器人和1個EPSON六軸精密機器人互相配合完成。

本系統(tǒng)通過精確定位的視覺系統(tǒng)對電路板的外形、貼裝質(zhì)量進行檢測，重復定位精度達到 ± 0.02 mm，有效控制了裝配工藝誤差，提高了模塊裝配一致性。本系統(tǒng)全工序自動化完全取代了人工操作，縮短了產(chǎn)品裝焊生產(chǎn)時間，減少了人工差錯帶來的返工，為自動化生產(chǎn)提供了保障。

3 功率模塊自動化測試技術

功率模塊自動化測試系統(tǒng)基于標準化接口母線(GPIB)集成測量儀表和其他輔助設備，用專用軟件由計算機控制模擬人工測試的過程，自動完成功率模塊性能指標測試和數(shù)據(jù)處理[4]。

3.1 測試系統(tǒng)組成和原理

功率模塊微波性能測試采用了衰減后檢測小信號微波參數(shù)的測量方法，其測試系統(tǒng)原理框圖見圖7。該系統(tǒng)需要的硬件設備有：射頻信號源(可脈沖調(diào)制)、激勵放大器、峰值功率計、隔離器、功率衰減器、專用夾具、GPIB電纜、直流穩(wěn)壓電源和控制計算機等。

圖7 功率模塊幅度測試系統(tǒng)框圖

功率模塊測試時，輸入信號由射頻信號源(圖7中A處)提供，經(jīng)隔離器和激勵放大器后饋給裝在專用夾具上的被測件，被測功率模塊的輸出功率經(jīng)衰減后輸入功率計探頭(圖7中B處)，控制計算機通過控制軟件自動控制測試儀表和直流穩(wěn)壓電源，按照設計時序采集輸出功率，實時處理并記錄測試數(shù)據(jù)，從而完成自動測試過程。

3.2 測試軟件

系統(tǒng)軟件采用Microsoft Visual C++ .NET作為開發(fā)工具，結(jié)合Measurement Studio for .NET進行儀器控制。系統(tǒng)軟件采用Microsoft Access 2000或以上版本作為數(shù)據(jù)庫開發(fā)工具，其作為優(yōu)秀的大型數(shù)據(jù)庫，無縫運行于Windows平臺，可以充分保證海量數(shù)據(jù)的存儲和檢索。軟件平臺原理框圖見圖8。

圖8 軟件平臺原理框圖

該測試系統(tǒng)軟件故障流程：1)首先運行系統(tǒng)軟件平臺，只有用戶通過系統(tǒng)權限驗證才能登陸軟件操作界面。2)在軟件操作界面進行測試項的選擇，選擇完成后配置服務程序?qū)y試參數(shù)進行相關配置或調(diào)用已有配置信息完成系統(tǒng)初始化。3)自動測試時被測件測試按流程順序進行，性能測試結(jié)束后，對結(jié)果進行判定，若測試結(jié)果在設置門限范圍之內(nèi)，則判定測試合格，并輸出測試結(jié)果；若測試結(jié)果與設置的門限值相比超差，則輸出超差的測試結(jié)果，并判定測試不合格。

3.3 功率模塊返修調(diào)試

當功率模塊的輸出幅相不滿足一致性設計指標要求時，自動測試系統(tǒng)會給出測試不合格提示。由于目前不具備自動修調(diào)能力，因此，需要對不合格件進行人工返修調(diào)試。

4 結(jié)束語

用文中介紹的功率模塊自動化生產(chǎn)方式已經(jīng)生產(chǎn)了50多個臺套批次所需的幾萬個固態(tài)功率放大器模塊，幅相一致性優(yōu)于指標要求，現(xiàn)用于某相控陣雷達的天線陣列，工作穩(wěn)定可靠。

功率模塊自動化生產(chǎn)推動了微波模塊和組件自動化生產(chǎn)的發(fā)展，為工業(yè)制造智能化的研究工作奠定了良好的技術基礎。

[1] 鐘劍鋒, 吳夜秋. 微波組件的制造技術[J]. 電子機械工程, 2004, 20(1): 35-36.

[2] SANTEUSANIO D. Bare die tape and reel for high volume manufacturing[J]. IEEE Xplore Electro/99 Technical Program, 1999, 15(6): 87-90.

[3] 蔣擁軍, 潘厚忠. S波段超寬帶固態(tài)功率放大器的研制[J]. 微波學報, 2005, 21(S1): 101-103.

[4] 柳愛利, 周紹磊. 自動測試技術[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.

薛 羽(1960-)，男，高級工程師，主要從事T/R組件批生產(chǎn)研究。

吳 鵬(1985-)，男，工程師，主要從事自動化應用研究。

劉 剛(1968-)，男，研究員級高級工程師，主要從事工業(yè)自動化、智能化研究。

Research on Automatic Production of Solid State Power Amplifier Modules

XUE Yu，WU Peng，LIU Gang

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Solid state power amplifier module plays a key role in full solid state transmitter system. The assembly technologies of the module have important influences on the comprehensive performance of phased array radar. As a result, S-band solid state power amplifier modules place high demands on the assembly, soldering and testing in batch production. In this paper, the realization of automatic assembly and testing are discussed, the feasibility of adopting automatic production line for solid state power amplifier modules are verified. The application of the research results enhances the assembly consistency and reliability of power amplifier modules efficiently and lays a good foundation for the development of industrial intelligent manufacturing.

solid state power amplifier module; amplitude-phase consistency; automatic assembly and soldering technology; automated testing technology

2016-03-10

TN722.3+3

A

1008-5300(2016)03-0031-04