固態(tài)功率放大器模塊自動(dòng)化生產(chǎn)研究*

薛 羽，吳 鵬，劉 剛

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

固態(tài)功率放大器模塊自動(dòng)化生產(chǎn)研究*

薛 羽，吳 鵬，劉 剛

(南京電子技術(shù)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(jī)的核心，其生產(chǎn)技術(shù)對(duì)相控陣?yán)走_(dá)的綜合性能指標(biāo)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(duì)焊接、裝配、測(cè)試提出了高要求。文中介紹了功率放大器模塊的自動(dòng)化組裝和測(cè)試的實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了固態(tài)功率放大器模塊采用自動(dòng)化生產(chǎn)線的可行性。該研究成果的應(yīng)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(shù)基礎(chǔ)。

固態(tài)功率放大器模塊；幅相一致性；自動(dòng)化組裝焊接技術(shù)；自動(dòng)測(cè)試技術(shù)

引 言

有源相控陣?yán)走_(dá)全固態(tài)發(fā)射機(jī)越來(lái)越受到雷達(dá)裝備市場(chǎng)的肯定。發(fā)射機(jī)核心功率放大器組件受單個(gè)微波功率晶體管放大器的制約，有必要采取功率合成技術(shù)來(lái)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(hù)的模塊式級(jí)聯(lián)、末級(jí)合成的一體設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)、組裝、加工精度和可靠性等指標(biāo)也直接影響雷達(dá)的綜合性能指標(biāo)[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(dòng)化組裝與焊接技術(shù)是至關(guān)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(dòng)化微波組裝工藝和測(cè)試技術(shù)，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(dòng)化生產(chǎn)方式消除了人工裝配、焊接出錯(cuò)帶來(lái)的不合格品，提高了生產(chǎn)效率，其產(chǎn)品成功應(yīng)用于多個(gè)批次雷達(dá)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(gè)寬帶3 dB耦合器和接于其間的2個(gè)放大器組成，見(jiàn)圖1。輸入的3 dB耦合器起功率分配作用，將輸入信號(hào)分成相位差90°的2個(gè)信號(hào)送給2個(gè)放大器，輸出的3 dB耦合器起功率合成作用，將2個(gè)相位差90°的信號(hào)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(lì)信號(hào))；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(biāo)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(shè)計(jì)

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(jìn)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(yīng)用電路采用微波CAD軟件對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果見(jiàn)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(shè)計(jì)制作了功率放大器模塊實(shí)物，結(jié)合裝配的工藝流程和自動(dòng)化生產(chǎn)適應(yīng)性驗(yàn)證，在滿足批量生產(chǎn)電性能指標(biāo)要求的前提下，經(jīng)過(guò)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(shí)際功率模塊輸入、輸出阻抗匹配電路板版圖見(jiàn)圖4。

圖4 功率模塊微波電路板版圖

2 功率模塊自動(dòng)化組裝技術(shù)

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(jìn)行微波性能測(cè)試，滿足幅相一致性指標(biāo)的模塊為合格品，將不滿足的進(jìn)行調(diào)試返修再進(jìn)行測(cè)試。本節(jié)介紹的功率模塊自動(dòng)化組裝技術(shù)是以機(jī)器人為基本操作單元自動(dòng)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(dòng)化裝配焊接集成系統(tǒng)

微波板自動(dòng)化裝配焊接集成系統(tǒng)能夠自動(dòng)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(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)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(dòng)化裝配焊接集成系統(tǒng)由自動(dòng)上料、點(diǎn)膠、點(diǎn)涂焊膏、貼裝/裝夾、焊接、清洗、烘干、卸夾、下料等自動(dòng)和輔助傳輸裝置組成，其中上料、貼裝、下料3個(gè)工位用了ABB機(jī)器人系統(tǒng)。生產(chǎn)過(guò)程由管控系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)上述工藝流程全過(guò)程自動(dòng)化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)載體工裝板、裝配工裝、電路板工裝自動(dòng)回板，滿足自動(dòng)化裝配、焊接需求。

上料、貼裝、下料3個(gè)工位的ABB機(jī)器人根據(jù)指令自動(dòng)完成物料識(shí)別、拾取、定位放置等動(dòng)作。圖5是微波板自動(dòng)化裝配焊接集成系統(tǒng)中的微波板貼片六軸機(jī)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(jī)器人實(shí)物

本系統(tǒng)由自動(dòng)化集成控制單元對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)流程進(jìn)行設(shè)定，通過(guò)條碼掃描對(duì)工裝板的位置狀態(tài)、物料信息進(jìn)行監(jiān)控，并通過(guò)精確定位的視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)電路板的外形、貼裝質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，定位精度達(dá)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(shí)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(shí)物照片。

圖6 功率模塊基板實(shí)物

2.2 微波板接插件自動(dòng)裝配焊接系統(tǒng)

微波板接插件自動(dòng)裝配焊接系統(tǒng)能夠自動(dòng)完成2個(gè)表貼電阻器、6個(gè)表貼電容器、2個(gè)功率管與底板裝配、焊接的所有工藝流程。由于實(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)化，有效保證了組裝、焊接的一致性。

微波板接插件自動(dòng)裝配焊接系統(tǒng)由3個(gè)YAMAHA四軸精密機(jī)器人和2個(gè)EPSON六軸精密機(jī)器人分成的3個(gè)工作臺(tái)(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(dòng)完成模塊裝貼、擰螺釘、焊接、元器件貼裝、焊接等生產(chǎn)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)上述工藝流程全過(guò)程自動(dòng)化，滿足自動(dòng)化裝配、焊接需求。

1#工作臺(tái)主要進(jìn)行2個(gè)功率管的貼裝與擰緊，由2個(gè)YAMAHA四軸精密機(jī)器人互相配合完成。2#工作臺(tái)與1#工作臺(tái)在1個(gè)線體上，主要進(jìn)行2個(gè)電阻器的貼裝與焊接，由1個(gè)YAMAHA四軸精密機(jī)器人(1#工作臺(tái)中的1個(gè))和1個(gè)EPSON六軸精密機(jī)器人互相配合完成。3#工作臺(tái)主要進(jìn)行6個(gè)電容器的貼裝與焊接，由1個(gè)YAMAHA四軸精密機(jī)器人和1個(gè)EPSON六軸精密機(jī)器人互相配合完成。

本系統(tǒng)通過(guò)精確定位的視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)電路板的外形、貼裝質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，重復(fù)定位精度達(dá)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(dòng)化完全取代了人工操作，縮短了產(chǎn)品裝焊生產(chǎn)時(shí)間，減少了人工差錯(cuò)帶來(lái)的返工，為自動(dòng)化生產(chǎn)提供了保障。

3 功率模塊自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)

功率模塊自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)基于標(biāo)準(zhǔn)化接口母線(GPIB)集成測(cè)量?jī)x表和其他輔助設(shè)備，用專用軟件由計(jì)算機(jī)控制模擬人工測(cè)試的過(guò)程，自動(dòng)完成功率模塊性能指標(biāo)測(cè)試和數(shù)據(jù)處理[4]。

3.1 測(cè)試系統(tǒng)組成和原理

功率模塊微波性能測(cè)試采用了衰減后檢測(cè)小信號(hào)微波參數(shù)的測(cè)量方法，其測(cè)試系統(tǒng)原理框圖見(jiàn)圖7。該系統(tǒng)需要的硬件設(shè)備有：射頻信號(hào)源(可脈沖調(diào)制)、激勵(lì)放大器、峰值功率計(jì)、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(jì)算機(jī)等。

圖7 功率模塊幅度測(cè)試系統(tǒng)框圖

功率模塊測(cè)試時(shí)，輸入信號(hào)由射頻信號(hào)源(圖7中A處)提供，經(jīng)隔離器和激勵(lì)放大器后饋給裝在專用夾具上的被測(cè)件，被測(cè)功率模塊的輸出功率經(jīng)衰減后輸入功率計(jì)探頭(圖7中B處)，控制計(jì)算機(jī)通過(guò)控制軟件自動(dòng)控制測(cè)試儀表和直流穩(wěn)壓電源，按照設(shè)計(jì)時(shí)序采集輸出功率，實(shí)時(shí)處理并記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，從而完成自動(dòng)測(cè)試過(guò)程。

3.2 測(cè)試軟件

系統(tǒng)軟件采用Microsoft Visual C++ .NET作為開(kāi)發(fā)工具，結(jié)合Measurement Studio for .NET進(jìn)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(kù)開(kāi)發(fā)工具，其作為優(yōu)秀的大型數(shù)據(jù)庫(kù)，無(wú)縫運(yùn)行于Windows平臺(tái)，可以充分保證海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和檢索。軟件平臺(tái)原理框圖見(jiàn)圖8。

圖8 軟件平臺(tái)原理框圖

該測(cè)試系統(tǒng)軟件故障流程：1)首先運(yùn)行系統(tǒng)軟件平臺(tái)，只有用戶通過(guò)系統(tǒng)權(quán)限驗(yàn)證才能登陸軟件操作界面。2)在軟件操作界面進(jìn)行測(cè)試項(xiàng)的選擇，選擇完成后配置服務(wù)程序?qū)y(cè)試參數(shù)進(jìn)行相關(guān)配置或調(diào)用已有配置信息完成系統(tǒng)初始化。3)自動(dòng)測(cè)試時(shí)被測(cè)件測(cè)試按流程順序進(jìn)行，性能測(cè)試結(jié)束后，對(duì)結(jié)果進(jìn)行判定，若測(cè)試結(jié)果在設(shè)置門限范圍之內(nèi)，則判定測(cè)試合格，并輸出測(cè)試結(jié)果；若測(cè)試結(jié)果與設(shè)置的門限值相比超差，則輸出超差的測(cè)試結(jié)果，并判定測(cè)試不合格。

3.3 功率模塊返修調(diào)試

當(dāng)功率模塊的輸出幅相不滿足一致性設(shè)計(jì)指標(biāo)要求時(shí)，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)會(huì)給出測(cè)試不合格提示。由于目前不具備自動(dòng)修調(diào)能力，因此，需要對(duì)不合格件進(jìn)行人工返修調(diào)試。

4 結(jié)束語(yǔ)

用文中介紹的功率模塊自動(dòng)化生產(chǎn)方式已經(jīng)生產(chǎn)了50多個(gè)臺(tái)套批次所需的幾萬(wàn)個(gè)固態(tài)功率放大器模塊，幅相一致性優(yōu)于指標(biāo)要求，現(xiàn)用于某相控陣?yán)走_(dá)的天線陣列，工作穩(wěn)定可靠。

功率模塊自動(dòng)化生產(chǎn)推動(dòng)了微波模塊和組件自動(dòng)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(shù)基礎(chǔ)。

[1] 鐘劍鋒, 吳夜秋. 微波組件的制造技術(shù)[J]. 電子機(jī)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(xué)報(bào), 2005, 21(S1): 101-103.

[4] 柳愛(ài)利, 周紹磊. 自動(dòng)測(cè)試技術(shù)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.

薛 羽(1960-)，男，高級(jí)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(dòng)化應(yīng)用研究。

劉 剛(1968-)，男，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事工業(yè)自動(dòng)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