CN111398706A - 一种导航用大功率固态功放的寿命评估系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种导航用大功率固态功放的寿命评估方法，通过导航用大功率固态功放的寿命评估系统进行退化试验，并根据退化试验的结果进行寿命评估。其中，导航用大功率固态功放的寿命评估系统包括放置导航用大功率固态功放的恒温平台，提供射频信号的信号源，测量导航用大功率固态功放的性能参数的测量设备，以及获取和分析试验数据的计算机。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种导航用大功率固态功放的寿命评估技术。
背景技术
导航卫星是一种用于提供无线导航信号和导航信息的人造卫星，其为用户提供导航、定位及授时服务。导航卫星系统的定位精度高，服务范围广，可提供全天时、全天候、连续的导航定位服务，已成为时空定位领域的国家重大基础设施，是大国地位和战略利益重要支撑。
导航卫星中的大功率固态功放是导航卫星的重要组成部分，研究表明，所述固态功放一旦老化，会对导航信号产生影响。根据北斗三号组网星实际在轨温度条件，所述固态功放需满足在轨45℃下连续工作10年的寿命要求。因此，在导航卫星组装前，对所述导航用大功率固态功放进行寿命评估极其重要。
导航用大功率固态功放是一种高可靠、长寿命产品。对于高可靠、长寿命产品而言，其寿命评估通常是根据退化试验(又称加速寿命试验)中搜集到的产品寿命信息以及加速因子进行外推得到。其中，加速因子是指产品在正常应力水平以及加速应力水平下的p分位寿命之比，通常根据加速模型推导所得。因此，导航用大功率固态功放的寿命评估主要包括两个方面：一是设计退化试验，二是建立加速模型。
目前国内外对于导航用大功率固态功放的寿命评估研究较为缺乏，暂时没有成熟的方法对导航用大功率固态功放进行寿命评估。
发明内容
为了实现导航用大功率固态功放的寿命评估，本发明一方面提供一种导航用大功率固态功放的寿命评估系统，用于导航用大功率固态功放的退化试验，包括：
恒温平台，用于放置所述导航用大功率固态功放并使其达到试验所需温度，所述恒温平台包括：
散热板，用于产生热量，以使所述导航用大功率固态功放达到指定温度；
风扇，用于配合所述散热板调节温度；以及
保温罩，用于配合所述散热板调节温度；
信号源，与所述导航用大功率固态功放的射频信号输入接口连接，用于为所述导航用大功率固态功放提供射频信号，以激活所述导航用大功率固态功放；
测量设备，与所述导航用大功率固态功放的射频信号输出接口连接，用于在试验过程中测量所述导航用大功率固态功放的性能参数；以及
计算机，通过通用接口总线GPIB与所述信号源及所述测量设备连接，并与所述导航用大功率固态功放的遥测信号接口连接，用于获取和分析试验数据。
进一步地，所述系统还包括电源，所述电源与所述导航用大功率固态功放的电源接口连接，为所述导航用大功率固态功放提供电力，同时，所述电源通过GPIB连接至所述计算机。
进一步地，所述测量设备包括功率计及频谱仪。所述导航用大功率固态功放的射频信号经由耦合器耦合成两路，其中一路经由功率头连接至所述功率计，另一路经衰减器衰减后，发送至频谱仪。
本发明另一方面提供一种导航用大功率固态功放的寿命评估方法，包括：
进行退化试验，包括：
根据所述导航用大功率固态功放的特性，选取退化模型；
基于所述退化模型以及所述导航用大功率固态功放的元器件的性能参数，确定退化试验的试验参数；以及
进行退化试验，直至所述导航用大功率固态功放出现退化现象，记录试验时长；以及
根据所述试验时长以及所述退化模型，评估所述导航用大功率固态功放的寿命。
进一步地，所述退化模型的应力为温度。
进一步地，所述试验参数包括试验温度、加速因子以及激活能。
进一步地，所述导航用大功率固态功放的元器件包括GaN器件、GaAs器件、Si器件、电阻以及电容。
进一步地，所述元器件的性能参数包括激活能，所述激活能通过所述元器件的生产厂家提供。
本发明提供的一种导航用大功率固态功放的寿命评估系统及方法，通过选取合适的退化模型，制定退化试验方案，以得到导航用大功率固态功放在加速应力下的寿命，然后通过计算对导航用大功率固态功放的在轨寿命进行评估。经验证，该系统和方法能够实现导航用大功率固态功放的寿命评估，保障了导航卫星的系统稳定性。
附图说明
为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
图1示出本发明一个实施例的一种导航用大功率固态功放寿命评估系统的结构示意图；
图2示出本发明一个实施例的一种导航用大功率固态功放寿命评估方法的流程示意图；以及
图3示出M7卫星B1/B2/B3固态功放在轨条件下一个月的温度变化数据示意图。
具体实施方式
以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。
在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。
需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了阐述该具体实施例，而不是限定各步骤的先后顺序。相反，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。
本发明公开了一种导航用大功率固态功放寿命评估系统及方法，其中，所述导航用大功率固态功放寿命评估系统用于导航用大功率固态功放的退化试验，所述退化试验的试验结果用于导航用大功率固态功放的寿命评估。下面结合实施例附图对本系统及方法进行进一步描述。
图1示出本发明一个实施例的一种导航用大功率固态功放寿命评估系统的结构示意图。如图1所示，一种导航用大功率固态功放的寿命评估系统，用于导航用大功率固态功放的退化试验，其中所述导航用大功率固态功放001具有射频信号输入接口011、射频信号输出接口012、电源接口013以及遥测信号接口014，所述导航用大功率固态功放的寿命评估系统包括：
恒温平台101，试验时，所述导航用大功率固态功放001放置于所述恒温平台101上，所述恒温平台101用于调节温度，以保证试验过程中所述导航用大功率固态功放001达到指定温度。所述恒温平台101包括散热板、风扇以及保温罩，其中，散热板用于产生热量，使得所述恒温平台101的温度升高，风扇用于降低所述恒温平台101的温度，通过散热板及风扇的配合，使得所述恒温平台101达到指定温度，然后通过保温罩维持所述恒温平台101的温度。在本发明的一个实施例中，所述风扇的风速可调；
信号源102，与所述导航用大功率固态功放001的射频信号输入接口011连接，用于为所述导航用大功率固态功放001提供射频信号，以激活所述导航用大功率固态功放001；
测量设备，与所述导航用大功率固态功放001的射频信号输出接口012连接，用于在试验过程中测量所述导航用大功率固态功放001的性能参数；在本发明的一个实施例中，所述测量设备包括功率计131及频谱仪132。所述导航用大功率固态功放001的射频信号经由耦合器133耦合成两路，其中一路经由功率头134连接至所述功率计131，另一路经衰减器135衰减后，发送至频谱仪132；
电源104，与所述导航用大功率固态功放001的电源接口013连接，用于为所述导航用大功率固态功放001提供电力；以及
计算机105，通过通用接口总线GPIB与所述信号源102、所述测量设备以及所述电源104连接，并与所述导航用大功率固态功放001的遥测信号接口014连接，用于获取和分析试验数据，以判断所述导航用大功率固态功放001是否出现退化现象。
图2示出本发明一个实施例的一种导航用大功率固态功放寿命评估方法的流程示意图。如图2所示，一种导航用大功率固态功放的寿命评估方法，包括：
步骤201，确定退化模型。根据所述导航用大功率固态功放的特性，选取退化模型；由于导航用大功率固态功放为微波件，属于电子产品，因此其退化试验主要是以温度为应力，经过比较，在本发明的一个实施例中，选取了阿仑尼乌斯(Arrhenius)模型作为退化模型；
步骤202，确定试验参数。基于所述退化模型以及所述导航用大功率固态功放的元器件的性能参数，确定退化试验的试验参数：
确定激活能取值：根据美军标MIL-HDBK-338B《电子设备可靠性设计手册》和欧空局标准文件ECSS-Q-HB-30-01A《最坏情况分析》中对各种电子元器件的激活能给出的取值，以及固态功放的部分元器件生产单位进行的三温加速寿命试验所得到器件的激活能值确定退化试验的激活能取值，表1示出了固态功放的部分元器件的激活能取值，在本发明的一个实施例中，根据表1所述数据以及试验星阶段可靠性专项的研究成果，最终，退化试验的激活能取值为0.8eV；
表1
确定加速应力：为保证器件结温不超过可靠性允许的极限温度，以避免失效机理发生变化，在本发明的一个实施例中，参考固态功放鉴定的试验温度70℃，同时根据功率管结温和固放腔体温度的温差，最终选取75℃作为加速应力温度，在保持高温应力的条件下保证产品不会过应力；以及
确定加速因子：根据北斗三号组网星实际在轨温度条件，B1固态功放需满足在轨45℃下连续工作10年的寿命要求，在本发明的一个实施例中，根据如下方法确定加速因子τ：
其中，L1表示加速应力T1作用下器件寿命，选取T1为75℃，L0表示正常应力T0作用下器件寿命，根据导航卫星的性能指标，T0＝45℃，
其中MTTF为器件的平均寿命，λ为失效率，其根据GB5080国家标准中对可靠性测定试验的点估计所规定的方法，满足：
其中，β为使用风险率，根据总体要求和样本数等条件综合考虑，试验中取值60％，γ为失效数，试验中一般为0，t※为试验累计时间，则有：
最终，计算得到：
L1≥7075h；
步骤203，进行退化试验。进行退化试验，并在试验过程中和实验前后进行性能参数的测试。在本发明的一个实施例中，采用抽样方式从北斗三号组网星M21/M22星同批生产的B1固态功放中抽取一件进行退化试验，直至所述导航用大功率固态功放出现退化现象，记录试验时长；以及
步骤204，寿命评估。根据所述试验时长以及所述退化模型，评估所述导航用大功率固态功放的寿命。在本发明的一个实施例中，进行了7800小时退化试验，表2示出了主要参数取值，根据退化模型进行寿命计算如下：
| 序号 | 参数 | 代号 | 取值 | 备注 |
| 1 | 激活能 | E<sub>a</sub> | 0.8eV | |
| 2 | 加速应力 | T<sub>1</sub> | 75℃ | |
| 3 | 正常应力 | T<sub>0</sub> | 45℃ | |
| 4 | 失效数 | γ | 0 | |
| 5 | 置信度 | / | 60％ | |
| 6 | 加速寿命时间 | L1 | 4500h |
表2
1.假设正常应力为45℃，则：
2.根据如图3所示的M7卫星B1/B2/B3固态功放在轨条件下一个月的温度变化数据，可以看出固态功放在轨温度具有明显周期性，由于三种固态功放的卫星平台安装位置，以及热耗的不同，其温度值有一定变化，但最高工作温度低于40℃，则根据实际在轨工作进行寿命评估，有：
由于固态功放在轨正常工作温度都在40℃以下，因此目前的退化试验时间可以推算固态功放在轨工作寿命为19.18年，但按照退阿虎试验方案，工作温度45℃计算，可以推算固态功放工作寿命大于12.03年。均满足导航卫星的需求。
尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。
Claims (8)
1.一种导航用大功率固态功放的寿命评估系统，其特征在于，包括：
恒温平台，所述恒温平台被配置为放置所述导航用大功率固态功放并使其达到试验所需温度，所述恒温平台包括：
散热板，其被配置为产生热量，提高所述恒温平台的温度；
风扇，其被配置为降低所述恒温平台的温度；以及
保温罩，其被配置为维持所述恒温平台的温度；
信号源，与所述导航用大功率固态功放的射频信号输入接口连接，所述信号源被配置为为所述导航用大功率固态功放提供射频信号，以激活所述导航用大功率固态功放；
测量设备，与所述导航用大功率固态功放的射频信号输出接口连接，所述测量设备被配置为在试验过程中测量所述导航用大功率固态功放的性能参数；以及
计算机，通过通用接口总线GPIB与所述信号源及所述测量设备连接，并与所述导航用大功率固态功放的遥测信号接口连接，所述计算机被配置为获取和分析试验数据。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括电源，所述电源与所述导航用大功率固态功放的电源接口连接，并通过GPIB连接至所述计算机。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述风扇的风速可调。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测量设备包括功率计及频谱仪，所述导航用大功率固态功放的射频信号经由耦合器耦合成两路，其中一路经由功率头发送至所述功率计，另一路经衰减器衰减后，发送至频谱仪。
5.一种导航用大功率固态功放的寿命评估方法，其特征在于，包括步骤：
根据所述导航用大功率固态功放的特性，确定退化模型；
基于所述退化模型以及所述导航用大功率固态功放的元器件的性能参数，确定退化试验的试验参数；
进行退化试验，直至所述导航用大功率固态功放出现退化现象，记录试验时长；以及
根据所述试验时长以及所述退化模型，评估所述导航用大功率固态功放的寿命。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述退化模型为阿仑尼乌斯模型，以温度为应力。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述试验参数包括试验温度、加速因子以及激活能。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述导航用大功率固态功放的元器件包括GaN器件、GaAs器件、Si器件、电阻以及电容。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200710 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |