CN117538721A - 一种宇航应用的核心微波放大器芯片应用验证系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种宇航应用的核心微波放大器芯片应用验证系统及方法，属于电子技术领域。本发明的应用验证方法和系统，结合了器件固有的特点和宇航应用需求，构建了针对微波放大器的应用验证的全套方法和系统，可满足微波放大器宇航应用验证的需求。本发明针对微波放大器的固有特性、工艺特点和常见失效模式制定的针对性试验，如针对放大器自激振荡设计了稳定性评价、针对氢效应设计了耐氢能力评价、针对输出失配引起功率反射设计了抗失配能力评价、针对各工况对寿命的影响设计了寿命评估，确保验证的高效性和针对性。
Description
技术领域
本发明涉及一种宇航应用的核心微波放大器芯片应用验证系统及方法，属于电子技术领域。
背景技术
微波放大器作为一种重要的微波器件，被广泛应用到雷达、电子对抗和遥测遥感收发系统等领域，用于对微波信号的放大。近年来，随着集成电路的发展，微波放大器已逐渐以裸芯片形态集成在TR组件等收发系统中。由于其宇航应用过程中不可拆卸替换，且若发生失效或性能下降，会对航天器收发功能产生致命影响，因此宇航用核心微波放大器裸芯片需要具有非常高的可靠性。同时，由于核心微波放大器芯片集成度高、且在质量保证过程中不易剔除。因此，在其正式应用到航天器前，需要进行一系列针对性的应用验证。
近年，随着国产化的大力推进，对于国产化微波放大器裸芯片替代引进产品的应用验证工作压力巨大。然而却没有一整套可以全面参考的验证方法和系统，导致验证试验不够全面充分，验证效率低下等问题。因此，对于开发一种宇航用核心微波放大器裸芯片应用验证方法和系统的需求迫在眉睫。
在此之前，对于微波放大器的应用验证存在如下问题：1、无针对微波放大器的完整的应用验证方法，往往是零散的针对某一特定的失效模式或质量问题，针对放大器的应用验证指标也仅限于某一个或者几个特定用户，不够全面和通用；2、在验证实施时针对不同的试验需要反复安装样品、连接不同仪器设备搭建不同的测试和试验平台，效率低下的同时容易出现各种错误；3、未针对微波放大器存在的常见固有失效模式进行验证。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于宇航应用的核心微波放大器裸芯片的应用验证方法和配套应用验证系统，全面的、针对性的、高效的对宇航用裸芯片核心微波放大器裸芯片进行应用验证。
本发明的技术解决方案是：一种宇航应用的核心微波放大器芯片的应用验证系统，包括上位机控制系统、微波验证设备集和微波验证工装；
上位机控制系统，根据宇航应用验证的需求和待验证放大器控制微波验证设备集中和微波验证工装对应的测试设备完成测试，并接收微波验证设备集和微波验证工装发送的微波测试总输入和微波测试总输出完成对测试结果的数据分析；
微波验证设备集，包括微波放大器应用验证试验中需要的测试设备，用于模拟不同宇航用户的应用外围匹配环境，同时接收上位机控制系统的控制指令，实现对不同测试需求的控制矩阵，并向微波验证工装发送微波测试总输入，并接收微波验证工装发送的微波测试总输出，对微波测试总输出与微波测试总输入的区别进行显示，同时将向微波测试总输入和微波测试总输出发送至上位机控制系统；
微波验证工装，用于提供多个验证对象的安装盒试验环境并根据接收的微波测试总输入对验证对象进行气氛环境试验、力学环境和温度环境试验以及对应的各项微波测试，并向微波验证设备集发送微波测试总输出。
进一步地，所述微波验证设备集包括输入匹配网络、输出匹配网络、开关矩阵、矢量网络分析仪、微波信号源、频谱分析仪、抗失配器、示波器；所述微波测试总输入为根据验证对象确定的不同类型的微波信号的集合；所述的微波测试总输出为微波测试总输入经过验证对象后产生的不同类型的微波信号的集合。
进一步地，所述矢量网络分析仪、微波信号源、频谱分析仪、抗失配器、示波器通过开关矩阵与输入匹配网络和输出匹配网络的一端连接，输入匹配网络和输出匹配网络的另一端连接微波验证工装。
进一步地，所述微波验证工装包括气氛密闭罩、微波验证矩阵切换工装、气氛控制台、MCU控制板卡、电源处理板卡、振动温度控制台；
气氛密闭罩，用于对验证对象和验证工装的承载；
微波验证矩阵切换工装，安装在气氛密闭罩内，用于安装多个验证对象，以实现同时对多个验证对象进行不同的微波测试和电学试验；
气氛控制台，用于接收MCU控制板卡的控制指令实现对验证对象进行气氛环境试验，通过注入氢气、并通过上位机控制系统监测器件参数指标变化情况来验证其耐氢能力，并将测试结果发送至微波验证设备集；
MCU控制板卡，用于接收上位机控制系统的控制指令，实现对气氛控制台和电源处理板卡的控制；
振动温度控制台，接收MCU控制板卡的控制指令，用于根据对验证样品进行力学环境和温度环境试验，并将测试结果发送至微波验证设备集；
电源处理板卡，接收MCU控制板卡的指令，并对验证对象供电。
进一步地，所述微波验证矩阵切换工装包括开关矩阵和若干作为验证对象的放大器工装。
进一步地，放大器工装均通过开关矩阵与微波验证设备集连接。
进一步地，所述电源处理板卡在工作时先提供负电再提供正电、完成验证后先关闭正电再关闭负电的保护电路，实现对验证对象的电保护。
根据所述的一种宇航应用的核心微波放大器芯片的应用验证系统实现的应用验证方法，包括：
将验证对象安装在微波验证矩阵切换工装中，根据预设测试规范以及验证对象微波放大器特性参数配置微波验证设备集合；
使用上位机控制系统控制微波验证设备集和微波验证工装，分别进行验证对象的直流参数和微波参数测试、工艺截止频率的稳定因子测试、工艺截止频率的频谱分析、耐氢测试、抗失配测试、各工况下的寿命测试、器件级热学环境测试、板级功能测试、板级电气环境测试、板级热力学环境测试，得到微波放大器裸芯片针对宇航应用时的验证结果。
进一步地，所述验证对象的直流参数和微波参数测试包括：上位机控制系统通过指令调用微波验证设备集，按预设条件对验证对象微波放大器在25℃、-55℃和+125℃下进行直流参数和微波参数测试，测试的参数包括增益、幅频、输出功率、输入输出驻波、1dB增益压缩点输出功率、功率附加效率；对参数进行判读，并计算各参数最大值、最小值、平均值和标准差，判别参数是否合格及参数的一致性；识别是否存在工作频带内的增益和输出功率的异常点，若存在则做出警示，并记录其存在的频点；
进一步地，所述工艺截止频率的稳定因子测试包括：上位机控制系统控制对验证对象微波放大器在25℃、-55℃和+125℃下分别由矢量网络分析仪进行覆盖验证对象芯片的工艺截止频率在10MHz至110GHz稳定因子测试；测试过程对工作电压在正负10％间扫描，提取并分析S2P文件；通过向上位机控制系统发送S2P文件，用于判定测试全频带内稳定性因子μ；若μ＞1，则全频带稳定，若存在μ≤1，则记录该位置频率，生成提示分析报告，供放大器的应用工程师参考；
进一步地，所述工艺截止频率的频谱分析包括：上位机控制系统控制对验证对象微波放大器的芯片在25℃、-55℃和+125℃下分别由频谱分析仪进行覆盖验证对象芯片的工艺截止频率10MHz至110GHz频段的频谱分析；测试过程对工作电压在正负10％间扫描，分别切换open模式、short模式和50Ωload模式三种负载，将测试得到的频谱发送至上位机控制系统，用于进行分析，并判定在测试条件下、管芯截止频段内是否存在异常频谱，导致对整机应用产生微波干扰，得出警示和分析报告；
进一步地，所述耐氢测试包括：将验证对象微波放大器的裸芯片组装完成后不封帽安装在验证矩阵切换工装内，上位机控制系统依次进行以下操作：依次对验证对象供负、正电；上位机控制系统发出指令先将验证矩阵切换工装底板温度升高到至150℃，工作电流和温度稳定3分钟后，控制关闭气氛保护罩；控制气氛控制台向密闭的微波验证设备集内逐渐注入氢气并监控内部氢气含量，10分钟内氢气浓度到达20000ppm后开始计时；计算机实时监控每只验证对象的工作电流并计算工作电流基于初始值ID0的变化率以及变化率到达10％的时间，若试验进行到300小时ID0的变化率均未到达10％，则试验停止；控制气氛控制台抽回氢气，打开气氛保护罩，将验证矩阵切换工装底板温度降为室温后依次关闭正、负电源；
进一步地，所述抗失配测试包括：由上位机控制系统控制抗失配器在频率在10MHz至110GHz，施加测试饱和输出功率参数的测试条件进行试验，扫描360°相位；回波损耗比分别在3:1、5:1、6:1、∞：1下进行测试；每次试验后进行增益、幅频、输出功率、输入输出驻波、1dB增益压缩点输出功率、功率附加效率微波参数测试；将测试结果发送至上位机控制系统，用于对测试结果进行计算和判定，若满足输出功率变化∣△Po∣≥1dB或增益变化∣△Gp∣≥1dB，或工作电流的变化率|ID0/ID0|≥10％，则器件功能失效；对应的失效前一步的失配比则为该验证对象的抗失配能力；
进一步地，所述各工况下的寿命测试：对微波验证设备集中电放大器进行升温，将微波验证设备集中的验证对象微波放大器分为三组，由上位机控制系统控制，分别对三组样品按照计算机设置分别三种强度的电压和电流的恒定功耗模式的方式施加寿命；每个温度点持续时间不少于4小时，交互调整间隔Step＝25℃；通过交互调整不断步进，直至管芯烧毁或出现其它失效模式；由上位机控制系统根据每组样品的寿命时间计算出对应的寿命，并对各工况下的芯片寿命情况进行分析和比较；
进一步地，所述器件级热学环境测试包括：对宇航应用的核心微波放大器芯片进行温度循环极限试验，最低温设置为-65℃，最高温设置为150℃，极限温度保持30min，循环次数100次，以100次循环进行步进，每次步进后恢复至常温测试器件工作电流和增益指标，累积循环200次或1只样品参数指标超差或失效，试验结束；
进一步地，所述板级功能测试包括：上位机控制系统通过指令调用微波验证设备集，控制输入输出匹配网络在各偏置模式下模拟不同用户的外围匹配条件，对验证对象微波放大器在25℃、-55℃和+125℃下进行直流参数和微波参数测试，包括增益、幅频、输出功率、输入输出驻波、1dB增益压缩点输出功率、功率附加效率；对参数进行判读；识别是否存在工作频带内的增益和输出功率的异常点，若存在则做出警示，并记录其存在的频点；
进一步地，所述板级电气环境测试包括：通过控制输入输出匹配网络在各偏置模式下模拟不同用户的外围匹配条件；上位机控制系统控制信号源对验证对象进行施加输入功率Pin＝-30dBm，输入功率1dBm为步进，拉偏至输入1dB压缩点附近，测试验证对象增益、幅频、输出功率、输入输出驻波、1dB增益压缩点输出功率、功率附加效率；将测试结果由返回上位机控制系统，生成测试曲线，并进行分析；
进一步地，所述板级热力学环境测试包括：上位机控制系统通过指令调用微波验证设备集矩阵，控制输入输出匹配网络在各偏置模式下模拟不同用户的外围匹配条件，对验证对象进行-40℃～+70℃，变温速率：3～5℃/min的变温测试，将测试结果反馈给检测的上位机控制系统进行处理，形成测试曲线和分析报告；依次按照设定好的量级对验证对象进行正弦振动、随机振动和冲击试验；每项试验结束后，上位机控制系统控制微波验证设备集对验证对象进行微波测试，生成测试分析报告。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、本发明的应用验证方法和系统，结合了器件固有的特点和宇航应用需求，构建了针对微波放大器的应用验证的全套方法和系统，可满足微波放大器宇航应用验证的需求。
2、本发明针对微波放大器的固有特性、工艺特点和常见失效模式制定的针对性试验，如针对放大器自激振荡设计了稳定性评价、针对氢效应设计了耐氢能力评价、针对输出失配引起功率反射设计了抗失配能力评价、针对各工况对寿命的影响设计了寿命评估，确保验证的高效性和针对性。
3、本发明的针对微波放大器的应用可靠性，集成了模拟实际应用的板卡电路，可在一定程度上覆盖用户的使用工况，完成板级应用验证工作。
4、单独利用该发明设计的应用验证系统，便可全面的、系统的、针对性的完成微波放大器的应用验证，得出验证对象的固有可靠性能力、固有可靠性与应用适应性和可靠性。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明中的宇航用核心微波放大器芯片应用验证系统；
图2为本发明中的宇航用核心微波放大器芯片应用验证方法示意框图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种基于宇航应用的核心微波放大器裸芯片的应用验证方法和配套应用验证系统做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括：上位机控制系统、微波验证设备集矩阵、微波验证矩阵切换工装、气氛密闭罩、气氛控制台、振动与温度控制台、MCU控制板和电源处理板卡。上位机控制系统的控制其它部分，根据宇航应用验证的需求和放大器的特点完成全套微波测试、电学试验和环境试验，并对测试结果进行数据分析。微波验证设备集矩阵在将微波参数测试需要的矢量网络分析仪、微波信号源、频谱分析仪、示波器等进行集合的同时，集成了输入匹配网络和输出匹配网络，可在一定程度上模拟不同宇航用户的应用外围匹配环境，同时兼具对不同测试需求的控制矩阵。多个验证对象安装在微波验证矩阵切换工装中，实现同时对多个验证对象进行不同微波测试和电学试验。气氛控制台根据型号应用环境和验证对象特点对其进行气氛环境试验。振动与温度控制台可根据对验证样品进行力学环境和温度环境试验。
在本申请实施例所提供的方案中，如图1所示，由上位机控制系统、微波验证设备集矩阵、微波验证矩阵切换工装、气氛控制台以及振动与温度控制台等部分组成。
1)上位机控制系统：由计算机和FPGA总控制系统相连构成，内部嵌入本专利设计预前设计完成的验证试验程序。同时，通过设备控制总线向微波验证设备集矩阵、气氛控制台、振动与温度控制台发出控制指令，并从微波验证切换矩阵中获取测试/试验数据。根据宇航应用验证的需求和放大器的特点完成全套微波测试、电学试验和环境试验，并对测试结果进行数据分析。上位机控制系统与微波验证设备集、上位机控制系统与微波验证工装之间通过串行控制总线进行互联和交互；设备控制交互采用GPIB(通用接口总线)、LAN(局域网)和RS232等接口进行交互，以仪器和设备控制语句为交互信息流。上位机发送控制指令，设备集接收到指令后进行相应的操作，并返回是否操作成功的信息及操作成功后的测试数据。微波器件控制交互采用RS232和SPI(串行外设接口)等接口进行交互，以十六进制数字为交互信息流。上位机发送控制指令，微波器件控制系统接收到指令后进行相应操作，并返回是否操作成功的信息。
2)微波验证设备集矩阵：由微波放大器应用验证试验中需要的测试设备组成矩阵，包括矢量网络分析仪、微波信号源、频谱分析仪、抗失配器、示波器等进行集合的同时，集成了输入匹配网络和输出匹配网络，可在一定程度上模拟不同宇航用户的应用外围匹配环境，同时兼具对不同测试需求的控制矩阵。
3)微波验证矩阵切换工装：多个验证对象安装在微波验证矩阵切换工装中，实现同时对多个验证对象进行不同微波测试和电学试验。
4)气氛控制台：由控制矩阵、氢气罐、氢气浓度监控表、安全防爆栓等装置组成。由于目前大部分GaAs、GaN微波放大器存在氢效应的失效模式，即在应用过程中随着氢气的不断渗入导致芯片参数恶化甚至失效。系统集成气氛控制台，对验证对象进行用气氛环境试验，通过气氛控制台注入氢气、并通过上位机控制系统监测器件参数指标变化情况来验证其耐氢能力。
5)振动与温度控制台：由MCU控制板卡、振动台、温控箱和中央电源处理板卡构成。可根据对验证样品进行力学环境和温度环境试验，并根据指令通过中央电源处理板卡对验证对象供电。
基于相同的发明构思，本发明还提供针对核心微波放大器芯片的应用验证试验方法，其方法见图2所示，包括：元器件级评价、板级验证评价以及综合评价。其中所述的元器件级评价包括功能性能验证、极限评估、寿命考核强化试验。其中所述的板级验证，包括板级功能性能验证、电气环境适应性验证以及热、力学环境适应性验证。其所述的方法具体包括以下步骤：
步骤1,将验证对象安装在微波验证矩阵切换工装中，按照详细规范输入验证对象微波放大器特性参数，包括推荐正、负工作电平和极限保护电平、频率范围、推荐和极限输入功率，并对微波验证设备集矩阵、微波验证矩阵、MCU控制板和电源处理板等其他部分的控制指令进行FPGA设置。
步骤2，进行元器件级功能性能分析，按照上文设置推荐条件对若干只验证对象微波放大器在常温、推荐最低工作温度、推荐最高工作温度下进行直流参数和微波参数测试，提取S2P文件，计算得出参数最大值、最小值、平均值和标准差，判别参数是否合格及参数的一致性；识别是否存在工作频带内的增益和输出功率的尖峰、毛刺等异常点，若存在则做出警示，并记录其存在的频点。
步骤3，放大器稳定因子测试、分析和判定：计算机控制对验证对象微波放大器在常温、推荐最低工作温度、推荐最高工作温度下分别由矢量网络分析仪进行稳定因子测试。要求测试频带覆盖验证对象微波放大器内部核心芯片的工艺截止频率，测试过程对工作电压在正负10％间扫描，提取并分析S2P文件；通过上位机控制系统对S2P文件进行分析，同时判定测试全频带内稳定性因子μ，若μ＞1，则全频带稳定，若存在μ≤1，则记录该位置频率，生成提示分析报告，供放大器的应用工程师参考；
步骤4，放大器稳定性频谱分析：上位机控制系统控制对验证对象微波放大器在常温、推荐最低工作温度、推荐最高工作温度下分别由频谱分析仪进行频谱分析。要求测试频带覆盖验证对象微波放大器内部核心芯片的工艺截止频率，测试过程对工作电压在正负10％间扫描，FPGA总控制系统自动控制切换open、short和50Ωload三种负载，由频谱分析仪测试得到的频谱，发送至上位机控制系统，对得到的测试频谱进行分析，并判定在测试条件下、管芯截止频段内是否存在异常频谱，导致对整机应用产生微波干扰，得出警示和分析报告；
步骤5，耐氢能力评价和分析，同时采用温度加速和氢气浓度加速的双应力加速寿命试验。包括如下步骤：
将验证对象开帽或组装完成后不封帽安装在验证矩阵切换工装内，上位机控制系统依次进行以下操作：控制电源处理板卡依次对验证对象供负、正电，计算机提示供电正常后监控电流；上位机控制系统发出指令先将工装底板温度升高到验证对象推荐最高工作温度，工作电流和温度稳定3分钟后(此时的工作电流作为初始值ID0)，MCU控制关闭透明的气氛保护罩；MCU控制气氛控制台向密闭的验证矩阵内缓慢注入氢气并监控内部氢气含量，到达一定浓度后开始计时，计算机实时监控每只验证对象的工作电流并计算工作电流基于初始值ID0的变化率以及变化率到达10％的时间，若试验进行到300小时ID0的变化率均未到达10％，则试验停止。MCU控制板控制气氛控制台缓慢抽回氢气，打开气氛保护罩，将工装底板温度降为室温后电源处理板卡依次关闭正、负电源。由计算机根据采集的数据和下面公式计算验证对象的寿命：
下面公式(1)表征器件寿命与氢气浓度的关系：
t＝APnexp(Ea/KT) (1)
式中t为工作电流降低10％的平均寿命(单位小时)；A是正常数；P为氢气分压；n为负常数；Ea称为激活能；K是玻尔兹曼常数(8.615×10-5)，T为环境温度(单位K)。
步骤6，抗失配能力评价和分析，由于放大器芯片在输出失配情况下，存在功率反射，会造成器件失效甚至造成外围电路烧毁，所以需要通过试验来考察器件能够承受多大的反射功率，为放大器整机应用电路设计和使用提供参考。本系统采用来实现。包括如下步骤：由上位机控制系统控制抗失配器在推荐的频率点，施加测试饱和输出功率参数的测试条件进行试验，扫描360°相位。回波损耗比不同在条件下进行测试。每次试验后进行微波参数测试。由计算机计算和判定，若超出输出功率变化、增益变化、工作电流的变化范围要求，则器件功能失效。对应的失效前一步的失配比则为该验证对象的抗失配能力。
步骤7，各工况下的寿命评估和分析，针对不同偏置下放大器的失效机理和寿命，寿命评估和分析包括如下步骤：由MCU控制板卡对验证矩阵中电放大器进行升温，将验证矩阵中的验证对象放大器分为三组，由上位机控制系统控制的FPGA总控制器对三组样品按照计算机设置分别低压大电流、中压中电流和高压小电流的恒定功耗模式的方式施加寿命。每个温度点持续时间≥4h，然后由上位机控制系统和MCU控制板卡交互发出指令调整Tc，Step＝25℃；通过Tc不断步进，直至管芯烧毁或出现其它失效模式。在此过程中由MCU控制监控各验证对象的温度，同时FPGA总线监控电流，若出现类似热崩现象(例如在0.5小时内无法稳定，栅流持续快速增加等)，有可能是热耗密度超过了极限散热能力(芯片的散热能力随着温度的增加而降低)，上位机控制系统调用指令通过调整热耗的试验来进行比对判定。从而防止在试验过程中因试验条件不当造成的误判。
步骤8，器件级热学环境适应性评价和分析：由上位机控制系统发送指令，MCU控制板卡控制依次控制温箱系统，完成对验证对象的温度循环试验，每组循环结束后进行微波参数测试，并将结果发送给计算机，生成测试曲线和试验报告。
步骤9，板级功能性能评价和分析：通过上位机控制系统调整输入匹配网络和输出匹配网络，将设置为不同用户的外围匹配条件，按照上文设置推荐条件启动电源处理板卡和微波测试设备集矩阵，对若干只验证对象微波放大器在常温、推荐最低工作温度、推荐最高工作温度下进行直流参数和微波参数测试，提取S2P文件。
步骤10，板级电气环境应用可靠性验证。通过控制输入输出匹配网络在各偏置模式下模拟不同用户的外围匹配条件，MCU控制电源处理板卡，以推荐电源电压为基准，电源电压按照±10％对称拉偏，测试验证对象的板级微波参数，验证芯片的板级电学适应性；上位机控制信号源对验证对象进行输入功率拉偏，输入功率从推荐的小信号输入功率值拉偏至输入1dB压缩点附近，测试验证对象的板级微波参数，验证芯片板级在不同输入功率下的功能性能适应能力；
步骤11，板级热、力学环境验证和分析。通过控制输入输出匹配网络在各偏置模式下模拟不同用户的外围匹配条件，对验证对象进行温度循环测试、正弦振动、随机振动和冲击试验，计算机系统生产测试曲线和分析报告；
步骤12，综合评价，综合元器件级与板级的验证评价结果，根据各项验证项目所占的比重，综合给出微波放大器裸芯片针对宇航应用时的综合评价结果。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (9)
1.一种宇航应用的核心微波放大器芯片的应用验证系统，其特征在于，包括上位机控制系统、微波验证设备集和微波验证工装；
上位机控制系统，根据宇航应用验证的需求和待验证放大器控制微波验证设备集中和微波验证工装对应的测试设备完成测试，并接收微波验证设备集和微波验证工装发送的微波测试总输入和微波测试总输出完成对测试结果的数据分析；
微波验证设备集，包括微波放大器应用验证试验中需要的测试设备，用于模拟不同宇航用户的应用外围匹配环境，同时接收上位机控制系统的控制指令，实现对不同测试需求的控制矩阵，并向微波验证工装发送微波测试总输入，并接收微波验证工装发送的微波测试总输出，对微波测试总输出与微波测试总输入的区别进行显示，同时将向微波测试总输入和微波测试总输出发送至上位机控制系统；
微波验证工装，用于提供多个验证对象的安装盒试验环境并根据接收的微波测试总输入对验证对象进行气氛环境试验、力学环境和温度环境试验以及对应的各项微波测试，并向微波验证设备集发送微波测试总输出。
2.根据权利要求1所述的一种宇航应用的核心微波放大器芯片的应用验证系统，其特征在于，所述微波验证设备集包括输入匹配网络、输出匹配网络、开关矩阵、矢量网络分析仪、微波信号源、频谱分析仪、抗失配器、示波器；所述微波测试总输入为根据验证对象确定的不同类型的微波信号的集合；所述的微波测试总输出为微波测试总输入经过验证对象后产生的不同类型的微波信号的集合。
3.根据权利要求2所述的一种宇航应用的核心微波放大器芯片的应用验证系统，其特征在于，所述矢量网络分析仪、微波信号源、频谱分析仪、抗失配器、示波器通过开关矩阵与输入匹配网络和输出匹配网络的一端连接，输入匹配网络和输出匹配网络的另一端连接微波验证工装。
4.根据权利要求1所述的一种宇航应用的核心微波放大器芯片的应用验证系统，其特征在于，所述微波验证工装包括气氛密闭罩、微波验证矩阵切换工装、气氛控制台、MCU控制板卡、电源处理板卡、振动温度控制台；
气氛密闭罩，用于对验证对象和验证工装的承载；
微波验证矩阵切换工装，安装在气氛密闭罩内，用于安装多个验证对象，以实现同时对多个验证对象进行不同的微波测试和电学试验；
气氛控制台，用于接收MCU控制板卡的控制指令实现对验证对象进行气氛环境试验，通过注入氢气、并通过上位机控制系统监测器件参数指标变化情况来验证其耐氢能力，并将测试结果发送至微波验证设备集；
MCU控制板卡，用于接收上位机控制系统的控制指令，实现对气氛控制台和电源处理板卡的控制；
振动温度控制台，接收MCU控制板卡的控制指令，用于根据对验证样品进行力学环境和温度环境试验，并将测试结果发送至微波验证设备集；
电源处理板卡，接收MCU控制板卡的指令，并对验证对象供电。
5.根据权利要求4所述的一种宇航应用的核心微波放大器芯片的应用验证系统，其特征在于，所述微波验证矩阵切换工装包括开关矩阵和若干作为验证对象的放大器工装。
6.根据权利要求5所述的一种宇航应用的核心微波放大器芯片的应用验证系统，其特征在于，放大器工装均通过开关矩阵与微波验证设备集连接。
7.根据权利要求4所述的一种宇航应用的核心微波放大器芯片的应用验证系统，其特征在于，所述电源处理板卡在工作时先提供负电再提供正电、完成验证后先关闭正电再关闭负电的保护电路，实现对验证对象的电保护。
8.根据权利要求4～7任一项所述的一种宇航应用的核心微波放大器芯片的应用验证系统实现的应用验证方法，其特征在于，包括：
将验证对象安装在微波验证矩阵切换工装中，根据预设测试规范以及验证对象微波放大器特性参数配置微波验证设备集合；
使用上位机控制系统控制微波验证设备集和微波验证工装，分别进行验证对象的直流参数和微波参数测试、工艺截止频率的稳定因子测试、工艺截止频率的频谱分析、耐氢测试、抗失配测试、各工况下的寿命测试、器件级热学环境测试、板级功能测试、板级电气环境测试、板级热力学环境测试，得到微波放大器裸芯片针对宇航应用时的验证结果。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述验证对象的直流参数和微波参数测试包括：上位机控制系统通过指令调用微波验证设备集，按预设条件对验证对象微波放大器在25℃、-55℃和+125℃下进行直流参数和微波参数测试，测试的参数包括增益、幅频、输出功率、输入输出驻波、1dB增益压缩点输出功率、功率附加效率；对参数进行判读，并计算各参数最大值、最小值、平均值和标准差，判别参数是否合格及参数的一致性；识别是否存在工作频带内的增益和输出功率的异常点，若存在则做出警示，并记录其存在的频点；
所述工艺截止频率的稳定因子测试包括：上位机控制系统控制对验证对象微波放大器在25℃、-55℃和+125℃下分别由矢量网络分析仪进行覆盖验证对象芯片的工艺截止频率在10MHz至110GHz稳定因子测试；测试过程对工作电压在正负10％间扫描，提取并分析S2P文件；通过向上位机控制系统发送S2P文件，用于判定测试全频带内稳定性因子μ；若μ＞1，则全频带稳定，若存在μ≤1，则记录该位置频率，生成提示分析报告，供放大器的应用工程师参考；
所述工艺截止频率的频谱分析包括：上位机控制系统控制对验证对象微波放大器的芯片在25℃、-55℃和+125℃下分别由频谱分析仪进行覆盖验证对象芯片的工艺截止频率10MHz至110GHz频段的频谱分析；测试过程对工作电压在正负10％间扫描，分别切换open模式、short模式和50Ωload模式三种负载，将测试得到的频谱发送至上位机控制系统，用于进行分析，并判定在测试条件下、管芯截止频段内是否存在异常频谱，导致对整机应用产生微波干扰，得出警示和分析报告；
所述耐氢测试包括：将验证对象微波放大器的裸芯片组装完成后不封帽安装在验证矩阵切换工装内，上位机控制系统依次进行以下操作：依次对验证对象供负、正电；上位机控制系统发出指令先将验证矩阵切换工装底板温度升高到至150℃，工作电流和温度稳定3分钟后，控制关闭气氛保护罩；控制气氛控制台向密闭的微波验证设备集内逐渐注入氢气并监控内部氢气含量，10分钟内氢气浓度到达20000ppm后开始计时；计算机实时监控每只验证对象的工作电流并计算工作电流基于初始值ID0的变化率以及变化率到达10％的时间，若试验进行到300小时ID0的变化率均未到达10％，则试验停止；控制气氛控制台抽回氢气，打开气氛保护罩，将验证矩阵切换工装底板温度降为室温后依次关闭正、负电源；
所述抗失配测试包括：由上位机控制系统控制抗失配器在频率在10MHz至110GHz，施加测试饱和输出功率参数的测试条件进行试验，扫描360°相位；回波损耗比分别在3:1、5:1、6:1、∞：1下进行测试；每次试验后进行增益、幅频、输出功率、输入输出驻波、1dB增益压缩点输出功率、功率附加效率微波参数测试；将测试结果发送至上位机控制系统，用于对测试结果进行计算和判定，若满足输出功率变化∣△Po∣≥1dB或增益变化∣△Gp∣≥1dB，或工作电流的变化率|ID0/ID0|≥10％，则器件功能失效；对应的失效前一步的失配比则为该验证对象的抗失配能力；
所述各工况下的寿命测试：对微波验证设备集中电放大器进行升温，将微波验证设备集中的验证对象微波放大器分为三组，由上位机控制系统控制，分别对三组样品按照计算机设置分别三种强度的电压和电流的恒定功耗模式的方式施加寿命；每个温度点持续时间不少于4小时，交互调整间隔Step＝25℃；通过交互调整不断步进，直至管芯烧毁或出现其它失效模式；由上位机控制系统根据每组样品的寿命时间计算出对应的寿命，并对各工况下的芯片寿命情况进行分析和比较；
所述器件级热学环境测试包括：对宇航应用的核心微波放大器芯片进行温度循环极限试验，最低温设置为-65℃，最高温设置为150℃，极限温度保持30min，循环次数100次，以100次循环进行步进，每次步进后恢复至常温测试器件工作电流和增益指标，累积循环200次或1只样品参数指标超差或失效，试验结束；
所述板级功能测试包括：上位机控制系统通过指令调用微波验证设备集，控制输入输出匹配网络在各偏置模式下模拟不同用户的外围匹配条件，对验证对象微波放大器在25℃、-55℃和+125℃下进行直流参数和微波参数测试，包括增益、幅频、输出功率、输入输出驻波、1dB增益压缩点输出功率、功率附加效率；对参数进行判读；识别是否存在工作频带内的增益和输出功率的异常点，若存在则做出警示，并记录其存在的频点；
所述板级电气环境测试包括：通过控制输入输出匹配网络在各偏置模式下模拟不同用户的外围匹配条件；上位机控制系统控制信号源对验证对象进行施加输入功率Pin＝-30dBm，输入功率1dBm为步进，拉偏至输入1dB压缩点附近，测试验证对象增益、幅频、输出功率、输入输出驻波、1dB增益压缩点输出功率、功率附加效率；将测试结果由返回上位机控制系统，生成测试曲线，并进行分析；
所述板级热力学环境测试包括：上位机控制系统通过指令调用微波验证设备集矩阵，控制输入输出匹配网络在各偏置模式下模拟不同用户的外围匹配条件，对验证对象进行-40℃～+70℃，变温速率：3～5℃/min的变温测试，将测试结果反馈给检测的上位机控制系统进行处理，形成测试曲线和分析报告；依次按照设定好的量级对验证对象进行正弦振动、随机振动和冲击试验；每项试验结束后，上位机控制系统控制微波验证设备集对验证对象进行微波测试，生成测试分析报告。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117949818A (zh) * | 2024-03-27 | 2024-04-30 | 天津职业技术师范大学(中国职业培训指导教师进修中心) | 一种基于fpga的通用mcu芯片功能验证系统及方法 |
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2023
- 2023-08-31 CN CN202311122065.9A patent/CN117538721A/zh active Pending
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