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面向太空应用设计:射频/微波器件的可靠性是关键

发布时间:2015-04-10 浏览次数:3790

太空,对众多射频/微波公司来说是极具挑战性的市场。例如,作为通信链路一部分的在轨卫星中使用的元件在卫星预期寿命内不能失效,而这个寿命通常是10年或更长。毕竟在那种环境下是没法“打电话”喊人去维修的。除了高可靠性外,性能也必须具有最高水准,在至少十年时间内尽量减小性能的劣化(见图)。

在为太空应用设计任何射频/微波元件或子系统时确保可靠性是很重要的一步,但这只是电子器件可以认为是“合格太空”品之前必须满足的许多要求中的一个。致力于销售太空产品的公司首先必须确保他们的制造设施满足生产太空品质元件的要求——通常要满足针对商用和政府太空飞行设备制订的MIL-PRF- 38534 Class K标准所详细描述的一系列要求。MIL-PRF-38534 Class K文件也适合用作美国国防部(DoD)和其它政府机构使用的微电路和多芯片模块(MCM)的军用规范。

NASA技术人员正在评估电子材料重返大气层时的温度效应

但是,MIL-PRF-38534 Class K只是有兴趣研制太空级元件的公司需要遵循的众多文件或规范之一。由于销售太空产品的大多数公司一般确实也设计和制造军用和航空器件,因此想服务两个市场的公司通常遵循许多不同的规范指南,包括军用标准MIL-STD-202、MIL-STD-883、MIL-STD-790、MIL-STD-1344以及多种NASA文件。

举例来说,MIL-STD-202标准覆盖了振动、热冲击和机械冲击等内容,而MIL-STD-883详细描述了盐雾试验、测试特征、浸泡、大气压力和冲击。事实上,其中许多标准也许更适合海上应用。但由于太空应用的可靠性要求是如此之高,以致于需要多种军事标准的组合才能保证元件或组件可以用于外层太空。

例如,SV Microwave是一家太空品质射频/微波连接器和元件的供应商。该公司的工艺和系统满足MIL-STD-202、MIL-STD-790和MIL- STD-1344要求,并且针对可能影响到太空中的可靠性甚至地面上的一些关键要求的许多参数会进行高可靠性(hi-rel)筛选。所筛选的参数包括元件和组件中的接触应力、分离力、可焊性、电镀粘着力等。另外,公司建有一个经认证的破坏性物理分析(DPA)实验室,专门用于评估太空品质的产品。在产品交付之前,公司可以提供任何关键可靠性参数的归档化验证材料,这些参数包括粘着力、同轴接触保持力、接触接合和分离力、可焊性、接点破坏扭矩、点胶粘力等,并实施全方位的设计检查和验证。

想要销售太空产品的任何公司都需要对实验室设备作出大量投资,并且要学会正常使用这些设备。例如,卫星元件与组件供应商MITEQ拥有5间Class 100,000洁净室和2间Class 10,000洁净室,因此能够制造军用和高可靠性太空应用所需的元件与组件。除了正确筛选与测试所需的电气与环境测试设备外,准备在太空中使用的射频/微波元件中采用的每个电路单元都必须加以仔细斟酌。例如,作为晶振一部分的元件必须满足政府的认证产品列表(QPL)设立的要求。换句话说,当合适的筛选过程无法获得特殊电路单元时,它们必须通过使用规范受控绘图(SCD)进行高级筛选。

军用级器件对一些太空应用来说可能足够了。举个例子:对于晶体振荡器来说,针对MIL-PRF-55342军用要求筛选出的片状电阻和针对MIL- PRF-55681要求筛选出的片状电容完全可以用在军用电路中,它们也可以为太空设计提供高可靠性。但是,当太空用户专门提出太空要求时,就必须使用最高可靠性的器件时,如T级电阻和S级电容(这也是最昂贵的电路单元)。

虽然太空元件的可靠性要求很容易与军用电子系统所需的性能联系在一起,但许多太空设备事实上是商业用途。比如用于提供商业广播电视服务、电话服务、计算机网络以及其它高速数字服务(包括Direct TV、EchoStar和Globalstar)的许多卫星通信(satcom)系统,更不用说经常用于获取位置信息的全球定位系统(GPS)卫星了。为了了解成千上百颗正在服役或接近退役的地球在轨卫星的运行状态,今年夏天发射了EchoStar XVII卫星。这些飞行器的轨道有着不同的高度,这些高度有许多不同的名词定义,包括地球低轨(LEO)卫星和地球中轨(MEO)卫星等。

制造太空用的元件(如晶振)要求使用正确的材料,并遵循正确的规范。使用标准化的电路单元和器件——比如QPL、NASA器件精选清单、NASA Goddard太空飞行中心(GSFC)优选器件清单(针对太空辐射效应进行了筛选)等清单——有助于缩短可靠性验证过程,但这样做也会增加制造成本。用于太空的元件成本远远超过地面上使用的商用或军用元件的成本。

当然,可以在太空使用的射频/微波元件在外观上与商用元件没有任何区别,但这些元件已经通过了更加严格的测试与检验。这些元件必须使用太空品质的材料制造,即使是元件内部的电路单元也必须经过太空应用认证。比如具有太空品质的温控晶体振荡器(OCXO)——来自TRAK Microwave公司的OSC029,已经通过太空认证具有至少10年的在轨工作寿命,它的性能已被表征为超过10年周期。这种S级OCXO工作在10.3GHz,10年中具有±1.2ppm的长期稳定度,并且具有典型-95dBc的优异杂散性能。距载波偏移2kHz处的相位噪声只有-95dBc/Hz.这种元件是专门针对太空环境设计的,其基板的额定工作温度范围是从-15℃至+65℃。

许多太空级元器件供应商经常炫耀成功的太空应用记录,并以此作为产品百分之百可靠的凭证。比如Dow-Key Microwave公司就经常提及其太空产品的辉煌历史及在专门机构中的应用,据称目前为止零故障。自从1970年提供太空品质的同轴和波导开关以来,该公司在100多个不同的太空计划中提供了150多种不同的产品设计,其中无一例故障。同样,Teledyne Cougar公司拥有向太空任务提供元件的22年光荣历史,而且通过了MIL-PRF-38534 Class K标准认证。公司以此作为产品可靠的保证。Anaren Microwave和ARRA公司则分别是微型无源器件和波导组件的供应商,他们也拥有太空级元件制造商的强大光环。这两家公司据称拥有40多年的太空产品供应史,而且从未发生过任何故障。

W.L. Gore Associates公司从1976年以来已经向超过70个卫星项目提供电缆组件,并且拥有100%无故障飞行记录的傲人成绩。公司专门设计和制造恶劣的太空环境中使用的同轴电缆组件,使用的是具有高度抗辐射能力的太空飞行认证材料。EMC Technology公司还创建了可以从该公司网站上免费下载的太空级产品工作参考表格,太空用户可以通过这个表格浏览三种不同的选项,从而筛选出满足太空级要求的元件定单。

最后,鉴于太空级元件和组件的高昂价格,一些公司也设法在不牺牲可靠性的条件下帮助太空级用户降低成本。Merrimac Industries是一家提供从功率分配器到用于太空平台的完整波束成形网络的供应商,公司开发了一项被称为Merrimac太空品质产品(MSQP)的计划。MSQP计划的目的是要降低获取太空用射频/微波元件的复杂性。这项计划建立在为大量系统设计和交付高可靠性的军用和太空品质元件基础上,而且这些元件已经拥有完整的证明和筛选级数据。事实上,公司已经建立了一份经过太空品质认证的“标准”元件清单。客户可以从MSQP清单中选择合适的器件,或者在MSQP设计、工艺、认证和筛选标准基础上让Merrimac为他们需要的元件制定一个规范。

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