一种有源相控阵天线寿命试验技术

赵旭昊，王晓，郭庆，邢英，糜健

（南京电子技术研究所，江苏 南京 210013）

0 引言

有源相控阵天线完成发射信号的功率放大并向指定空域辐射电磁能量，对回波信号进行接收和放大，具有波束扫描能力。有源相控阵天线的工作寿命和可靠性均较高，贮存寿命和使用寿命通常都比较长，但是要评估有源相控阵天线的寿命比较困难。传统的寿命试验技术通常在预先约定的试验条件下进行，其试验基准温度采用试验条件规定的上下限，被测天线在工作温度下长期工作，获取长期工作的统计数据，进而推算出被测天线寿命。采用这种实验方法能够获取有效的寿命试验数据，但是周期过长，长期工作耗费人力物力，天线研制周期难以接受。

美国罗姆航空研发中心（RADC：Rome Air Development Center）于1967年提出加速寿命试验[1-5]（ALT：Accelerated Life Test），采用阿伦尼斯（Arrhenius）模型[6]、艾林（Eyring）模型等典型的反应速度论模型，对超出正常应力的加速环境下获得的信息进行转换，用来验证设计质量和制造质量，已成为行业标准验证手段。采用加速寿命试验技术，能够短期内快速地发现所研制产品的质量隐患，而采取传统的寿命试验技术，周期过长，质量隐患发现偏晚。通过了加速寿命验证的研制产品的故障率能够大幅度地降低[7]。采用加速寿命试验技术，强化环境试验条件，增大应力，能够在不改变研制产品失效机理的前提下，比如在基准环境温度的上限基础上提高工作温度、工作电压等。增大温度和电压等应力后能够使得研制产品加速失效，在较短的时间内获得必需的试验数据，评估研制产品在正常应力下的寿命。综上所述，采用加速寿命试验技术，能够大幅度地提高试验效率，缩短研制周期。

1 加速寿命试验技术

1.1 加速寿命试验模型

被测天线失效的原因有老化、腐蚀、磨损和疲劳等。当有害因素累积到一定的程度就会导致天线失效。典型模型包括阿伦尼斯（Arrhenius）模型[1]、艾林（Eyring）模型等[7-9]。

1.1.1 阿伦尼斯（Arrhenius）模型

阿伦尼斯（Arrhenius）模型描述的是被测件的寿命与温度应力之间的关系[10]，其表达式如下：

式（1）中：L——被测天线的寿命、特征寿命；

V——未加速应力，采用温度应力就是指绝对温度；

B、C——待估参数。

其中：

根据：

式（3）和式（4）联合就可以求出温度T相对于温度T0的加速系数，即：

式（5）中：T——绝对温度，单位为K；

Ea——激活能，单位为eV；

K——玻尔兹曼常数，等于8.617 1×10-5eV/K。

1.1.2 艾林（Eyring）模型

艾林模型基于量子力学推导而来，它表征了被测天线失效速率与温度引起的物理和化学反应速率相关，即：

上述2种模型是最典型的温度加速模型。采用对数进行线性变换就可以得到线性模型。评估温度较为方便。

上面两种线性模型可统一为：

式（7）中：θ——母体参数；

a，b——待沽常数。

1.2 模型参数的选取

阿伦尼斯模型更适用于温度应力作为加速应力，首先评估激活能，由于无法直接获得有源相控阵天线的激活能，有源相控阵天线由多个品种的单机组成，而单机内部元器件的失效往往由其中可靠性最低的半导体器件决定。

相控阵天线易失效的器件是半导体功率器件、集成电路，ECSS-Q-30-01提供的半导体器件Ea典型值为：1.1。单机激活能取Ea=1.1 eV。

1.3 寿命加速因子

加速因子定义为正常工作温度下被测天线的寿命L0与提高工作温度后被测天线的寿命L1之比：

得到阿伦尼斯模型的加速因子为：

无论被测天线是否最终失效，只要被测天线的退化量相同即可。对于长寿命的有源相控阵天线，在设计的工作寿命时间内很少出现失效。采用加速寿命试验技术可以基于产品的性能参数或者特征量退化数据对产品的寿命数据进行评估。得出结论：如果被测件的性能参数或者特征量退化不超过某个阈值，则认为被测件能够满足工作寿命内性能参数要求[10-11]。

2 实例

2.1 来源

某有源相控阵天线设计寿命为10年，采用小规模相控阵天线阵面进行寿命试验验证。

2.2 参数计算和寿命周期计算结果

加速寿命试验温度应力选取的原则是不改变被测天线的失效机理[3，11-14]，即在提高温度应力条件下的失效机理与正常工作温度下的失效机理要保持一致。如果选择过高的温度应力，将被测的工作温度点升高到超过器件或材料性能改变的温度点时，就会导致被测天线在使用过程中发生不可预期的失效。这种失效不对天线寿命评估有意义。相控阵天线各种单机的工作温度范围如表1所示，相控阵天线各种单机的最高工作温度为45℃，选取最高工作温度45℃作为基准工作温度。

表1 试验件各种单机的工作温度

2.3 模型参数

该有源相控阵天线设计寿命为：轨道上运行10年时间，在轨工作时间累计不小于5 000 h。加速寿命试验基准工作温度为45℃时，不同试验温度条件下加速因子和对应5 000 h的寿命试验时间如表2所示。综合考虑试验时间和安全工作温度，加速寿命试验温度选取65℃，加速寿命时间为465 h。

表2 加速因子和寿命试验时间对照表

2.4 试验温度控制

有源相控阵天线正常是安装在冷板上，冷板内有水冷循环装置。组成天线的单机安装在冷板的两侧，安装后按控温底板非热源处粘贴温度传感器，监测试验控温底板、组成天线的各种单机包括波束控制器、二次电源、波控单元和驱动放大器的工作温度，通过监测点可以实时地观测到各个测温点的温度数据如表3所示。从表3中可以看出，TR组件、二次电源和驱动放大器的功耗较大，这3个品种单机监测的温度较高。

表3 试验件的各种单机的功耗

2.5 寿命试验过程测试数据

采用加速寿命试验对有源相控阵天线进行在轨全寿命周期的试验和检测，并记录相控阵天线全链路各个通道的全过程定标数据。测试数据针对某一个通道进行了幅度和相位的归一化处理，试验过程中共记录了3个频率点的测试数据，如图1-3所示。测试结果如下：幅度误差在10年寿命期间变化范围为[-0.2 dB，0.2 dB]，满足全寿命周期内幅度指标在[-0.2 dB，0.2 dB]范围内的要求。相位误差在10年寿命期间变化范围为[-10°，10°]，满足全寿命周期内相位指标在[-10°，10°]范围内的要求。可以得出结论：在全寿命试验期间，有源相控阵天线的幅度和相位技术指标无明显地下降，相控阵天线无故障，能够满足设计寿命要求。

图1 频点1定标幅度和相位随寿命试验时间变化数据

图2 频点2定标幅度和相位随寿命试验时间变化数据

图3 频点3定标幅度和相位随寿命试验时间变化数据

3 结束语

无论在民用领域还是在军事领域，新产品研制日益呈现周期紧、费用控制严格的局面。加速寿命试验技术已经成为产品研制试验技术领域一个无可置疑的发展方向，能够大幅度地提高研制效率、缩短研制周期、减少损耗。通过对试验过程中关键技术指标的变化情况进行监测，能够合理地评估出设计寿命是否满足，该技术必将进一步地在产品研制中发挥关键作用。