射頻/微波器件面向太空應(yīng)用可靠性是關(guān)鍵 - 全文

太空，對(duì)眾多射頻/微波公司來(lái)說(shuō)是極具挑戰(zhàn)性的市場(chǎng)。例如，作為通信鏈路一部分的在軌衛(wèi)星中使用的元件在衛(wèi)星預(yù)期壽命內(nèi)不能失效，而這個(gè)壽命通常是10年或更長(zhǎng)。畢竟在那種環(huán)境下是沒(méi)法“打電話”喊人去維修的。除了高可靠性外，性能也必須具有最高水準(zhǔn)，在至少十年時(shí)間內(nèi)盡量減小性能的劣化。

　　在為太空應(yīng)用設(shè)計(jì)任何射頻/微波元件或子系統(tǒng)時(shí)確?？煽啃允呛苤匾囊徊?，但這只是電子器件可以認(rèn)為是“合格太空”品之前必須滿足的許多要求中的一個(gè)。致力于銷售太空產(chǎn)品的公司首先必須確保他們的制造設(shè)施滿足生產(chǎn)太空品質(zhì)元件的要求——通常要滿足針對(duì)商用和政府太空飛行設(shè)備制訂的MIL-PRF- 38534 Class K標(biāo)準(zhǔn)所詳細(xì)描述的一系列要求。MIL-PRF-38534 Class K文件也適合用作美國(guó)國(guó)防部(DoD)和其它政府機(jī)構(gòu)使用的微電路和多芯片模塊(MCM)的軍用規(guī)范。

　　NASA技術(shù)人員正在評(píng)估電子材料重返大氣層時(shí)的溫度效應(yīng)

　　但是，MIL-PRF-38534 Class K只是有興趣研制太空級(jí)元件的公司需要遵循的眾多文件或規(guī)范之一。由于銷售太空產(chǎn)品的大多數(shù)公司一般確實(shí)也設(shè)計(jì)和制造軍用和航空器件，因此想服務(wù)兩個(gè)市場(chǎng)的公司通常遵循許多不同的規(guī)范指南，包括軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-202、MIL-STD-883、MIL-STD-790、MIL-STD-1344以及多種NASA文件。

　　舉例來(lái)說(shuō)，MIL-STD-202標(biāo)準(zhǔn)覆蓋了振動(dòng)、熱沖擊和機(jī)械沖擊等內(nèi)容，而MIL-STD-883詳細(xì)描述了鹽霧試驗(yàn)、測(cè)試特征、浸泡、大氣壓力和沖擊。事實(shí)上，其中許多標(biāo)準(zhǔn)也許更適合海上應(yīng)用。但由于太空應(yīng)用的可靠性要求是如此之高，以致于需要多種軍事標(biāo)準(zhǔn)的組合才能保證元件或組件可以用于外層太空。

　　例如，SV Microwave是一家太空品質(zhì)射頻/微波連接器和元件的供應(yīng)商。該公司的工藝和系統(tǒng)滿足MIL-STD-202、MIL-STD-790和MIL- STD-1344要求，并且針對(duì)可能影響到太空中的可靠性甚至地面上的一些關(guān)鍵要求的許多參數(shù)會(huì)進(jìn)行高可靠性(hi-rel)篩選。所篩選的參數(shù)包括元件和組件中的接觸應(yīng)力、分離力、可焊性、電鍍粘著力等。另外，公司建有一個(gè)經(jīng)認(rèn)證的破壞性物理分析(DPA)實(shí)驗(yàn)室，專門用于評(píng)估太空品質(zhì)的產(chǎn)品。在產(chǎn)品交付之前，公司可以提供任何關(guān)鍵可靠性參數(shù)的歸檔化驗(yàn)證材料，這些參數(shù)包括粘著力、同軸接觸保持力、接觸接合和分離力、可焊性、接點(diǎn)破壞扭矩、點(diǎn)膠粘力等，并實(shí)施全方位的設(shè)計(jì)檢查和驗(yàn)證。

　　想要銷售太空產(chǎn)品的任何公司都需要對(duì)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備作出大量投資，并且要學(xué)會(huì)正常使用這些設(shè)備。例如，衛(wèi)星元件與組件供應(yīng)商MITEQ擁有5間Class 100，000潔凈室和2間Class 10，000潔凈室，因此能夠制造軍用和高可靠性太空應(yīng)用所需的元件與組件。除了正確篩選與測(cè)試所需的電氣與環(huán)境測(cè)試設(shè)備外，準(zhǔn)備在太空中使用的射頻/微波元件中采用的每個(gè)電路單元都必須加以仔細(xì)斟酌。例如，作為晶振一部分的元件必須滿足政府的認(rèn)證產(chǎn)品列表(QPL)設(shè)立的要求。換句話說(shuō)，當(dāng)合適的篩選過(guò)程無(wú)法獲得特殊電路單元時(shí)，它們必須通過(guò)使用規(guī)范受控繪圖(SCD)進(jìn)行高級(jí)篩選。
軍用級(jí)器件對(duì)一些太空應(yīng)用來(lái)說(shuō)可能足夠了。舉個(gè)例子：對(duì)于晶體振蕩器來(lái)說(shuō)，針對(duì)MIL-PRF-55342軍用要求篩選出的片狀電阻和針對(duì)MIL- PRF-55681要求篩選出的片狀電容完全可以用在軍用電路中，它們也可以為太空設(shè)計(jì)提供高可靠性。但是，當(dāng)太空用戶專門提出太空要求時(shí)，就必須使用最高可靠性的器件時(shí)，如T級(jí)電阻和S級(jí)電容(這也是最昂貴的電路單元)。

　　雖然太空元件的可靠性要求很容易與軍用電子系統(tǒng)所需的性能聯(lián)系在一起，但許多太空設(shè)備事實(shí)上是商業(yè)用途。比如用于提供商業(yè)廣播電視服務(wù)、電話服務(wù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及其它高速數(shù)字服務(wù)(包括Direct TV、EchoStar和Globalstar)的許多衛(wèi)星通信(satcom)系統(tǒng)，更不用說(shuō)經(jīng)常用于獲取位置信息的全球定位系統(tǒng)(GPS)衛(wèi)星了。為了了解成千上百顆正在服役或接近退役的地球在軌衛(wèi)星的運(yùn)行狀態(tài)，今年夏天發(fā)射了EchoStar XVII衛(wèi)星。這些飛行器的軌道有著不同的高度，這些高度有許多不同的名詞定義，包括地球低軌(LEO)衛(wèi)星和地球中軌(MEO)衛(wèi)星等。

　　制造太空用的元件(如晶振)要求使用正確的材料，并遵循正確的規(guī)范。使用標(biāo)準(zhǔn)化的電路單元和器件——比如QPL、NASA器件精選清單、NASA Goddard太空飛行中心(GSFC)優(yōu)選器件清單(針對(duì)太空輻射效應(yīng)進(jìn)行了篩選)等清單——有助于縮短可靠性驗(yàn)證過(guò)程，但這樣做也會(huì)增加制造成本。用于太空的元件成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)地面上使用的商用或軍用元件的成本。

　　當(dāng)然，可以在太空使用的射頻/微波元件在外觀上與商用元件沒(méi)有任何區(qū)別，但這些元件已經(jīng)通過(guò)了更加嚴(yán)格的測(cè)試與檢驗(yàn)。這些元件必須使用太空品質(zhì)的材料制造，即使是元件內(nèi)部的電路單元也必須經(jīng)過(guò)太空應(yīng)用認(rèn)證。比如具有太空品質(zhì)的溫控晶體振蕩器(OCXO)——來(lái)自TRAK Microwave公司的OSC029，已經(jīng)通過(guò)太空認(rèn)證具有至少10年的在軌工作壽命，它的性能已被表征為超過(guò)10年周期。這種S級(jí)OCXO工作在 10.3GHz，10年中具有±1.2ppm的長(zhǎng)期穩(wěn)定度，并且具有典型-95dBc的優(yōu)異雜散性能。距載波偏移2kHz處的相位噪聲只有 -95dBc/Hz.這種元件是專門針對(duì)太空環(huán)境設(shè)計(jì)的，其基板的額定工作溫度范圍是從-15℃至+65℃。

　　許多太空級(jí)元器件供應(yīng)商經(jīng)常炫耀成功的太空應(yīng)用記錄，并以此作為產(chǎn)品百分之百可靠的憑證。比如Dow-Key Microwave公司就經(jīng)常提及其太空產(chǎn)品的輝煌歷史及在專門機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用，據(jù)稱目前為止零故障。自從1970年提供太空品質(zhì)的同軸和波導(dǎo)開關(guān)以來(lái)，該公司在100多個(gè)不同的太空計(jì)劃中提供了150多種不同的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，其中無(wú)一例故障。同樣，Teledyne Cougar公司擁有向太空任務(wù)提供元件的22年光榮歷史，而且通過(guò)了MIL-PRF-38534 Class K標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。公司以此作為產(chǎn)品可靠的保證。Anaren Microwave和ARRA公司則分別是微型無(wú)源器件和波導(dǎo)組件的供應(yīng)商，他們也擁有太空級(jí)元件制造商的強(qiáng)大光環(huán)。這兩家公司據(jù)稱擁有40多年的太空產(chǎn)品供應(yīng)史，而且從未發(fā)生過(guò)任何故障。

　　W.L. Gore Associates公司從1976年以來(lái)已經(jīng)向超過(guò)70個(gè)衛(wèi)星項(xiàng)目提供電纜組件，并且擁有100%無(wú)故障飛行記錄的傲人成績(jī)。公司專門設(shè)計(jì)和制造惡劣的太空環(huán)境中使用的同軸電纜組件，使用的是具有高度抗輻射能力的太空飛行認(rèn)證材料。EMC Technology公司還創(chuàng)建了可以從該公司網(wǎng)站上免費(fèi)下載的太空級(jí)產(chǎn)品工作參考表格，太空用戶可以通過(guò)這個(gè)表格瀏覽三種不同的選項(xiàng)，從而篩選出滿足太空級(jí)要求的元件定單。

　　最后，鑒于太空級(jí)元件和組件的高昂價(jià)格，一些公司也設(shè)法在不犧牲可靠性的條件下幫助太空級(jí)用戶降低成本。Merrimac Industries是一家提供從功率分配器到用于太空平臺(tái)的完整波束成形網(wǎng)絡(luò)的供應(yīng)商，公司開發(fā)了一項(xiàng)被稱為Merrimac太空品質(zhì)產(chǎn)品(MSQP)的計(jì)劃。MSQP計(jì)劃的目的是要降低獲取太空用射頻/微波元件的復(fù)雜性。這項(xiàng)計(jì)劃建立在為大量系統(tǒng)設(shè)計(jì)和交付高可靠性的軍用和太空品質(zhì)元件基礎(chǔ)上，而且這些元件已經(jīng)擁有完整的證明和篩選級(jí)數(shù)據(jù)。事實(shí)上，公司已經(jīng)建立了一份經(jīng)過(guò)太空品質(zhì)認(rèn)證的“標(biāo)準(zhǔn)”元件清單?？蛻艨梢詮腗SQP清單中選擇合適的器件，或者在MSQP設(shè)計(jì)、工藝、認(rèn)證和篩選標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上讓Merrimac為他們需要的元件制定一個(gè)規(guī)范。