宇航用軸角轉(zhuǎn)換器技術(shù)發(fā)展綜述

摘要：本文介紹了國內(nèi)外軸角轉(zhuǎn)換器的技術(shù)發(fā)展和工程應(yīng)用現(xiàn)狀，闡述了中國電科四十三所目前此類宇航用器件的設(shè)計方法、技術(shù)特征和已達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)，以及此類器件的質(zhì)量保證能力和應(yīng)用情況。同時，為滿足未來航天器發(fā)展需求，重點分析了宇航用軸角轉(zhuǎn)換器在芯片自主保障能力、抗輻照加固設(shè)計、集成封裝設(shè)計等方面所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)和解決措施，為航天控制系統(tǒng)用戶提供安全可靠的宇航級軸角轉(zhuǎn)換器。

關(guān)鍵詞：宇航用；軸角轉(zhuǎn)換器；高精度；高可靠性

軸角轉(zhuǎn)換器是航天航空領(lǐng)域天線控制器、慣導(dǎo)平臺、伺服控制等角度位置檢測系統(tǒng)的核心模塊器件?，F(xiàn)代航天器高精度隨動系統(tǒng)的控制精度已達(dá)到角秒級，通常采用高可靠性、長壽命的雙速旋轉(zhuǎn)變壓器組成角度傳感器的設(shè)計方案，因此研制能夠?qū)崿F(xiàn)對雙速旋轉(zhuǎn)變壓器信號同時進(jìn)行模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換并輸出完整并行二進(jìn)制數(shù)字角的核心器件，對航天工程相關(guān)控制系統(tǒng)具有重要意義。

本文重點在宇航用雙速軸角轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計技術(shù)、主要技術(shù)指標(biāo)、質(zhì)量可靠性、工程應(yīng)用情況，以及未來研究方向幾方面展開論述。

1 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 國外技術(shù)現(xiàn)狀

目前，實現(xiàn)雙速旋轉(zhuǎn)變壓器信號到二進(jìn)制數(shù)字角的轉(zhuǎn)換，國外通行的技術(shù)路線是：采用兩路單速連續(xù)跟蹤方式的軸角轉(zhuǎn)換電路，分別得到粗、精旋轉(zhuǎn)變壓器的二進(jìn)制數(shù)字角度，由數(shù)據(jù)處理電路對這兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行權(quán)值處理組合及糾錯，以完整的二進(jìn)制數(shù)字角度輸出。

1.2 國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀

航天領(lǐng)域高質(zhì)量等級軸角轉(zhuǎn)換器的主要研究單位是中電科四十三所和中船七一六所，二十多年以來研制出了與國外型號兼容、技術(shù)水平相當(dāng)?shù)南盗谢a(chǎn)品，在國內(nèi)航天、航空、兵器、艦船、電子等軍工領(lǐng)域占有絕大部分的市場份額。使用 HTS 系列雙速轉(zhuǎn)換器后，減小了元器件的數(shù)量和用板面積，提高了角度數(shù)據(jù)采集實時性，節(jié)省了用戶軟件開銷，更實現(xiàn)了元器件的自主可控、提高了系統(tǒng)可靠性，為航天工程的發(fā)展做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。中船七一六所研制的 SD10、SD20 系列單速轉(zhuǎn)換器、 SD70 系列雙速轉(zhuǎn)換器等，在兵器、艦船領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。國內(nèi)其他一些單位如武漢凌九電子等公司產(chǎn)品比較單一，規(guī)模較小。

2 宇航用軸角轉(zhuǎn)換器技術(shù)及應(yīng)用

2.1 產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)

2.1.1 單通道轉(zhuǎn)換器設(shè)計技術(shù)單通道旋變 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器是采用 Ⅱ 型伺服跟蹤原理設(shè)計的連續(xù)跟蹤型轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換精度最高 1.3 角分，可實現(xiàn)高速高精度無誤差跟蹤，具有良好的動態(tài)響應(yīng)特性?；驹砜驁D如圖 1 所示。

電路設(shè)計的信號傳遞函數(shù)如下：

2.1.2 雙通道轉(zhuǎn)換器設(shè)計技術(shù)

雙速旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的信號，通過粗和精的單通道轉(zhuǎn)換器分別得到二進(jìn)制數(shù)字角后，由于實際存在的傳感器誤差、工藝誤差等因素，粗、精通道的數(shù)字角不可能同步變化。有時當(dāng)精通道還未轉(zhuǎn)完完整一整圈時，粗通道可能已提前進(jìn)位，或精通道已轉(zhuǎn)完完整一整圈時，粗通道還未進(jìn)位，產(chǎn)生模糊誤差，這種誤差是雙速旋轉(zhuǎn)變壓器原理性的誤差且不可避免 , 因此針對雙速旋變 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器必須設(shè)計組合及糾錯邏輯電路進(jìn)行邏輯判斷。

組合及糾錯邏輯電路的設(shè)計方法是：采用加法器芯片進(jìn)行粗通道的數(shù)據(jù)權(quán)值處理，即把粗通道的數(shù)據(jù)按照雙速旋變的粗精轉(zhuǎn)速比進(jìn)行倍乘，通過邏輯判斷電路消除組合位的模糊誤差，最后以完整的并行二進(jìn)制數(shù)字角度輸出。

2.2 雙速轉(zhuǎn)換器技術(shù)指標(biāo)

四十三所研制的 HTS 系列雙速轉(zhuǎn)換器，高密度集成了兩路單速轉(zhuǎn)換電路和組合及糾錯邏輯電路，電路設(shè)計采用的元器件均為五院目錄內(nèi)的宇航級元件及芯片，電路在厚膜混合集成軍標(biāo)線工藝制造，采用金屬外殼全密封封裝。該系列產(chǎn)品具有轉(zhuǎn)換精度高、可靠性高、低功耗、小體積、重量輕的特點。詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)見表 1。

2.3 質(zhì)量驗證

2.3.1 H級質(zhì)量驗證

宇航級產(chǎn)品依據(jù) GB/T19001-2016 和 GJB9001C2017標(biāo)準(zhǔn)，建立并實施了行之有效的產(chǎn)品質(zhì)量管理體系?！顿|(zhì)量手冊》是質(zhì)量管理工作的基本準(zhǔn)則。質(zhì)量管理體系過程包括文檔管理過程、資源管理過程、產(chǎn)品實現(xiàn)過程及測量、分析和改進(jìn)過程，并按標(biāo)準(zhǔn)的要求管理這些過程。

四十三所研制的 HTS 系列雙速轉(zhuǎn)換器的質(zhì)量設(shè)計，符合 GJB2438A-2002《混合集成電路通用規(guī)范》的 H 級要求，試驗條件來源于 GJB548B《微電子器件試驗方法和程序》，鑒定試驗和每生產(chǎn)批次的質(zhì)量一致性檢驗按照其詳細(xì)規(guī)范 A 組、B 組、C 組、D 組檢驗的規(guī)定，確保每生產(chǎn)批次的產(chǎn)品均通過 H 級質(zhì)量考核。

2.3.2 總劑量效應(yīng)試驗驗證

功率振蕩器 HOSC2758C 為 1:8 雙速旋轉(zhuǎn)變壓器和 HTS16R8 雙速轉(zhuǎn)換器提供參考信號，由雙速轉(zhuǎn)換器解算旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬角度，實現(xiàn)高精度數(shù)字轉(zhuǎn)換。通過外接測試板監(jiān)測功率振蕩器和雙速 R/D 轉(zhuǎn)換器的功能和精度等指標(biāo)。

經(jīng)過對功率振蕩器和 HTS16R8 雙速轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了總劑量效應(yīng)試驗，輻射源：Co-60γ，劑量率：0.1 rad (Si)/s。雙速 R/D 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品試驗結(jié)果：抗總劑量輻射能力達(dá)到 30 Krad (Si)。

2.3.3 單粒子效應(yīng)試驗驗證

由四十三所研制的兩路 HDRC16 型數(shù)字 / 旋轉(zhuǎn)變壓 器轉(zhuǎn)換器組成電子式粗 / 精角度信號發(fā)送器，通過控制輸入 16 位數(shù)字 D1 ～ D16 從全“0”到全“1”變化，產(chǎn)生 0° 到 360° 雙速模擬角度變化，HTS16R8 雙速轉(zhuǎn)換器解算該模擬角度輸出 16 位二進(jìn)制數(shù)，通過比較輸入、輸出的數(shù)字量來監(jiān)測 HTS16R8 雙速轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換功能和精度。

經(jīng)過對功率振蕩器和 HTS16R8 雙速轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了單粒子效應(yīng)摸底試驗，粒子種類：Kr/Bi，HTS16R8 雙速轉(zhuǎn)換器試驗結(jié)果：抗單粒子鎖定 SEL 閾值大于 94.28 MeV.cm²/mg。

3 未來研究方向

3.1 實現(xiàn)芯片自主可控并抗輻照加固設(shè)計

在芯片自主可控方面，四十三所已經(jīng)開展研制工作，分析了該類型連續(xù)跟蹤 R/D 轉(zhuǎn)換器的工作原理，掌握了其中固態(tài)控制變壓器、相敏解調(diào)器、壓控振蕩器、16 位可逆計數(shù)器等核心電路的設(shè)計技術(shù)，已完成芯片版圖設(shè)計、工藝參數(shù)提取、性能指標(biāo)仿真等工作，立足國內(nèi) BICOMS 工藝流片制造，2021 年完成了 R/D 轉(zhuǎn)換核心電路單片化、國產(chǎn)化目標(biāo)。

在芯片抗輻照加固方面，針對空間領(lǐng)域總劑量輻射、單粒子輻射、中子輻射以及其他輻射，重點研究輻射粒子與半導(dǎo)體材料的相互作用和輻射損傷機(jī)理，分別從電路設(shè)計、版圖設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝制造四個方面開展芯片加固工作。計劃到 2022 年完成 R/D 轉(zhuǎn)換核心芯片的抗輻照加固設(shè)計，考核目標(biāo)是：1）抗總劑量：≥ 100 KRad (Si)；2）單粒子閂鎖 LET 閾值：≥ 75 MeV-cm²/mg；3）單粒子翻轉(zhuǎn) LET 閾值：≥ 37 MeV-cm²/mg。

通過技術(shù)攻關(guān)，國內(nèi)研制的單速轉(zhuǎn)換器和雙速轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)自主可控和抗輻照能力的雙提升，滿足宇航用轉(zhuǎn)換器的高可靠性及空間環(huán)境適應(yīng)性需求。

3.2 實現(xiàn)電路一體化封裝SIP設(shè)計

現(xiàn)代空間飛行器對控制電路要求向系統(tǒng)體積小型化、多功能集成化方向發(fā)展。四十三所在電路混合集成技術(shù)、一體化外殼設(shè)計技術(shù)、3D 組裝工藝技術(shù)、高密度電路測試技術(shù)等方面均做了大量的基礎(chǔ)研究工作。針對宇航用雙軸雙速旋變解碼電路的設(shè)計需求，提出了集成兩路雙速轉(zhuǎn)換器電路、激磁電源電路、電壓轉(zhuǎn)換電路、電平轉(zhuǎn)換電路等功能電路為一體化封裝的旋變解碼電路 SIP 方案，即在一只 43×32×6.5 mm³ 體積的 ALN 陶瓷一體化封裝外殼內(nèi)，實現(xiàn)上述 4 部分電路的功能集成，集成電路目標(biāo)如圖 2 所示。采用上述方案研制的一體化封裝 SIP 產(chǎn)品，將給航天角度位置檢測系統(tǒng)用戶提供更加先進(jìn)可靠、小型化、系列化的解決方案。一體化集成產(chǎn)品可實現(xiàn)雙面混合集成電路設(shè)計。

4 結(jié)語

國內(nèi)軸角轉(zhuǎn)換器技術(shù)經(jīng)過 30 多年的發(fā)展，已呈現(xiàn)微電路模塊、混合集成電路模塊、單片集成電路并存的現(xiàn)狀，作為航天航空領(lǐng)域關(guān)鍵電子器件之一，高精度單片化系統(tǒng)級封裝設(shè)計是發(fā)展方向。四十三所航天級 HTS 系列雙速轉(zhuǎn)換器已實現(xiàn)了航天工程應(yīng)用，按照空間應(yīng)用電子元器件向自主可控、抗輻照加固、一體化集成和高可靠性的發(fā)展目標(biāo)，今后將繼續(xù)開展核心芯片的研發(fā)和抗輻照加固設(shè)計工作，并發(fā)揮電路集成設(shè)計、一體化結(jié)構(gòu)工藝和封裝的技術(shù)優(yōu)勢，研制出滿足未來航天要求的新產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)：

[1] 余成波,張蓮,等.自動控制原理[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.

[2] WALT JUNG,等.運算放大器應(yīng)用技術(shù)手冊[M].張樂鋒,張鼎,等譯.北京:人民郵電出版社,2009.

[3] 陳世年.控制系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:中國宇航出版社,2009.8.

[4] 佚名.軍用電子元器件(總裝備部電子信息基礎(chǔ)部編)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2009.

(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》2022年7月期)