Влияние низкоинтенсивной радиации на СВЧ-устройства

Влияние низкоинтенсивной радиации на СВЧ-устройства

Радиоэлектронная аппаратура космических аппаратов (РАЭ КА) при эксплуатации подвергается воздействию ионизирующего излучения космического пространства (ИИ КП), что является дополнительной причиной отказов. На настоящий момент принято раздельно оценивать надежность РЭА и ее радиационную стойкость, не смотря на то, что эти явления взаимосвязаны. Целью статьи является оценка влияния ИИ КП на показатели надежности СВЧ-устройств, а именно на вероятность безотказной работы, на примере СВЧ-усилителя. Модель вероятности отказа устройства О(САС) за срок активного существования (САС) строится как произведение вероятностей отказа 01 (1САС) - вероятность отказа устройства вследствие набора предельно допустимой дозы, 02(САС) - вероятность отказа устройства при отсутствии воздействия ИИ КП, 03(|САС) - вероятность возникновения одиночного эффекта. Вероятности 01 (САС) и ОЭ(САС) оцениваются по действующим нормативным документам. Вероятность 01 (САС) рассчитывается на основе вероятностно-физических моделей. Исследование показывает, что, не смотря на высокие показатели радиационной стойкости применяемых в РЭА КА СВЧ устройств, при требуемых длительных САС низкоинтенсивная радиация будет оказывать ощутимое влияние на вероятность безотказной работы, что следует учитывать при разработке аппаратуры.

Ключевые слова: надежность, радиационная стойкость, СВЧ-устройства, ионизирующее излучение, вероятность безотказной работы, космические аппаратыI.

Данное научное исследование (номер проекта 14-05-0038) выполнено при поддержке Программы "Научный фонд НИУ ВШЭ" в 2014 г.

Артюхова М.А.,

НИУ ВШЭ МИЭМ, marfuhova@hse.ru

В составе радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) космических аппаратов (КА) широко применяются устройства сверхвысоких частот (СВЧ). Дня примера, рассмотрим контейнер радиоканала КА «Ресурс-ДК», запущенного в эксплуатацию в 2006 году. Контейнер радиоканала включает в себя: коммутатор бортовой сети, управляющий вычислительный комплекс, радиопередающее устройство, формирователь кадра, блок управления антенной. В состав радиопередающего устройства входит ряд СВЧ-устройств - аттенюаторы СВЧ с аналоговым управлением, усилители СВЧ, двойные балансные смесители СВЧ, детекторные диоды СВЧ. На примере усилителей СВЧ покажем влияние низкоинтенсивной радиации на надежность устройства.

Потоки частиц низких энергий (до 1 МэВ) приводят к параметрическим и функциональным отказам РЭА (постепенным отказам) [I-3J. Потоки частиц более высоких энергий приводят к одиночны эффектам - обратимым и катастрофическим отказам (внезапным отказам).

Срок активного существования (САС) РЭА в основном определяется радиационной стойкостью аппаратуры и вероят ноетью ее безотказной работы. В условиях космоса накопленная (поглощенная) доза радиации измеряется в радах. Существуют методы, позволяющие рассчитать величины накопленной дозы в заданной точке с учетом экранов и автоматизирован и ые программные средства, позволяющие строить радиационные поля на основе данных о конструкции [4]. Объектом исследования является мощный СВЧ-усилитель ЕМР108-Р! производства фирмы Excelics Semiconductor, уровня качества Military, данные о параметрах приведены па рис. 1. Целью исследования является оценить возможность его применения в составе РЭА КА с САС 25 лет.

Вероятность отказа СВЧ-усилителя рассчитывается по формуле: Q(tCAC) = Qt  Q2 - <?3, где: 0(/Сас) - вероятность отказа усилителя; Q\ - вероятность отказа усилителя в результате накопления предельного уровня дозы; Q^ - вероят-

ность отказа усилителя при отсутствии воздействия ионизирующего облучения; — вероятность отказа из-за воздействия отдельных ядерных частиц; /САс - срок активного существования;

ELECTRICAL CHARACTERISTICS

SYMBOL PARAMETER/TEST CONDITIONS MIN TYP MAX UNITS

F Operating Frequency Range 7 0 9 5 GHz

PUB Output Power at 1d0 Gain Compression 22 5 24 0 dBm

Gas Small Siuiial Gam 19.0 190 dB

OIMD3 Output 3rd Order Inter modulation Distortion if=10MHz Each Tone Pout 14dBm -40 dBc

Input RL Input Return Loss -12 dB

Output RL Output Return Loss 6 dB

Idas Saturate Drain Current V„, =3V. V„, 244 305 366 mA

Power Supply Voltaqe 7 8 V

Rth Thermal Resistance (Au-Sn Eutectlc Attach) зо °aw

Tb Operating Base Plate Temperature  35 + Û5 'с

ABSOLU1 ГЕ MAXIMUM RATINGS FOR CONTINUOUS OP ERATION,J

SYMBOL CHARACTERISTIC VALUE

У... Dram to Source Voltaqe a v

Vas Gate to Source Vollage - 4 V

Inn Drain Current Itiss

Forward Gale Current 4.5 mA

p- Input Power  3dB compression

Channel Temperature 150'C

Ts,„ Storaqe Temperature -в5/150"С

Total Power Dissipation 3.8W

Рис. I. Параметры мощного СВЧ усилителя ЕМР108-Р1

Вероятность отказа О2 оценивается по формуле:

02 = \ - 1 где: ^яадеж - интенсивность отказов при отсутствие воздействия радиации; /Сдс — срок активного существования.

Интенсивность отказов А^адв« электрорадио изделий иностранного производства оценивается по справочнику [5]. Согласно [5], интенсивность отказов для микросхемы СаА$ СВЧ рассчитывается по следующей формуле:

¿шкж ~ (А/, 1 кг' КФ + К„Р 'к,) * Кц > где: - интенсивность отказов кристалла; А,кпр - интенсивность отказов корпуса; К, — коэффициент, учитывающий

изменение интенсивности отказов в зависимости от температуры окружающей среды; Кф - коэффициент функционального назначения; К, - коэффициент эксплуатации; К„ - коэффициент приемки.

Коэффициент К, описывается следующим выражением:

( -Е Г 1 1 ^

Кт=0,\-е

8,617-10"

v T¡ + 273

1

423

где: Tj - температура кристалла, рассчитывается из данных спецификации на изделие (см. рис.1). Отсюда, - 1.05-10 6, отказов/час. Вероятность отказа усилителя из-за воздействия отдельных ядерных частиц оценивается по формуле, приведенной в стандарте [6]:

где: V- частота возникновения возможных отказов в усилителе под действием отдельных ядерных частиц; tp„6 - время, в течение которого усилитель находится во включенном состоянии при установленном САС,

Частота возникновения возможных катастрофических отказов определяется следующим выражением:

V = jf" a(L)  <p13H(L)dL + с(Е)  <рр(E)dE,

где; o(L), о(Е)- зависимости сечений возникновения одиночных отказов от линейных потерь энергии тяжелых заряженных частиц (ЛПЭ ТЗЧ) и энергии протонов, соответственно.

Согласно испытаниям, в ЭРИ, выполненных по биполярной технологии, гиристорные эффекты и катастрофические отказы при воздействии фактора с характеристикой 7.К11(7.К11) (эквивалентно воздействию ТЗЧ) не проявляются. То есть, частоту возникновения возможных катастрофических отказов из-за воздействия ТЗЧ и протонов КП можно принять v=0.

Для того, чтобы оценить вероятность возникновения отказа усилителя С В Ч из-за накопления им предельного уровня дозы, используем данные проведенных ранее испытаний на радиационную стойкость. Результаты испытаний усилителей СВЧ производства компаний Hit tile, Excel íes SemicunducWr, и других показали, что в качестве распределения уровня предельной накопленной дозы (Дшд) можно принять усеченное нормальное распределение.

О 2*10 ДкЮ "

1'ис. 2. Усеченное нормальное распределение плотности возникновения отказов

Таким образом, вероятность возникновения отказа в результате накопления дозы можно описать следующим выражением:

[(Ркл-т(Ртя

[Час

J "Час г Час

/Хд)= -

С J0 £

еяр

V I

\

/

где: ,Д£)|шд) - плотность вероятности возникновения отказа; '"№пнд)_ математическое ожидание уровня стойкости усилителя; о(Атнд) - среднее квадратичное отклонение; Оцд -накопленная фактически доза; С - нормирующий множитель.

7 {вШмлх)

где: р(Дпндч^)* К°пнлч,л-) " 3,]аче1]ИЯ Функции нормального распределения.

На основе данных, полученных на испытаниях, параметры распределения будут:

ш(Е>пнд) = 34309 рад; а(1)!ШЛ) = 3287 рад; С = 1,428.

Так как по стандарту |7|, СВЧ усилители относятся к изделиям общего назначения вида I, непрерывного длительного применения, ^восстанавливаемые, необслуживаемые, переход которого в предельное состояние ведет к катастрофическим последствиям, изнашиваемое, стареющее при хранении, для них нормируются следующие показатели надежности р]: интенсивность отказов; средний ресурс; средний срок сохраняемости.

Необходимо определить для усилителя минимальную наработку 7*м„.. В соответствии со стандартом [6], критерий предельного состояния усилителя формулируется как «Повышение интенсивности отказов выше допустимого уровня Хщх»- Значение Хщх можно получить, зная значения 0\ и 1сас, из уравнения:

1 — = д-*МЛХсСЛС,

Для оценки значения Гмм воспользуемся методологией, приведенной в [4] для прогнозирования показателей безотказности и долговечности, - применим вероятностно-физические модели отказов, рекомендованные в [5].

В соответствие с [8] функция распределения наработки до отказа ИС представляет собой а-распределение:

где а, |3 - параметры распределения.

Парамеф а - это относительная скорость изменения определяющего параметра (коэффициент однородности скорости изменения определяющего параметра):

а в= ^

Парамеф р - относительный запас долговечности:

0 _ "*<дЕги . --сас _

1 [ри использование этой модели, значение Т'^.,,. равно времени эксплуатации РЭА КА /, при котором плотность распределения /(/)=Х(/) впервые достигает критического значения /^(г = 7*^) » ЛМАХ [8]. Тогда значение 7",, ,, можно

найти из уравнения разрешив его относительно Г„.н.:

с-0

Получаем Т„„~ 25 лет.

На рис. 3 приведены графики а-рас пределе пне наработки до отказа усилителя и Хмлх. Первая точка пересечения кривых является минимальной наработкой до отказа.

Рис. 3, а-распределение наработки до отказа усилителя СВЧ и ХМЛХ

Рис, 4. Вероятность безотказной работы

Оценивания влияние радиации на вероятность безотказной работы усилителя, построим графики Pl(t) и P2(t): = е^-ки«;'1", P2(t) — e~l'1Ki;6Si+'1mat)'rJ

На рис. 4 видно, что при учете влияния радиации на интенсивность отказов показатели надежности заметно ухудшаются.

В большинстве своем СВЧ устройства имеют высокие показатели по радиационной стойкости. Ряд исследований, проводимых при участии российских испытательных и научных центров, подтверждают высокую стойкость СВЧ устройств и к импульсному гамма-излучению. Однако, при увеличение САС КА, низкоинтенсивное излучение будет вносить ощутимый вклад в показатели надежности.

1. Артюхова. М.А., Полесский С.Н., Жадное В.В. Оценка стойкости ИС для бортовой космической аппаратуры // Электронные компоненты, №1, 2013.-С. 72-76.

2. Полесский е., Жадное В., Артюхова М. Прохоров В. Обеспечение радиационной стойкости аппаратуры космических аппаратов при проектировании // Компоненты и технологии: Научно-технический журнал, №9, 2010. - С. 93-98.

3. Жадное В.В.. Юрков Н.К. Особенности конструирования бортовой космической аппаратуры: учеб. пособие. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2012. - 112 с.

4. Абрамешин А.Е., Жадное В.В., Полесский С.П. Информационная технология обеспечения надежности электронных средств космических систем:научнос издание. - Екатеринбург: Изд-во ООО "Форг Диалог-Исеть", 2012.-565 с.

5. Справочник «Надежность ЭРИ иностранного производства» ред. 2006. - 52 с,

6. РД 134-0139-2005. Аппаратура, приборы, устройства н оборудование космических аппаратов. Методы оценки стойкости к воздействию заряженных частиц космического пространства по одиночным сбоям и отказам. 2005. - 78 с.

7. ГОСТ 27.003. Надежность в технике. Состав и общие правила задания требований по надежности.

8. Дружинин Г.В. Надежность автоматизированных систем. Изд. 3-е, перераб. и доп. - М.: Энергия, 1977. - 536 с.

9. ГОСТ 27.005. Надежность в технике. Модели отказов. Основные положения.

Low intensity radiation effect on SHF devices

Maya Artyukhova, NRU HSE MIEM, Postgraduate student, martuhova@hse.ru

Abstract. Electronic equipment of spacecraft is exposed to ionizing radiation of outer space, which is another reason for failure. Currently accepted to evaluate separately the reliability of electronic equipment and its radiation resistance, despite the fact that these phenomena are interrelated. The aim of the article is to estimate effects of ionizing radiation on the reliability of microwave devces, namely, the probability of failure-free operation of a microwave amplifier. The probability of devce failure model Q(t) for active lifetime is constructed as a product of the probabilities of failure Q1(t) — the probability of devce failure due to set the total ionizing dose, Q2(t) — probability of failure of the devce in the absence of exposure to ionizing radiation, Q3(t) — the probability of a single effect event. Probabilities Q2(t) and Q3(t) are valued at current normative documents. Probability Q1(t) is calculated based on probabilistic and physical models. Research shows that, despite the high radiation resistance of microwave devces used in electronic equipment of spacecraft, when the long lifetime is required the low intensity radiation will have a tangible impact on the probability of failure. And that should be considered when designing equipment.

Keywords: reliability, radiation resistance, microwave devices, ionizing radiation, the probability of failure-free operation, spacecraft.

References

1. Artyuhova MA, Poiesskii S.N., Greedy VV. Assessing the strength of IP for board space equipment / Electronic Components, No1, 2013. pp. 72-76.

2. Poiesskii S, Greedy B, Artyuhova B, Prokhorov M. Radiation resistance equipment in the design of spacecraft / Components and Technologies: Scientific and technical journal. No 9, 2010. pp. 93-98.

3. Zhadnov VV, Jurkov N.K. Features of the construction board of spacecraft: Proc. allowance. Penza, 2012. 112 p.

4. Abrameshin A.E., Zhadnov VV, Poiessky S.N. Information technology ensure the reliability of electronic space systems: scientific publication. Ekaterinburg: Publishing House Ltd. "Fort Dialog-Iset", 2012. 565 p.

5. Handbook "Reliability ESI foreign production" Ed. 2006. 52 p.

6. RD 134-0139-2005. Machinery, equipment, devces and equipment spacecraft. Methods for assessing resistance to charged particles of space on a single malfunction and failure. 2005. 78 p.

7. GOST 27.003. Reliability engineering. Composition and general rules specify requirements for reliability.

8. Druzhinin G.V. Reliability of automated systems. Ed. Third, revsed. and add. Moscow: Energiya, 1977. 536 p.

9. GOST 27.005. Reliability engineering. Failure model. The main provisions.

Л

Ли reparv pa