车辆监测用微波测速雷达的可靠性设计

1、车辆监测用微波测速雷达的可靠性设计一、 可靠性设计的主要基本参照文件 2二、测速雷达可靠性设计的目的和意义 2矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。三、 可靠性设计的基本思路 4聞創沟燴鐺險爱氇谴净。四、 系统级可靠性设计 4残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。五、 电路级可靠性设计 6酽锕极額閉镇桧猪訣锥。六、 结构级可靠性设计 11彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。七、 综合级可靠性设计 14謀养抟箧飆鐸怼类蒋薔。八、可靠性预检验 15厦礴恳蹒骈時盡继價骚。用实例解说如何进行系统化的可靠性设计；介绍按系统级、电路 级、结构级、综合级的设计方法；参数中心设计等现代概念的应用； 发展自主创新商用电子产品的特点、难点和必须经过的历程 。

2、茕桢广鳓鯡选块网羈泪。一、可靠性设计的主要基本参照文件GB/T 11463 1989电子测量仪器可靠性试验；GB 6587.1 86电子测量仪器环境试验总纲及GB 6587系列文件；GB 5080.1 86设备可靠性试验总要求及GB 5080系列文件。JJG 527 2007机动车超速自动监测系统检定规程JJG 528 2004机动车雷达测速仪检定规程二、测速雷达可靠性设计的目的和意义1. 保证测速雷达产品符合国家和行业提出的相关可靠性标准；2. 保证产品在使用民用级元器件和批量生产条件下，达到 合理的合格率；3. 保证产品在民用无维护、户外恶劣的应用环境下，具有 合理的故障率；4.保证上述要

3、求的低成本实现。以上四项要求事实上是产品能否生存的基本条件。公路车辆 测速雷达作为民用产品，不可能用苛刻的元器件筛选来满足产品合格 率的要求，因为那样会大幅度提高产品造价；不可能要求用户具有专 业的维护技能、遵从耐心的安装规则、和有清洁的安装使用环境；必 须能适应长期户外的恶劣环境，包括 200C+ 700C的工作环境温 度，以及雨、盐雾的侵蚀、雷电环境和电磁干扰；产品必须具有很低 的故障率，稍高的故障率就会使产品被市场淘汰。低成本又是紧要的 限制。为了达到这些目标，大量生产的电子产品，包括民用电子产品， 其设计思想与军用或专用电子产品的设计思想就会有重大的不同。军用电子产品通常采用性能最优化

4、设计： 用当前可得到的技术资源，达 到最好的设计指标。成本，包括成量生产下的成本，对军用产品而言 是次要的考虑因素。因此，设计方案尽量完善，产品构成可以很复杂， 可以使用各种支持技术附加到产品上。大量生产的产品包括民用产品 则完全不可能这样设计。大量生产条件下，节约成本极为紧要。对应 用电子产品而言，只要产品能够满足应用需求，设计应力求精简。精 简设计带来的好处不仅仅是降低成本，而且更容易保证产品的可靠 性。精简设计要从总体方案的制定开始。 必须重新审视每一个可能的 技术方案，寻求最精简可靠的方案。在精简的总体设计中必须通过仔 细的分析论证，提出保证技术指标的关键技术，并将解决关键技术作 为产

5、品发展的第一步。在此基础上才能落实总体方案。然后小心地进 行电路和结构设计，保证产品满足应用需求和高的可靠性。 由于民用产品成本上的苛刻限制，对它的可靠性设计是一个挑战。本文件具体 说明我们在测速雷达设计中对可靠性的考虑。鹅娅尽損鹤惨歷茏鴛賴。三、可靠性设计的基本思路系统级设计：采用精简设计方案。在满足技术要求的前提下，尽量避免使用繁杂的电路和结构设计方案。电路级设计：采用降额设计原则；预保护技术；电路参数中心 设计技术；低敏感度设计技术；抑制干扰的接地和布线技术；抑制干 扰的屏蔽技术；电路的保护性设计；接口的保护性设计；以及电磁兼 容性设计。 籟丛妈羥为贍债蛏练淨。结构级设计：采用电路-结构

6、一体化的设计方法，在保证电气 特性的同时，还要保证结构满足环境应用需求。 需要考虑的技术问题 包括：壳体的刚性、密封性、易安装性、和环境适应性（温度、湿度、 抗风、抗盐雾、抗振动能力）；结构的力学合理性；结构与电磁兼容 技术的适应性；结构力学、声学振动对雷达性能的影响考虑。預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。综合级设计：指热设计、抗辐射设计、抗主动干扰设计；环保 型设计考虑；包装、运输设计考虑等等。本测速雷达不考虑抗辐射和 抗主动干扰设计问题 。 渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。四、系统级可靠性设计精简设计是经济型电子系统可靠性设计的基本思路。本测速雷 达的总体方案完全遵从精简设计的原则。 具体地说，在总体设计中考

7、虑了 铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。使用最可靠又简单、有效的设计方案；对关键性的技术问题进行仔细论证和预先研究，保证达到技术要求，避免过度设计；避免使用繁杂的电路设计方案；避免在设计方案中使用对应用环境敏感的部件或组件。在系统级设计方案中使用了下列设计考虑：1. 微波发射源使用混合微波集成电路振荡器，而不用国外 产品常用的GUN振荡器。这避免了 GUN振荡器可能出现的振荡频率 跳模现象。这种频率跳变现象特别敏感于起振时的环境温度和电源变 化。GUNN的振荡模式跳变常常具有不规则性，并会造成雷达测量的 速度数据完全不可用。使用混合微波集成电路振荡器可以消除跳模现 象，保证了雷达测量数据的可靠性。 擁締凤

8、袜备訊顎轮烂蔷。2. 从测速雷达的应用要求来看，雷达天线波束方向性图的质量是决定性能的关键。这包括波束宽度，波束形状因子（- 10dB 宽度与-3dB宽度的比值），旁瓣电平，以及天线的辐射效率。把这 些指标做高，会大大减缓对雷达电路设计和数据处理算法的压力。直接受影响的技术参数包括：雷达的测速距离或灵敏度；雷达对车辆的 定位准确性；雷达区分车辆的能力；雷达克服邻车道干扰的能力。因 此在本雷达中，对雷达天线设计下了深入的功夫。 天线在成量生产条 件下方向性图的一致性很好，波束形状因子接近于2,旁瓣电平为一15dBi或更低。这为雷达在批量生产条件下保证性能的一致性奠定了 基础。贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷

9、。3. 雷达接收和信号检测使用了窄带系统方案，以达到低的噪声带宽。尽可能减少微波收发系统中的微波器件，对于降低成本和提咼可靠性很有意义 。 坛搏乡囂忏蒌鍥铃氈淚。4. 充分利用当前市场上可得到的电子器件的功能，达到简化设计、提高性能、和降低成本的综合目标 。蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。5. 使用了单个高速 KITOZERP言号处理方案，尽量不附加FPGA芯片。这是鉴于所选用的高速浮点 KITOZERP芯片功能强大，不 贵。我们的经验表明，充分发挥单个 KITOZERP勺作用，而不是用多 片合作解决信号处理及相关问题可以减少多个器件互连可能引起的 不可靠问题。此外，系统功能的实现和扩充集中到KITOZ

10、ERP软件工作上，更容易满足不同用户和应用环境提出的不同要求 。買鯛鴯譖昙膚遙闫撷凄。五、电路级可靠性设计1.降额设计采用了以下降额设计措施：所有元器件采用工业级，容许工作温度范围（400C+ 850C）;储存温度范围（一650C + 1500C）;綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。电容元件的耐压高于工作电压 2倍；电源模块上电容元件的耐压高于工作电压 2.5倍； 电阻元件额定功耗高于实际功耗 3倍；电源额定输出功率高于实际输出功率 2.5倍;2. 预保护技术对微波器件采用了特别的预保护技术。这包括预短路技术，保证微波器件在安装过程中不会受静电或漏电的冲击而损坏；置偏和供电限制，保证微波器件不发生过流和过

11、压问题；结构性保护：微波电路有严格的加工工艺过程、对芯 片粘贴和金丝绑定的加重措施、以及有专门的小型屏蔽保护结构。驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。3. 电路参数中心设计技术对于大规模生产的电子产品，必须使用参数中心设计技术。当设计指标给定时，原则上说，元器件参数容许在一个参数空 间中取值。而最佳或最合理的一组元件的设计值（称为中心设计值） 应该这样来选取：当任何一个元件参数的实际值偏离它的设计值在一 个规定的离差范围内时，电路特性能够控制在一个规定的容许范围 内。可以理解，对民用电子产品特别是其中的模拟电路，使用参数中 心设计技术特别重要。使用了参数中心设计技术，可以避免对元器件 的参数进行苛刻的筛选，

12、可以大幅度地提高产品的成品率 。猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。实现参数中心设计必须使用计算机辅助设计和仿真（CAD&）技术。用电路特性的容限图作为基本限制条件。从一个基 本设计开始，对元件参数进行随机偏离试验，通过计算机仿真来寻找 元件参数的（集合的）设计中心值。这个过程称为Monte Carlo仿真。 不过，当电路中元件参数很多，特别是含非线性和温度相关特性时， 这种基本的随机试验法计算工作量太大。 许多实施技术可以大幅度地 减少计算工作量。一种有效方法是区分重要参数和非重要参数，中心设计技术只对重要参数实施。此外，在基本设计中，电路结构（拓扑） 的选择非常重要。不同电路结构的特性关于元器件

13、参数变化的敏感度 常常是不同的。如果电路中含有温度敏感元件，例如希望补偿有源振 荡器的频率漂移，那么必须对电路拓扑进行仔细分析， 确认补偿的机 制和合理性。有经验的设计人员对不同的功能电路常常有一些经验的 处理方法，可以很有效地实施参数中心设计技术。锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。在测速雷达中，我们对雷达发射源的频率稳定性实施 了参数中心设计技术。振荡源器件的频率-电压关系是非线性的， 这 种关系随温度变化而变化。振荡源器件特性的离差相当大，为大量生 产条件下保证产品特性一致性造成困难。 鉴于微波发射源频率稳定性 对测速雷达至关重要，在产品设计中作了专门考虑。对频率稳定化电 路实施参数中心设计的实践表明

14、， 所提到的困难能够得到克服。本产 品生产中，在无苛刻元器件筛选的条件下，生产的雷达可以在规定的 全温度范围内（200C+ 700Q达到24.15GHz± 15MHZ勺频率稳定 度（国家标准是士 45MHZ,并保证雷达生产达到合理的高成品率。構 氽頑黉碩饨荠龈话骛。4低敏感度设计技术当电路中含放大器等有源器件时，降低电路特性对参数变化的敏感度就很重要。在本雷达系统设计中使用的方法有采用低阻信号通道进行传输和互连，降低电路匹配不完善可能引起的问题，降低杂散参数对电路性能的影响；輒峄陽檉簖疖網儂號泶。限制每个放大器的增益和带宽，避免寄生振荡的可能性，保证产品特性的一致性；选用低敏感度中频

15、滤波器设计方案，确保稳定性；采用宽输入电源设计。额定外电源电压是+ 12V,容许的电压范围是+ 7V +16V。6. 抑制干扰的接地、布线和屏蔽技术本雷达中采用了很精细的接地、布线和屏蔽技术。大致说来，包括严格区分模拟地、数字地、电源地、外壳地，对这些地的互连进行了细致的分析和处理；对模拟和数字电路进行了隔离处理，特别是保证了弱输入模拟信号免除可能来自数字电路和电源电路的干扰；尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。对微波、模拟和电源模块进行分别的屏蔽处理；对内部电路整体进行了防静电积累处理。6.电路保护性设计针对外电源输入可能被用户反接的问题作了保护性设 计；电源模块引入了限流、限压和短路保护。对电源的不同负

16、载引入了解耦设计，防止数字电路通过电源对模拟电路发生串扰；对电路块的输出引入了短路保护设计；对功耗较大的电路引入了限流和限压设计；对易损电路器件如微波混频器采用综合性的保护设计，如预短路；防电冲击和过压；防装调过程中的不慎触及等。识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。7. 接口的保护性设计232接口的自保护能力不足，在用户不规范的使用情况下可能造成损坏。为了强化232接口抗不规范外部使用条件的能力， 在 本雷达中采用了以下措施： 凍鈹鋨劳臘错痫婦胫籴。给232接口输出芯片附加限流保护；在232输出线路上附加限流和限压保护。8. 电磁兼容性设计与测速雷达相关的电磁兼容性要求包括：抗公路环境杂散电 辐射的能力；抗

17、电源和壳体引入电冲击的能力；抗下位微机引入杂散 串扰的能力；在雷电干扰下系统保持正常工作的能力；系统承受静电放电冲击的能力；电源短时或持续中断后系统的重启能力； 限制雷达 系统对外产生无效辐射的水平。这些要求在电路级可靠性设计的前述 各项措施中大多数已加以考虑。一部分额外的设计考虑如下：恥諤銪灭萦 欢煬鞏鹜錦。将雷达本体和壳体在电气上独立起来，它们之 间通过高电阻互连，这可以避免壳体上感应的各种杂散干扰传导到雷 达本体上，同时为雷达本体提供一个静电的释放通道，避免造成静电积累 。 鯊腎鑰诎漣鉀沩懼統庫。对雷达电路各单元在断电后的自动重启作了仔 细考虑，特别是从硬件和软件设计两个方面保证了KIT

18、OZERP处理单元的自动重启 。 硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。雷达后板或壳体具有防止雷达数字-脉冲电路 可能产生对外不良辐射的能力。雷达本体与外部的电气互连经过一个密封连接 器进行，保证了密封连接器的导体与雷达壳体之间的绝缘强度。阌擻輳嬪諫迁择植秘騖。所设计的雷达天线通带约为24.15GHz士 0.5GHz,有能力抑制现代交通和工业环境下产生的非故意强干扰和雷 电干扰，因为这类干扰的频谱在 1GHz以上时衰减很快。雷达工作带 宽很窄（约18kHz）,有能力避开24GHz附近的常规非频率跟踪式故 意干扰。天线波束很窄，旁瓣在-15dB以下。在应用中波束通常固 定地指向车道上的一个固定照射区。因此通过天

19、线接收外界干扰受到 频域和空域的双重限制 。 氬嚕躑竄贸恳彈濾颔澩。六、结构级可靠性设计1电路结构一体化设计方法一体化设计对微波收发前端特别重要，其基本思路是：在保 证微波收发系统性能的前提下，使用加工量最少和最紧凑的结构设 计。常用的措施包括： 釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。对微带电路必须有良好的屏蔽结构；在保证微波电路单元和单元之间对电长度和匹配需求的前提下，尽量缩短之间的距离；对微带电路强加空间的结构限制，保证正常传输的前提 下，提高各个电路端口之间的隔离度，以及避免出现寄生传输和振荡 模式； 怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。尽可能将各个微波功能单元进行一体化、平面化设计， 尽量避免或减少微波功能单元之间

20、额外的互连需求和同轴-波导- 微带转换设计； 谚辞調担鈧谄动禪泻類。按照以上原则我们将微波收发前端设计成以下形式：使用一 个天线底板，一面贴天线，背面贴微波收发电路，它们之间使用一个 同轴结构直接互连。微波收发电路设计得很紧凑，该电路使用一个屏 蔽盖扣盖起来。雷达的其他电路可以安排在收发电路周围， 也可重叠 安装 。 嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。2. 结构可靠性的常规设计包括：壳体的刚性、密封性、易安装性、和环境适应性（温度、湿度、抗风、抗盐雾、抗振动能力）；结构的力学合理性。几个主要措施包括 熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库使用了力学强度高、电气性能好的工程塑料制作雷达的 前罩；使用了硬质铝合金雷达后盖或钢质

21、壳体；对后盖或壳体的电气和机械外连采用密封型设计；前罩与壳体或后盖之间使用了密封槽和密封圈的连接设 计；在壳体或后盖上设计了紧凑、灵活、并方便的对外安装 结构；对需要紧固的互连结构，使用了消应力设计，避免结构 发生疲劳变形。3. 抗声学振动设计抗声学振动对测速雷达有特殊意义。测速雷达基于多普勒原理 工作。当雷达发射频率为24.15GHz时，公路车辆的高速移动造成的 多普勒频率限定在018kHz范围内。当雷达被安装到公路旁、公路 上方、或警车上时，外界强烈的声学振动和机械振动会引起雷达壳体 的振动，并进一步引起雷达天线结构和防护罩的振动， 造成发射和接 收微波信号的寄生调制。声学和机械振动频率大

22、致在05kHz范围内，落在有效多普勒频率范围内。如果不加以抑制，寄生调制造成的 假信号会造成错误的数据输出。在本雷达使用了抑制声学振动的设 计。主要措施是：保证微波电路密封结构的刚性，使密封结构的机械谐振频率远离雷达使用环境下可能出现的强声学振动频率；在雷达本体和壳体之间使用高阻尼机械互连设计，一方面加大了壳体对外产生 机械谐振的阻尼，同时大大抑制了雷达本体的机械谐振 。鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。4. 结构与电磁兼容技术的适应性由于使用了一体化设计考虑，本雷达结构与电磁兼容性设计达到 了良好适应。七、综合级可靠性设计1. 热设计本雷达无大功耗元器件，热设计考虑得到大大简化。主要考虑包括微波发射源有

23、一定散热需求。对此按照器件使用说明书推荐的方 法进行了良好的贴地处理。同时，发射源、盖板与天线板有良好的热 接触，提供了很大的散热结构，远高于器件的散热需求。纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。由于采用了降额设计，所有器件的散热都有充分的安全余量，同时所有器件都能承受规定的环境稳定变化。2. 环保型设计考虑本雷达所用元器件原则上采用无铅焊器件，电路板采用无铅焊接，遵从国际相关的环保标准3. 包装、运输设计考虑为雷达产品设计了专门的包装盒，使用了内部厚纸板框架和厚泡沫减震材料，保证雷达产品能够承受运输过程。八、可靠性预检验雷达产品必须通过严格的可靠性检验才能进入市场。常规的可靠性检验设备规模庞大，造价高昂。中

24、小型电子制造业，包括大多数 民营企业，不可能在发展初期有能力构建符合国家资质要求的可靠性 检验系统。合理的做法是，本企业构建一套初级的予检验系统，目的 是把握本企业产品可靠性的基本情况。产品必须先完全通过本企业的 预检验，再到有可靠性检验资质的部门进行认证检验。颖刍莖峽饽亿顿裊赔泷。本企业的可靠性预检验包括如下项目：1.高温工作检验将成品雷达置于烘箱中启动工作，通过烘箱的玻璃窗在外部用微波接 收天线和频谱分析仪测量雷达的发射频率和功率。让烘箱的温度上升到+ 700C并保持温度。在此条件下，雷达持续工作2小时，测量雷达的发射频率和功率的变化应满足限定指标。濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。2.低温工作检验将成品雷达置于冷冻箱中启动工作，通过冷冻箱的玻璃窗在外部用微 波接收天线和频谱分析仪测量雷达的发射频率和功率。让冷冻箱的温度下降到200C并保持温度。在此条件下，雷达持续工作2小时，测量雷达的发射频率和功率的变化应满足限定指标。銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。3. 雨水侵蚀检验用自来水代替雨水，喷洒雷达30分钟后，加电工作应正常。然 后开盖检查，雷达内部应无水浸入的现象。4. 跌落试验将试验样品雷达（每组3只）置于1.5米高度上