車輛監(jiān)測用微波測速雷達方案

-.z車輛監(jiān)測用微波測速雷達的可靠性設(shè)計TOC\o"1-3"\h\u16109

一、可靠性設(shè)計的主要根本參照文件217826

二、測速雷達可靠性設(shè)計的目的和意義214245

三、可靠性設(shè)計的根本思路430314

四、系統(tǒng)級可靠性設(shè)計417949

五、電路級可靠性設(shè)計65041六、構(gòu)造級可靠性設(shè)計114825七、綜合級可靠性設(shè)計1417383八、可靠性預(yù)檢驗15

一、可靠性設(shè)計的主要根本參照文件

GB/T11463—1989電子測量儀器

可靠性試驗；

GB6587.1－86

電子測量儀器環(huán)境試驗總綱

及GB6587系列文件；

GB5080.1－86設(shè)備可靠性試驗

總要求

及GB5080系列文件。

JJG527－2007機動車超速自動監(jiān)測系統(tǒng)檢定規(guī)程

JJG528－2004機動車雷達測速儀檢定規(guī)程

二、測速雷達可靠性設(shè)計的目的和意義1.

保證測速雷達產(chǎn)品符合國家和行業(yè)提出的相關(guān)可靠性標準；2.

保證產(chǎn)品在使用民用級元器件和批量生產(chǎn)條件下，到達合理的合格率；3.

保證產(chǎn)品在民用無維護、戶外惡劣的應(yīng)用環(huán)境下，具有合理的故障率；4.

保證上述要求的低本錢實現(xiàn)。

以上四項要求事實上是產(chǎn)品能否生存的根本條件。公路車輛測速雷達作為民用產(chǎn)品，不可能用苛刻的元器件篩選來滿足產(chǎn)品合格率的要求，因為那樣會大幅度提高產(chǎn)品造價；不可能要求用戶具有專業(yè)的維護技能、遵從耐心的安裝規(guī)則、和有清潔的安裝使用環(huán)境；必須能適應(yīng)長期戶外的惡劣環(huán)境，包括－200C～＋700C的工作環(huán)境溫度，以及雨、鹽霧的侵蝕、雷電環(huán)境和電磁干擾；產(chǎn)品必須具有很低的故障率，稍高的故障率就會使產(chǎn)品被市場淘汰。低本錢又是緊要的限制。為了到達這些目標，大量生產(chǎn)的電子產(chǎn)品，包括民用電子產(chǎn)品，其設(shè)計思想與軍用或?qū)Ｓ秒娮赢a(chǎn)品的設(shè)計思想就會有重大的不同。軍用電子產(chǎn)品通常采用性能最優(yōu)化設(shè)計：用當前可得到的技術(shù)資源，到達最好的設(shè)計指標。本錢，包括成量生產(chǎn)下的本錢，對軍用產(chǎn)品而言是次要的考慮因素。因此，設(shè)計方案盡量完善，產(chǎn)品構(gòu)成可以很復(fù)雜，可以使用各種支持技術(shù)附加到產(chǎn)品上。大量生產(chǎn)的產(chǎn)品包括民用產(chǎn)品則完全不可能這樣設(shè)計。大量生產(chǎn)條件下，節(jié)約本錢極為緊要。對應(yīng)用電子產(chǎn)品而言，只要產(chǎn)品能夠滿足應(yīng)用需求，設(shè)計應(yīng)力求精簡。精簡設(shè)計帶來的好處不僅僅是降低本錢，而且更容易保證產(chǎn)品的可靠性。精簡設(shè)計要從總體方案的制定開場。必須重新審視每一個可能的技術(shù)方案，尋求最精簡可靠的方案。在精簡的總體設(shè)計中必須通過仔細的分析論證，提出保證技術(shù)指標的關(guān)鍵技術(shù)，并將解決關(guān)鍵技術(shù)作為產(chǎn)品開展的第一步。在此根底上才能落實總體方案。然后小心地進展電路和構(gòu)造設(shè)計，保證產(chǎn)品滿足應(yīng)用需求和高的可靠性。由于民用產(chǎn)品本錢上的苛刻限制，對它的可靠性設(shè)計是一個挑戰(zhàn)。本文件具體說明我們在測速雷達設(shè)計中對可靠性的考慮。

三、可靠性設(shè)計的根本思路

系統(tǒng)級設(shè)計：采用精簡設(shè)計方案。在滿足技術(shù)要求的前提下，盡量防止使用繁雜的電路和構(gòu)造設(shè)計方案。

電路級設(shè)計：采用降額設(shè)計原則；預(yù)保護技術(shù)；電路參數(shù)中心設(shè)計技術(shù)；低敏感度設(shè)計技術(shù)；抑制干擾的接地和布線技術(shù)；抑制干擾的屏蔽技術(shù)；電路的保護性設(shè)計；接口的保護性設(shè)計；以及電磁兼容性設(shè)計。

構(gòu)造級設(shè)計：采用電路－構(gòu)造一體化的設(shè)計方法，在保證電氣特性的同時，還要保證構(gòu)造滿足環(huán)境應(yīng)用需求。需要考慮的技術(shù)問題包括：殼體的剛性、密封性、易安裝性、和環(huán)境適應(yīng)性〔溫度、濕度、抗風(fēng)、抗鹽霧、抗振動能力〕；構(gòu)造的力學(xué)合理性；構(gòu)造與電磁兼容技術(shù)的適應(yīng)性；構(gòu)造力學(xué)、聲學(xué)振動對雷達性能的影響考慮。

綜合級設(shè)計：指熱設(shè)計、抗輻射設(shè)計、抗主動干擾設(shè)計；環(huán)保型設(shè)計考慮；包裝、運輸設(shè)計考慮等等。本測速雷達不考慮抗輻射和抗主動干擾設(shè)計問題。

四、系統(tǒng)級可靠性設(shè)計

精簡設(shè)計是經(jīng)濟型電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計的根本思路。本測速雷達的總體方案完全遵從精簡設(shè)計的原則。具體地說，在總體設(shè)計中考慮了

使用最可靠又簡單、有效的設(shè)計方案；

對關(guān)鍵性的技術(shù)問題進展仔細論證和預(yù)先研究，保證到達技術(shù)要求，防止過度設(shè)計；

防止使用繁雜的電路設(shè)計方案；

防止在設(shè)計方案中使用對應(yīng)用環(huán)境敏感的部件或組件。在系統(tǒng)級設(shè)計方案中使用了以下設(shè)計考慮：1.

微波發(fā)射源使用混合微波集成電路振蕩器，而不用國外產(chǎn)品常用的GUNN振蕩器。這防止了GUNN振蕩器可能出現(xiàn)的振蕩頻率跳?，F(xiàn)象。這種頻率跳變現(xiàn)象特別敏感于起振時的環(huán)境溫度和電源變化。GUNN的振蕩模式跳變常常具有不規(guī)則性，并會造成雷達測量的速度數(shù)據(jù)完全不可用。使用混合微波集成電路振蕩器可以消除跳?，F(xiàn)象，保證了雷達測量數(shù)據(jù)的可靠性。2.

從測速雷達的應(yīng)用要求來看，雷達天線波束方向性圖的質(zhì)量是決定性能的關(guān)鍵。這包括波束寬度，波束形狀因子〔－10dB寬度與－3dB寬度的比值〕，旁瓣電平，以及天線的輻射效率。把這些指標做高，會大大減緩對雷達電路設(shè)計和數(shù)據(jù)處理算法的壓力。直承受影響的技術(shù)參數(shù)包括：雷達的測速距離或靈敏度；雷達對車輛的定位準確性；雷達區(qū)分車輛的能力；雷達克制鄰車道干擾的能力。因此在本雷達中，對雷達天線設(shè)計下了深入的功夫。天線在成量生產(chǎn)條件下方向性圖的一致性很好，波束形狀因子接近于2，旁瓣電平為－15dBi或更低。這為雷達在批量生產(chǎn)條件下保證性能的一致性奠定了根底。3.

雷達接收和信號檢測使用了窄帶系統(tǒng)方案，以到達低的噪聲帶寬。盡可能減少微波收發(fā)系統(tǒng)中的微波器件，對于降低本錢和提高可靠性很有意義。4.

充分利用當前市場上可得到的電子器件的功能，到達簡化設(shè)計、提高性能、和降低本錢的綜合目標。5.

使用了單個高速KITOZERP信號處理方案，盡量不附加FPGA芯片。這是鑒于所選用的高速浮點KITOZERP芯片功能強大，不貴。我們的經(jīng)歷說明，充分發(fā)揮單個KITOZERP的作用，而不是用多片合作解決信號處理及相關(guān)問題可以減少多個器件互連可能引起的不可靠問題。此外，系統(tǒng)功能的實現(xiàn)和擴大集中到KITOZERP軟件工作上，更容易滿足不同用戶和應(yīng)用環(huán)境提出的不同要求。

五、電路級可靠性設(shè)計1.降額設(shè)計

采用了以下降額設(shè)計措施：

所有元器件采用工業(yè)級，容許工作溫度*圍〔－400C～＋850C〕；儲存溫度*圍〔－650C～＋1500C〕；

電容元件的耐壓高于工作電壓2倍；

電源模塊上電容元件的耐壓高于工作電壓2.5倍；

電阻元件額定功耗高于實際功耗3倍；

電源額定輸出功率高于實際輸出功率2.5倍；

2.預(yù)保護技術(shù)

對微波器件采用了特別的預(yù)保護技術(shù)。這包括

預(yù)短路技術(shù)，保證微波器件在安裝過程中不會受靜電或漏電的沖擊而損壞；

置偏和供電限制，保證微波器件不發(fā)生過流和過壓問題；

構(gòu)造性保護：微波電路有嚴格的加工工藝過程、對芯片粘貼和金絲綁定的加重措施、以及有專門的小型屏蔽保護構(gòu)造。

3.電路參數(shù)中心設(shè)計技術(shù)

對于大規(guī)模生產(chǎn)的電子產(chǎn)品，必須使用參數(shù)中心設(shè)計技術(shù)。當設(shè)計指標給定時，原則上說，元器件參數(shù)容許在一個參數(shù)空間中取值。而最正確或最合理的一組元件的設(shè)計值〔稱為中心設(shè)計值〕應(yīng)該這樣來選取：當任何一個元件參數(shù)的實際值偏離它的設(shè)計值在一個規(guī)定的離差*圍內(nèi)時，電路特性能夠控制在一個規(guī)定的容許*圍內(nèi)?？梢岳斫?，對民用電子產(chǎn)品特別是其中的模擬電路，使用參數(shù)中心設(shè)計技術(shù)特別重要。使用了參數(shù)中心設(shè)計技術(shù)，可以防止對元器件的參數(shù)進展苛刻的篩選，可以大幅度地提高產(chǎn)品的成品率。

實現(xiàn)參數(shù)中心設(shè)計必須使用計算機輔助設(shè)計和仿真〔CAD&S〕技術(shù)。用電路特性的容限圖作為根本限制條件。從一個根本設(shè)計開場，對元件參數(shù)進展隨機偏離試驗，通過計算機仿真來尋找元件參數(shù)的〔集合的〕設(shè)計中心值。這個過程稱為MonteCarlo仿真。不過，當電路中元件參數(shù)很多，特別是含非線性和溫度相關(guān)特性時，這種根本的隨機試驗法計算工作量太大。許多實施技術(shù)可以大幅度地減少計算工作量。一種有效方法是區(qū)分重要參數(shù)和非重要參數(shù)，中心設(shè)計技術(shù)只對重要參數(shù)實施。此外，在根本設(shè)計中，電路構(gòu)造〔拓撲〕的選擇非常重要。不同電路構(gòu)造的特性關(guān)于元器件參數(shù)變化的敏感度常常是不同的。如果電路中含有溫度敏感元件，例如希望補償有源振蕩器的頻率漂移，則必須對電路拓撲進展仔細分析，確認補償?shù)臋C制和合理性。有經(jīng)歷的設(shè)計人員對不同的功能電路常常有一些經(jīng)歷的處理方法，可以很有效地實施參數(shù)中心設(shè)計技術(shù)。

在測速雷達中，我們對雷達發(fā)射源的頻率穩(wěn)定性實施了參數(shù)中心設(shè)計技術(shù)。振蕩源器件的頻率－電壓關(guān)系是非線性的，這種關(guān)系隨溫度變化而變化。振蕩源器件特性的離差相當大，為大量生產(chǎn)條件下保證產(chǎn)品特性一致性造成困難。鑒于微波發(fā)射源頻率穩(wěn)定性對測速雷達至關(guān)重要，在產(chǎn)品設(shè)計中作了專門考慮。對頻率穩(wěn)定化電路實施參數(shù)中心設(shè)計的實踐說明，所提到的困難能夠得到克制。本產(chǎn)品生產(chǎn)中，在無苛刻元器件篩選的條件下，生產(chǎn)的雷達可以在規(guī)定的全溫度*圍內(nèi)〔－200C～＋700C〕到達24.15GHz±15MHz的頻率穩(wěn)定度〔國家標準是±45MHz〕，并保證雷達生產(chǎn)到達合理的高成品率。

4.低敏感度設(shè)計技術(shù)

當電路中含放大器等有源器件時，降低電路特性對參數(shù)變化的敏感度就很重要。在本雷達系統(tǒng)設(shè)計中使用的方法有

采用低阻信號通道進展傳輸和互連，降低電路匹配不完善可能引起的問題，降低雜散參數(shù)對電路性能的影響；

限制每個放大器的增益和帶寬，防止寄生振蕩的可能性，保證產(chǎn)品特性的一致性；

選用低敏感度中頻濾波器設(shè)計方案，確保穩(wěn)定性；

采用寬輸入電源設(shè)計。額定外電源電壓是＋12V，容許的電壓*圍是＋7V~+16V。

6.

抑制干擾的接地、布線和屏蔽技術(shù)本雷達中采用了很精細的接地、布線和屏蔽技術(shù)。大致說來，包括

嚴格區(qū)分模擬地、數(shù)字地、電源地、外殼地，對這些地的互連進展了細致的分析和處理；

對模擬和數(shù)字電路進展了隔離處理，特別是保證了弱輸入模擬信號免除可能來自數(shù)字電路和電源電路的干擾；

對微波、模擬和電源模塊進展分別的屏蔽處理；

對內(nèi)部電路整體進展了防靜電積累處理。

6.電路保護性設(shè)計

針對外電源輸入可能被用戶反接的問題作了保護性設(shè)計；電源模塊引入了限流、限壓和短路保護。

對電源的不同負載引入了解耦設(shè)計，防止數(shù)字電路通過電源對模擬電路發(fā)生串擾；

對電路塊的輸出引入了短路保護設(shè)計；

對功耗較大的電路引入了限流和限壓設(shè)計；

對易損電路器件如微波混頻器采用綜合性的保護設(shè)計，如預(yù)短路；防電沖擊和過壓；防裝調(diào)過程中的不慎觸及等。

7.接口的保護性設(shè)計

232接口的自保護能力缺乏，在用戶不規(guī)*的使用情況下可能造成損壞。為了強化232接口抗不規(guī)*外部使用條件的能力，在本雷達中采用了以下措施：

給232接口輸出芯片附加限流保護；

在232輸出線路上附加限流和限壓保護。

8.電磁兼容性設(shè)計

與測速雷達相關(guān)的電磁兼容性要求包括：抗公路環(huán)境雜散電輻射的能力；抗電源和殼體引入電沖擊的能力；抗下位微機引入雜散串擾的能力；在雷電干擾下系統(tǒng)保持正常工作的能力；系統(tǒng)承受靜電放電沖擊的能力；電源短時或持續(xù)中斷后系統(tǒng)的重啟能力；限制雷達系統(tǒng)對外產(chǎn)生無效輻射的水平。這些要求在電路級可靠性設(shè)計的前述各項措施中大多數(shù)已加以考慮。一局部額外的設(shè)計考慮如下：

將雷達本體和殼體在電氣上獨立起來，它們之間通過高電阻互連，這可以防止殼體上感應(yīng)的各種雜散干擾傳導(dǎo)到雷達本體上，同時為雷達本體提供一個靜電的釋放通道，防止造成靜電積累。

對雷達電路各單元在斷電后的自動重啟作了仔細考慮，特別是從硬件和軟件設(shè)計兩個方面保證了KITOZERP處理單元的自動重啟。

雷達后板或殼體具有防止雷達數(shù)字－脈沖電路可能產(chǎn)生對外不良輻射的能力。

雷達本體與外部的電氣互連經(jīng)過一個密封連接器進展，保證了密封連接器的導(dǎo)體與雷達殼體之間的絕緣強度。

所設(shè)計的雷達天線通帶約為24.15GHz±0.5GHz，有能力抑制現(xiàn)代交通和工業(yè)環(huán)境下產(chǎn)生的非成心強干擾和雷電干擾，因為這類干擾的頻譜在1GHz以上時衰減很快。雷達工作帶寬很窄〔約18kHz〕，有能力避開24GHz附近的常規(guī)非頻率跟蹤式成心干擾。天線波束很窄，旁瓣在－15dB以下。在應(yīng)用中波束通常固定地指向車道上的一個固定照射區(qū)。因此通過天線接收外界干擾受到頻域和空域的雙重限制。

六、構(gòu)造級可靠性設(shè)計1．電路－構(gòu)造一體化設(shè)計方法

一體化設(shè)計對微波收發(fā)前端特別重要，其根本思路是：在保證微波收發(fā)系統(tǒng)性能的前提下，使用加工量最少和最緊湊的構(gòu)造設(shè)計。常用的措施包括：

對微帶電路必須有良好的屏蔽構(gòu)造；

在保證微波電路單元和單元之間對電長度和匹配需求的前提下，盡量縮短之間的距離；

對微帶電路強加空間的構(gòu)造限制，保證正常傳輸?shù)那疤嵯?，提高各個電路端口之間的隔離度，以及防止出現(xiàn)寄生傳輸和振蕩模式；

盡可能將各個微波功能單元進展一體化、平面化設(shè)計，盡量防止或減少微波功能單元之間額外的互連需求和同軸－波導(dǎo)－微帶轉(zhuǎn)換設(shè)計；

按照以上原則我們將微波收發(fā)前端設(shè)計成以下形式：使用一個天線底板，一面貼天線，反面貼微波收發(fā)電路，它們之間使用一個同軸構(gòu)造直接互連。微波收發(fā)電路設(shè)計得很緊湊，該電路使用一個屏蔽蓋扣蓋起來。雷達的其他電路可以安排在收發(fā)電路周圍，也可重疊安裝。

2.構(gòu)造可靠性的常規(guī)設(shè)計

包括：殼體的剛性、密封性、易安裝性、和環(huán)境適應(yīng)性〔溫度、濕度、抗風(fēng)、抗鹽霧、抗振動能力〕；構(gòu)造的力學(xué)合理性。幾個主要措施包括

使用了力學(xué)強度高、電氣性能好的工程塑料制作雷達的前罩；

使用了硬質(zhì)鋁合金雷達后蓋或鋼質(zhì)殼體；

對后蓋或殼體的電氣和機械外連采用密封型設(shè)計；

前罩與殼體或后蓋之間使用了密封槽和密封圈的連接設(shè)計；

在殼體或后蓋上設(shè)計了緊湊、靈活、并方便的對外安裝構(gòu)造；

對需要緊固的互連構(gòu)造，使用了消應(yīng)力設(shè)計，防止構(gòu)造發(fā)生疲勞變形。

3.抗聲學(xué)振動設(shè)計

抗聲學(xué)振動對測速雷達有特殊意義。測速雷達基于多普勒原理工作。當雷達發(fā)射頻率為24.15GHz時，公路車輛的高速移動造成的多普勒頻率限定在0～18kHz*圍內(nèi)。當雷達被安裝到公路旁、公路上方、或警車上時，外界強烈的聲學(xué)振動和機械振動會引起雷達殼體的振動，并進一步引起雷達天線構(gòu)造和防護罩的振動，造成發(fā)射和接收微波信號的寄生調(diào)制。聲學(xué)和機械振動頻率大致在0～5kHz*圍內(nèi)，落在有效多普勒頻率*圍內(nèi)。如果不加以抑制，寄生調(diào)制造成的假信號會造成錯誤的數(shù)據(jù)輸出。在本雷達使用了抑制聲學(xué)振動的設(shè)計。主要措施是：保證微波電路密封構(gòu)造的剛性，使密封構(gòu)造的機械諧振頻率遠離雷達使用環(huán)境下可能出現(xiàn)的強聲學(xué)振動頻率；在雷達本體和殼體之間使用高阻尼機械互連設(shè)計，一方面加大了殼體對外產(chǎn)生機械諧振的阻尼，同時大大抑制了雷達本體的機械諧振。

4.構(gòu)造與電磁兼容技術(shù)的適應(yīng)性

由于使用了一體化設(shè)計考慮，本雷達構(gòu)造與電磁兼容性設(shè)計到達了良好適應(yīng)。

七、綜合級可靠性設(shè)計1.熱設(shè)計

本雷達無大功耗元器件，熱設(shè)計考慮得到大大簡化。主要考慮包括

微波發(fā)射源有一定散熱需求。對此按照器件使用說明書推薦的方法進展了良好的貼地處理。同時，發(fā)射源、蓋板與天線板有良好的熱接觸，提供了很大的散熱構(gòu)造，遠高于器件的散熱需求。

由于采用了降額設(shè)計，所有器件的散熱都有充分的平安余量，同時所有器件都能承受規(guī)定的環(huán)境穩(wěn)定變化。

2.環(huán)保型設(shè)計考慮

本雷達所用元器件原則上采用無鉛焊器件，電路板采用無鉛焊接，遵從國際相關(guān)的環(huán)保標準。

3.包裝、運輸設(shè)計考慮

為雷達產(chǎn)品設(shè)計了專門的包裝盒，使用了內(nèi)部厚紙板框架和厚泡沫減震材料，保證雷達產(chǎn)品能夠承受運輸過程。

八、可靠性預(yù)檢驗

雷達產(chǎn)品必須通過嚴格的可靠性檢驗才能進入市場。常規(guī)的可靠性檢驗設(shè)備規(guī)模龐大，造價高昂。中小型電子制造業(yè)，包括大多數(shù)民營企業(yè)，不可能在開展初期有能力構(gòu)建符合國家資質(zhì)要求的可靠性檢驗系統(tǒng)。合理的做法是，本企業(yè)構(gòu)建一套初級的予檢驗系統(tǒng)，目的是把握本企業(yè)產(chǎn)品可靠性的根本情況。產(chǎn)品必須先完全通過本企業(yè)的預(yù)檢驗，再到有可靠性檢驗資質(zhì)的部門進展認證檢驗。

本企業(yè)的可靠性預(yù)檢驗包括如下工程：

1.

高溫工作檢驗將成品雷達置于烘箱中啟開工作，通過烘箱的玻璃窗在外部用微波接收天線和頻譜分析儀測量雷達的發(fā)射頻率和功率。讓烘箱的溫度