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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
 三、 可靠性设计的基本思路 4
 四、 系统级可靠性设计 4
 五、 电路级可靠性设计 6
六、 结构级可靠性设计 11
七、 综合级可靠性设计 14
八、 可靠性预检验 15

 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－ 机动车超速自动监测系统检定规程
  JJG 528－ 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。军用电子产品一般采用性能最优化设计: 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, 产品构成能够很复杂, 能够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但仅是降低成本, 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经过仔细的分析论证, 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。
 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。
   结构级设计: 采用电路－结构一体化的设计方法, 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。
   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。
 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, 在总体设计中考虑了
l      使用最可靠又简单、 有效的设计方案;
l      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;
l      避免使用繁杂的电路设计方案;
l      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, 而不用国外产品常见的GUNN振荡器。这避免了GUNN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能够消除跳模现象, 保证了雷达测量数据的可靠性。
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－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。
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, 对于降低成本和提高可靠性很有意义。
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。
5.     使用了单个高速KITOZERP信号处理方案, 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的作用, 而不是用多片合作解决信号处理及相关问题能够减少多个器件互连可能引起的不可靠问题。另外, 系统功能的实现和扩充集中到KITOZERP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。
 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:
l      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( －650C～＋1500C) ;
l      电容元件的耐压高于工作电压2倍;
l      电源模块上电容元件的耐压高于工作电压2.5倍;
l      电阻元件额定功耗高于实际功耗3倍;
l      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
l      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;
l      置偏和供电限制, 保证微波器件不发生过流和过压问题;
l      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。

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。能够理解, 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, 能够避免对元器件的参数进行苛刻的筛选, 能够大幅度地提高产品的成品率。
       实现参数中心设计必须使用计算机辅助设计和仿真( CAD&S) 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, 经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。许多实施技术能够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。另外, 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, 能够很有效地实施参数中心设计技术。
       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, 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, 生产的雷达能够在规定的全温度范围内( －200C～＋700C) 达到24.15GHz±15MHz的频率稳定度( 国家标准是±45MHz) , 并保证雷达生产达到合理的高成品率。

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
l      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;
l      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;
l      选用低敏感度中频滤波器设计方案, 确保稳定性;
l      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
l     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;
l     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;
l     对微波、 模拟和电源模块进行分别的屏蔽处理;
l     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
l     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。
l     对电源的不同负载引入了解耦设计, 防止数字电路经过电源对模拟电路发生串扰;
l     对电路块的输出引入了短路保护设计;
l     对功耗较大的电路引入了限流和限压设计;
l     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。

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:
l      给232接口输出芯片附加限流保护;
l      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:
l         将雷达本体和壳体在电气上独立起来, 它们之间经过高电阻互连, 这能够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。
l         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KITOZERP处理单元的自动重启。
l         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。
l         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。
l         所设计的雷达天线通带约为24.15GHz±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。在应用中波束一般固定地指向车道上的一个固定照射区。因此经过天线接收外界干扰受到频域和空域的双重限制。

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。常见的措施包括:
l     对微带电路必须有良好的屏蔽结构;
l     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;
l     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;
l     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额外的互连需求和同轴－波导－微带转换设计;
    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。雷达的其它电路能够安排在收发电路周围, 也可重叠安装。

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
l     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;
l     使用了硬质铝合金雷达后盖或钢质壳体;
l     对后盖或壳体的电气和机械外连采用密封型设计;
l     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;
l     在壳体或后盖上设计了紧凑、 灵活、 并方便的对外安装结构;
l     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0～18kHz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致在0～5kHz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。

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。
   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
   雷达产品必须经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。产品必须先完全经过本企业的预检验, 再到有可靠性检验资质的部门进行认证检验。
    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, 经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。

2.     低温工作检验
将成品雷达置于冷冻箱中启动工作, 经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。

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米高度上自由落体跌落在硬质石面地板上。跌落后, 雷达壳体可出现小的撞击伤痕, 但应无破裂, 并加电工作正常。

5.     静电放电试验
   用静电放电发生器对雷达进行静电冲击。放电电压置于5000伏或更高, 储能电容150pF, 放电电阻330Ω。对雷达壳体包括外接头附近进行静电放电冲击。在重复多次静电冲击后, 雷达加电测试应工作正常。

6. 持续加电工作试验
   将雷达成批量地置于加电测试工作台上, 加电进入工作, 持续时间72小时。完成后, 检查雷达是否依然处于正常工作状态。

7. 现场测试
   将雷达置于公路旁、 过街天桥上等现场条件下, 对车辆进行现场应用测试, 包括数据采集。在典型应用环境下, 针对几种典型目标所采集的数据应表明雷达的工作是否正常和是否达到技术要求。

8. 对雷达平均无故障工作时间( MTBF) 的估计
   经过持续加电工作实验的积累实验数据能够容易地估计在室内环境下雷达工作的平均无故障工作时间。这个数据常常只有参考意义。更可信的平均无故障工作时间估计能够经过试用产品的用户来获得。一个实例如下: 太原市交通管理系统中, 从 9月下旬起使用本企业定型的测速雷达61只, 至今已历时8个多月, 经历了户外酷暑、 寒冬、 雨雾等环境过程, 出现故障报告共4次( 二例接口故障, 二例接收灵敏度下降) 。