军用弹载雷达如何进行可靠性设计

Posted 2021-04-19 国科环宇

　　1 引 言

　　

　　提高可靠性和使用维修性是增强武器战斗力的有效手段。对于弹载雷达的可靠性设计，应当突出到与其性能、成本同样重要的地位。可靠性工作是一项繁琐复杂的系统工程，贯穿于从设计、生产到使用的整个过程。而产品设计阶段是其可靠性形成的关键阶段。为提高弹载雷达的可靠性，应该在其设计阶段就进行充分的可靠性设计。某型弹载雷达经过工程研制，已顺利通过可靠性鉴定试验。笔者在从事该雷达研制的基础上，对其可靠性设计工作进行了归纳总结，现就其中主要的几个方面作一简单介绍。

　　

　　2 电讯可靠性设计

　　

　　电讯可靠性设计包含十分丰富的内容，在某型弹载雷达的设计中，主要突出了以下几个方面：

　　

　　2.1 系统简化设计

　　

　　在满足总体战技性能的前提下，尽量简化系统和电路，突出模块化设计和集成化、数字化、智能化设计。

　　

　　按模块化设计概念和要求，根据产品特点，在研制时将模块化设计定在部件和插板级。通过对产品功能分析，将各分系统中具有独立功能的部件和插板列出作为电路功能模块，并按结构模块化设计要求对模块结构进行统一设计。电路标准化，减少二次电源种类，尽量选用低的二次电源。

　　

　　超大规模集成电路、计算机处理和智能管理是当代高科技的产物。要体现产品的时代特点，获得高性能，提高可靠性，必须依赖于集成化、数字化和智能化设计。从串联结构模型看，电子设备的可靠性与元器件的可靠度密切相关，元器件越多可靠度就越低，设备可靠性也就越低。采用高集成度的器件，简化电路设计，减少元器件，提高其可靠度是提高设备可靠性的非常有效的手段。

　　

　　由于计算机处理技术的引入和可编程器件的应用，雷达技术中软件技术占了很大的比例。软件的可靠性同样应该引起足够的重视。模块化设计也可作为软件设计的规范。软件模块通常为按逻辑功能编制的特定程序。在编制软件时，应充分分析软件运行环境，避免软件缺陷被激活或采用容错设计，简化内部结构，适度控制规模。

　　

　　2.2 合理选用元器件

　　

　　在初始研制阶段，应遵循定点原则，在定点范围内或根据优选手册选用元器件。遵照有关元器件品种、型号认定原则，选用认定合格的元器件，优先选用有发展前途的符合标准化、系列化、通用化要求和可靠性水平高的元器件，优先选用按国标标准和国家标准生产的元器件。对必须采用的新型元器件、关键元器件、进口元器件均应事先通过试验、鉴定或质量认定。在设计电路时，尽可能提高元器件的复用率，压缩元器件的品种、规格。参照电子元器件降额设计规范，对元器件降额使用。这样做可使元器件在长期工作中获得较大的工作裕度。另外，还应对所有元器件进行可靠性筛选。

　　

　　2.3 电路优化设计

　　

　　在电路设计时，要采用三次设计的方法，即功能设计、参数设计和容差设计，以使电路的稳定性最佳而成本最低。

　　

　　首先是确定电路和元器件参数的初始值，使之满足电路的功能要求。其次通过分析各种元器件的搭配寻找能使电路最优的参数搭配。最后计算各个元器件(分系统)参数变化对电路(系统)参数的影响程度。容差设计的有效性可用电路供电电源拉偏等试验来检验。

　　

　　2.4 瞬态过应力保护设计

　　

　　电子系统的不连续工作(如系统接入电网、电源通断、继电器通断、电路对脉冲信号的响应等)不可避免会出现过度过程，可能产生电压脉冲，形成浪涌，对电子元器件可造成瞬态过应力。因此，必须进行瞬态过应力保护设计。在电路设计时，要预先对元器件，特别是半导体器件、电容器、电感器、某些电阻器等在瞬态过程中的承受能力进行分析，在可能出现瞬态过应力的地方加上适当的滤波网络、钳位保护电路和稳压二极管保护电路等。

　　

　　3 结构可靠性保障设计

　　

　　结构可靠性保障设计包括电磁兼容性设计、热设计和机械防振设计等。

　　

　　3.1 电磁兼容设计

　　

　　为保证雷达在预计的电磁环境中能正常工作，电磁兼容性设计应贯穿到整个设计之中。设计的基本方针是对“场”(静电场和电磁场)和“路”(传输线路)引入的干扰采取抑制措施。

　　

　　采用屏蔽设计，克服经过“场”耦合引入干扰。在结构布局上将高频、中频、低频尽量分隔开来；对电磁敏感器件和电磁干扰源采用屏蔽罩、网、屏蔽舱室等小环境将其隔离屏蔽起来；单元功能模块之间的电气连接采用多层印制板走线连接，即背板连接技术。

　　

　　根据不同的电路的要求，采用不同的接地方法。将各组合、插件的接地电路各自形成回路；在布置印制板走线时，恰当布置地线，使各级的地线电流局限在尽可能小的范围内；根据地线电流的大小和信号频率的高低，选择相应形状的地线和接地方式；对易受地线干扰的信号采用专用线作地线。

　　

　　当然，在进行电路设计时，应考虑在干扰的发源处(如发射机、主机振荡器、电源等)用滤波网络等将干扰滤波、旁路、屏蔽和隔离。为了解决发射机和主机功率泄漏问题，要在波导的连接处设置扼流槽，以免造成人身伤害和产生电磁干扰。

　　

　　3.2 热设计

　　

　　电子元器件周围的环境温度过高是造成电子元器件失效的重要原因。主要是当工作环境温度过高时，器件本身功耗造成的热量不易散发造成元器件过热而失效。进行热设计，先要了解设备的热特性及工作的环境温度，然后在设计中既要考虑尽可能降低自身的发热量，又要考虑充分利用热对流、热传导、热辐射等散热方法，对发热器件加以冷却，使其产生的热量尽可能地散发出去，从而控制元器件工作时的温升，使温升在允许的范围之内，保证元器件可靠地工作。

　　

　　针对弹载雷达整个舱段为整体封闭式结构的特点，对舱段的散热主要是通过舱段表面的自然冷却方法；对于舱段内部采用强迫风冷和自然冷却相结合的方法。为快速将舱内热量传至舱壁和结构支架上，结构设计中充分注意了热通路并尽可能降低热阻。在总体结构布局上，将发热量大的组合放在上半部分，发热量小的放在下半部分，中间用一个金属平板隔开起到热屏蔽作用。在印制板上，适当控制芯片排列的密度，对发热量大的双列直插式大规模集成电路，加导热条、导热带或隔热屏蔽板。

　　

　　3.3 机械防振设计

　　

　　雷达结构可分离模块化整体舱段结构，采用完全刚性连接，依靠提高各模块自身的刚强度的方法以及组装后使得整体刚强度增强的方法使雷达整体满足耐振抗冲击性能的要求。对于个别对振动、冲击敏感的部件(位)采用局部减振方法(用阻尼板、减振器等)。

　　

　　模块化结构可以简化机型，使工艺过程典型化和工装标准化，从而提高产品可靠性。

　　

　　4 工艺可靠性设计

　　

　　工艺可靠性设计主要考虑电气互连、气候环境“三防”及静电防护等内容。

　　

　　4.1 电气互连技术

　　

　　对于永久性互连，要防止虚焊、脱焊和接触不良。在焊接时要注意焊接温度、焊接时间、可焊性检查和正确的焊接操作。

　　

　　为便于组装和维修更换，在印制板与机柜、机柜与机柜之间采用可拆式电气连接。连接器互连可靠性主要考虑以下几点：(1)结构设计合理可靠，有防止误插措施，操作简单，装卸方便。(2)接触电阻小且能长期保持稳定。(3)有足够的插拔力及长期稳定性，以满足使用寿命要求。(4)对于多线插件采用多接点并联冗余设计，以保证接插件的接点接触可靠性。(5)高低压电缆分开排列。

　　

　　4.2 气候环境“三防”设计

　　

　　所有零部件、元器件都要具有防潮湿、防盐雾、防霉菌的能力。对关键元器件、对环境敏感的元器件外加密封装置或进行灌封处理，并特别注意加强电缆接头、插头座、接口、变压器等处的“三防”措施。

　　

　　4.3 静电防护

　　

　　静电防护措施贯穿于采购、检测、保管、传递、装配和调试各阶段。对静电敏感器件、印制板的电装、金装、运输、接收检查和储存按照电子产品静电防护可靠性工艺规范的要求采取静电保护措施。

　　

　　5 可靠性试验与可靠性增长

　　

　　产品研制过程是设备固有可靠性形成和增长的过程，这种增长是通过不断消除设备缺陷，克服薄弱环节，使设计逐步趋于完善和成熟来实现的。除了采用设计评审的方法对设计质量进行控制外，在研制期间，必须通过一系列可靠性试验来发现故障(也可以利用性能试验、功能试验、环境试验等来发现问题)，然后对所发生的故障采取相应的纠正措施，在设计上根据故障类型予以改进。经过试验——分析——改进的反复循环过程，使雷达的可靠性水平不断得到提高和增长，最后达到MTBF的期望值。

　　

　　总之，可靠性工作是一项全天候的系统工程。在装备的可靠性系统工程中，产品研制主要是解决优生的问题，在使用寿命时间内，如何保持其良好的战备完好性仍是一个重大的问题。

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