２０１３年（第４２卷）第１２期 工 阡技 雷达电子产品可靠性工程设计应用 孙波，袁有宏 兰州７３００７０） （海军装备部，甘肃摘要：对雷达电子产品研制过程中开展可靠性工程设计所应遵循的可靠性设计要求、设计准则及工程设计方法进行深入 思考。从而采用有效的可靠性设计技术，达到优化设计的目的，以提高雷达电子产品可靠性。 关键词：可靠性设计；电磁兼容性；可靠性预计和分配 ０引言 随着雷达性能日益提高，指标不断提升，其构成也 ２可靠性指标预计及分配 产品设计师根据技术合同，拟制总体方案，电原理 日趋复杂。可靠性问题就尖锐地摆在设计师的面前。超 大规模集成电路和高性能元器件不断向着微细化方向 方框图，确定分机、单元及功能模块之间的可靠性关系 及可靠性结构模型与数学模型。产品可靠性主管师根 发展，加上电源电压和信号电平的相应下降，使得雷达 对磁场、电场、静电、浪涌之类的外界应力或环境干扰 据可靠性模型，对产品各分机或单元电路进行可靠性 预计，并求出产品的可靠性预计值。产品可靠性主管师 根据产品的可靠性预计值，或可靠性指标要求值ＭＴＢＦ 依据各分机、单元电路，功能块，结构组合的技术难度 和复杂程度及对可靠性影响程度，把总体的可靠性预 计值（或要求值ＭＴＢＦ值），合理的分配到分机或单元 电路。当分配的可靠性指标不能满足可靠性预计值时， 应对整机、分机、单元电路进行修改（如更换元器件，改 变电路及采取冗余设计等技术，并重新进行可靠性预 变得更加敏感，内部电场强度和功率密度的上升使得 雷达需要更好的功率耗散和热耗散途径。基于这样的 原因，传统的设计技术方法已经无法确保现代雷达的 可靠性，必须寻找新的更系统、更有效、更适用的技术 途径，就是采用可靠性、电磁兼容性、安全性、维修性、 环境适应性及工艺可靠性设计等设计技术，才能保障 雷达质量可靠。 １ 总体方案可靠性要求 设计人员应广泛收集国内外同类产品的可靠性指 标及数据等有关资料，特别是应收集了解同类型雷达 计，直至可靠性预计值大于可靠性要求值ＭＴＢＦ为止。 ３确定产品可靠性设计的措施 尽量简化总体方案，简化电路，采用使用性及维修 性方便，可靠性高的结构形式，尽可能采用国内外及同 类产品实践证明的成熟的电路和结构。针对同类型产 发生故障的现象、部位，失效机理及采取的改进措施， 作为新产品设计改进的主要依据，并以此确定新雷达 可能达到的可靠性指标值。进行国内外市场调查，了解 供需情况及用户对产品的使用要求；包括产品的使用 现场状况，从而确定雷达的使用环境分类及最高使用 环境要求，作为可靠性设计的依据。用户下达新产品设 为强化可靠性设计的依据。根据上述各种因素及新产品 品及老产品的薄弱环节采取有效可靠性设计措施。尽 量减少元器件、结构件的品种、规格数量，尽可能采用 标准化、系列化、通用化和可靠性高的元器件和结构 件，严格按元器件优选手册进行优选。拟制对可靠性有 计任务时，应了解可靠性指标的迫切性和可能性，并作 影响的可靠性专题及技术保证措施，并进行专题攻关。 拟制产品的降额设计等级和参数并进行降额设计。提 出热设计总体要求，规定机内温升。提出环境设计总体 要求、规定产品环境条件。在采用新技术、新工艺、新结 的复杂程度和可靠性结构模型及可维修性等综合要求 考虑确定产品的可靠性指标Ｏ（ＭＴＢＦ假设值的限值）。 作者简介：孙波（１９８４一），男，汉族，宁夏平罗人，大学本科，工程师，主要从事雷达设计及质量监督工作。 ３ｌ 工业科技 ２０１３年（第４２卷）第１２ 期 构、新元器件时，必须经质量部门进行严格的认定及试 验工作，并有经审批的试验报告及认定报告。对经过努 、 力仍达不到可靠性指标要求的某些分机、单元、其电路 可进行冗余设计。冗余设计所附加的检测、切换、汇接 系统的可靠性应远高于冗余单元的可靠性。 ４电路可靠性设计 ４．１ 电路的简化设计 在满足性能指标的条件下，要求将线路、逻辑、电 路尽可能简化，用ＡＳＩＣ代替分立元件。系统供电采用 分布式供电方式，在一定程度上可以避免由于一块单 板故障而可能引起的连带故障。尽量实施统一化设计， 凡有可能均应用通用零件，保证全部相同的可移动模 块，组件和零件都能互换。尽可能的采用模块化设计。 以软件功能代替硬件功能。 ４．２实施标准化设计 采用成熟的标准电路，标准模块级标准零件，实施 集成化设计。在设计中，尽量采用固体组件，使分立器 件减少到最小程度。应尽量采用数字电路取代模拟电 路（线性电路）。采用电路标准组件，一定要经过反复精 选和充分试验，做到既简化又可靠，例如：接收机中的 视频电路；发射机中的控制保护电路，各种数字单元电 路和各种通用规格的电源组件等。 ４．３余度设计与稳定性设计 为了保证产品性能的稳定性，产品的强度、输出功 率、耐压范围等要有一定的余量，通常应有２０—３０％的 余量（如发射机调制器件设计通常取２５—３０％）。产品电 路性能设计时应允许电子元器件、机械零部件有较大 的容差范围，以避免它们的微弱变化就引起产品工作 状态的改变。产品设计时要放宽对输入、输出信号临界 值的要求。初步电路设计时，一定要进行电源拉偏，其 值在±３０％左右，以验证电压电流分配是否合适，电路 是否稳定。 ４．４暂态设计 电子元器件（尤其是半导体器件）承受过载能力 弱，因此对电路的暂态变化（如开、关机、机内打火，输 出端开、短路等）应有足够认识和重视。对含有储能元 件（电感、电容）的电路要进行暂态分析。电路应有瞬态 和过应力防护措施，以防止电流、电压瞬变和静电放电 造成元器件损坏而引起的电路失效，特别对于感性与 ３２ 容性负载接口的逻辑器件等，必须进行瞬态电压防护。 ４．５漂移设计 对产品稳定性存在重要影响的单元电路，关键元 器件，应考虑由于元器件容差、时间、温度等因素造成 的影响，相应选用可靠性高，稳定性好的单元电路和元 器件。应对单元电路进行参数漂移分析和容差分析，尽 可能采用计算机辅助设计（ＣＡＤ）、正交法三次设计、元 器件灵敏度分析、参数设计和容差分析等设计方法，必 要时，可设置温控装置，以减少温度漂移失效。 ４．６容差设计 产品设计时，除应考虑零件、元器件的制造容差， 温漂的影响外，还应适当的考虑时漂的影响。对系统参 数影响较大的元器件应选用容差和高稳定性的元器 件。电路的阻抗匹配参数应保证在极限温度等情况下， 电路工作稳定。对稳定性要求高的电路，应通过容差分 析，并用容差设计方法确定元器件的标称值。正确选择 电子元器件的工作点，使温度和使用环境变化对电路 特性的影响最小。 ４．７印制电路的叠层设计 满足信号的特征阻抗要求。当印制电路中的印制 线需要按传输线考虑时，需要对传输线的特征阻抗进 行计算和控制；满足信号回路的最小化原则。内层相邻 的信号层的信号线应该尽量正交（９０。交叉）。平行和斜 交（４５。交叉）都会造成信号间的干扰，应尽量避免。满 足对称原则。叠层设计时，应该考虑铜线的分布对称， 以免不符合印制电路板厂家的层压工艺要求而出现印 制电路板翘曲。 ４．８印制电路的布局设计 混合电路的分区，通常的做法是数字电路和模拟 电路分区布置，数字部分和模拟部分单点接地，布局时 应该将数字电路和模拟电路分开，各部分内器件的排 列尽量紧凑，预留出足够的隔离空间。数字电路的分 区，高频高速电路和敏感电路的布局，应尽量紧凑，最 小化敏感信号回路之间的布局应尽量隔离，以减少高 频高速电路对敏感电路的干扰。晶振与时钟分发、倍频 器、驱动、串阻应尽量集中在一起，并远离高速（ＣＰＵ）、 高速信号、Ｉ／０电路、无关的敏感电路和印制电路边缘。 保护器件的布局，雷达浪涌保护器件应尽可能的靠近 插座或印制板的边缘，保护地应尽可能的粗、短且均 匀，保护地除了与保护器件相连以外不（下转３８页） 工业科技 定义 ＝２０１３年（第４２卷）第１２期 Ｌｙａｐｕｎｏｖ函数，类似于文问中定理４．２的方法，再结合（１．３） 式可知 ，ｊ， ）是系统（。３）垒局渐近稳定的平衡点。 ．ｒ ［（ —ｊ—ｊ—ｎ ］＋（，一ｊ— ｈ ］＋［ 一 一 ｎ ］］ ， 参考文献： 则对Ｖ，≥ｏ， ）≥０，由分部积分公式可得 ＝一【Ｉ Ｊ ｄｙｚｅｎｓｋａｊａＮ．＆Ｓｏｌｏｎｎｉｋ０ｖ，Ｎ．Ｎ．Ｕｒａｌｃｅｖａ，Ｌｉｎｅａｒ ａｎｄ Ｑｕａｓｉ－ ｌｉｎｅａｒ Ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｐａｒａｂｏｌｉｃ Ｔｙｐｅ，Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｍａｔｈｅｍａｔ— 』 ＋Ｊ ｊ）（＿ 一 ＋脚）＋ 十 ）（ ） 一ｉｃａｌ Ｍｏｎｏｇｒａｐｈｓ［Ｍ］．ＡＭＳ，１９６８，２３． ［２］Ｙ．Ｌｏｕ，Ｗ．Ｍ．Ｎｉ，Ｄｉｆｕｓｉｏｎ，ｓｅｌｆ－ｄｉｆｕｓｉｏｎ ａｎｄ ｃｒｏｓｓ—ｄｉｆｕｓｉｏｎ［Ｊ］． Ｊ．Ｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｅｑｕａｔｉｏｎ，１９９６，１３１：７９－１３１． ［３］Ｄ．Ｈｅｎｒｙ，Ｇｅｏｍｅｔｉｒｃ Ｔｈｅｏｙ ｏｆｒ Ｓｅｍｉｌｉｎｅａｒ Ｐａｒａｂｏｌｉｃ Ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ，ｎ七 一 一 一 ） 【Ｍ Ｊ．Ｌｅｃｔｕｒｅ Ｎｏｔｅｓ ｉｎ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ，Ｖｏ１．８４０．Ｓｐｒｉｎｇ，Ｂｅｒｌｉｎ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ．１９９３． 一』 Ｄ￣ｄｘ－Ｓｔ＇ｌ ｐ Ｉ－ 牛 Ｉ。 。．［４］Ｚ．Ｇ．Ｌｉｎ，Ｍｉｃｈａｃｌ Ｐｃｄｅｒｓｅｎ，Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｉｎ ａ ｄｉｆｆｕｓｉｖｅ ｆｏｏｄ—ｃｈａｉｎ ｍｏｄｅｌ ｗｉｔｈ Ｍｉｃｈａｃｌｉｓ Ｍｅｎｔｅｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｒｅｓｐｏｎｓｅ［Ｊ Ｊ．Ｎｏｎｌｉｎ— ｅａｒ ａｎａｌｙｓｉｓ，２００４，５７：４２１－４３３． ［５］Ｊ．Ｏ．Ｍｕｒｒａｙ，Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ Ｂｉｏｌｏｇｙ［Ｍ］．Ｓｐｒｉｎｇ－Ｖｅｒｌａｇ，Ｂｅｒｌｉｎ， １９９３． 其中Ｄｌ＝ｄ ｉ ｓＩＶ Ｉ ＋ １ｗｌ ＋ 所以对 ［６］Ｋ．Ｊ．Ｂｒｏｗｎ，Ｐ．Ｃ．Ｄｕｎｎｅ，Ｒ．Ａ．Ｇａｒｄｅｎ，Ａ ｓｅｍｉｌｉｎｅａｒ ｐａｒａｂｏｌｉｃ ｓｙｓ－ ｔｅｒｎ ａｒｉｓｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｓｕｐｅｒ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｙｔ［Ｊ］．Ｊ．Ｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌ 任意的ｘ∈Ｑ， ０，ｔ ０，都有 ｏ．故Ｅ 是系统（０．故Ｅ 是系统（０２）的 ２）的 ．Ｅｑｕａｔｉｏｎｓ，１９８７，４０：２３２，２５２． （上接３２页） 能与其它元器件和其它地线相连。去耦电容的放置，应 尽量靠近芯片的电源地放置，使其供电回路的面积尽 量小，使其与芯片电源端和地线端之间的连线尽量短。 发热器件和热敏感器件的布局，可以考虑把发热高、辐 射大的元件专门设计安装在一个印制板上，板面热容 量均匀分布，注意不要把大功耗器件集中布放。 接。采取良好的焊接工艺、电装工艺、金装工艺等清洁 工艺。 ６结束语 ． 综上所述，可靠性工程设计是保证雷达产品可靠 性的最根本的环节。电子线路的可靠性设计可以防止 ５工艺可靠性设计 电子装备的固有可靠性，最终要由制造工艺来实 现，因此工艺可靠性设计措施必须是有效、切实可行。 元器件在工作条件下受到不当应力的影响。简化、冗 余、降额、容差和低功耗设计是实现电子线路可靠性设 计的有效手段。防电磁干扰、防过热和简化设计是实现 印制电路板可靠性设计的主要目标。结构可靠性设计及 工艺可靠性设计是保证雷达可靠性重要环节。只有采取 应具有防潮、防锈、防腐蚀的能力。经常拆卸的电缆同 轴线插头，应有加固和防潮措施。变压器、线圈等绕制 件，在制作时，要严格按照规定进行除潮和防潮处理， 可靠眭工程设计，才能确保电子装备可靠，万无一失。 参考文献： 保证潮气进不到绕制件内部。元器件、接插件及导线， 在焊接前应作除氧化层和清洁处理，在焊接时应保持 ［１］陆廷孝．可靠性设计与分析［Ｍ］．北京：国防工业出版社， １９９５，９：１９１－３１８． 足够的温度，保证焊接牢固可靠，防止虚焊。印制电路 板应尽量采用先进的设计与制造工艺，降低其失效率。 印制电路板上的焊孔均应有加固措施，经得起多次焊 ３８ ［２］曾声奎．系统可靠性设计分析教程［Ｍ］．北京：北京航空航天 大学出版社，２００１，１：１５８—１９３．
