汽車防撞雷達結構設計

王志勇++尚偉科++李釗++陸景松++王田++楊林

摘 要

汽車防撞雷達的結構設計應兼顧重量、體積、工藝、環境適應性等多方面要求，需要進行統籌和細致的考慮。以某汽車防撞雷達為例，針對雷達使用的環境要求，簡述了該雷達結構設計的特點，并重點介紹了其結構組成、力學載荷分析和熱設計等，對類似的汽車防撞雷達的結構設計具有一定的參考借鑒意義。

【關鍵詞】汽車防撞雷達 結構設計 載荷分析

1 雷達系統設計

汽車防撞雷達（以下簡稱雷達）安裝在車輛側后部骨架上，車輛在天線陣面前方安裝有高分子材料制成的保險杠，雷達布局時需避開汽車尾燈和其他強反射的金屬物等，和保險杠也應保留足夠的變形空間和安全距離，在有限的車體空間內，防撞雷達的“適裝性”設計尤為重要，系統設計時必須突破雷達常規的結構功能單元劃分概念。

該雷達從系統架構上分為了微帶天線、射頻前端、中頻模擬、數字處理和系統電源等部分，隨著電子器件封裝密度不斷提高和集成電路的發展，已經實現將天線和射頻前端等模擬電路和信號處理數字電路集成到一張電路板（圖1），宏觀上由單張電路板實現完整的雷達功能，最大限度的實現了雷達的集成設計。

2 結構系統設計

基于雷達工作需單面透波的特點，除包含多層電路板和連接器的電訊器材外，其他雷達結構件簡化為天線罩、盒體兩部分，天線罩采用工程塑料注塑成型，盒體選用鋁合金制造，二者通過螺釘固定，方便拆裝和維護，同時也需方便結構設計和加工，降低制造成本。

2.1 天線罩結構設計

天線罩安裝于雷達陣面前方，單層罩結構形式，外表面為等厚度的平面，離天線的距離值恒定，用于保護雷達天線免受惡劣環境的影響。但天線罩同時自身也影響了天線的電性能，因此選用的原材料應具備良好的透波性，需重點關注“介電常數”和“介電損耗角正切”等參數值，經過調研使用（PPO）材料通過模具熱注塑成型，該天線罩具備優良的綜合性能，剛度高、重量輕、制造工藝性好和環境適應性強。天線罩安裝時需要使用螺紋孔，基于聚苯醚材料不易加工有應力開裂傾向的特點，在螺紋孔處安裝相應的鋼絲螺套，增強構件螺紋的強度和耐用性。如圖1所示。

2.2 盒體結構設計

盒體是雷達的結構主體，除了安裝和固定雷達電訊器材外，同時需要快速將雷達工作產生熱量傳出雷達，并且可以將輕微彎曲變形的天線陣面進行校直。盒體采用鋁合金加工，設計時保證盒體端面的平面度和粗糙度要求，安裝雷達多層壓制電路板時通過螺釘的緊固力使多層電路板緊密貼合接觸面，保證雷達微帶天線的平面度要求；盒體內腔設置凸臺，結合橡膠導熱襯墊緊密貼合多層電路板上的發熱器件和芯片，將雷達產生的熱量傳導至外側的翅片中，改善雷達的工作環境。如圖2所示。

2.3 密封結構設計

基于汽車涉水行進的要求，雷達結構應具備相應的防水等級，不受惡劣環境中的水、鹽霧等對元器件的影響，決定將防水等級定為IP67（GB4208-2008），即水下一米持續半小時不泄露。除了選用符合要求的連接器外，對結構件連接處的密封尤為重要，因此對雷達密封可能的密封圈方案和膠封方案進行比較選擇，其中密封圈方案檢測方便、易于拆裝，但是需要配合溝槽結構形式，以及較多緊固件，同時需要密封的接觸面是連續的空間布局，空間尺寸和實現難度均較大，最終選擇膠封方案，通過將天線罩、盒體和連接器之間設計為嵌入式接觸，端面連接處預留一定的縫隙，液態密封膠通過灌封牢固附著于結合面上，形成均勻穩定的皮膜，填充結合面的微小凹凸部后，達到對油、氣、水密封的作用。對于貫穿盒體和電路板的螺釘緊固件，通過封膠達到密封效果是最簡單和便捷的辦法。如圖3所示。

2.4 透氣閥設計

雷達周圍環境氣溫會伴隨季節起伏和晝夜更迭而循環變化，以及雷達伴隨車輛啟停而反復開關機而帶來的發熱和冷卻，將帶來雷達盒體內腔氣體反復膨脹和收縮，引起結構件應力變形，削弱密封效果，產生“呼吸效應”導致內腔積水，造成設備安全隱患，雷達通過安裝透氣閥來解決該問題。透氣閥內的膨體聚四氟乙烯薄膜內部為三維立體網狀微觀結構，可有效過濾空氣的微粒，加上聚四氟乙烯材料自身的疏水性特征，達到防塵防水的效果，因此可有效解決平衡腔體內外的氣體壓差，避免結構密封失效，改善雷達內腔的工作環境。

3 雷達結構力學分析

雷達安裝于汽車后部，必須滿足車輛載臺的力學環境要求。依據某汽車載臺的技術條件，使用有限元計算方法，利用計算機軟件對雷達的數字模型進行仿真分析，為雷達的結構設計提供驗證和優化的依據，也為后期試驗提供了理論基礎。

3.1 分析內容

要求雷達在指定的載荷作用下，保持足夠的剛強度，減少雷達天線的應力和應變，滿足電訊指標中的精度要求。

（1）工況1：邊界條件約束狀態下，計算前五階固有頻率。

（2）工況2：在半正弦沖擊波、加速度300m/s?載荷作用下，雷達天線陣面應力和應變。

（3）坐標系定義：依據雷達安裝與車輛側后方位置，定義車輛前進方向為X向，車身側向為Y向，車輛重力加速度方向為Z向。

（4）邊界約束條件：雷達通過盒體的4處安裝孔與安裝框架連接，此處設置全約束。

（5）材料特性。如表1所示。

3.2 仿真結果分析

3.2.1 模態仿真

在邊界約束條件下，天線的模態分析的前5階固有頻率見表2。

天線的前5階振型如圖5所示，從圖5中可以看出，結構頻率較高，雷達整體剛度較好；相對而言天線平面的中央應變較大，局部剛度較低，分析結果滿足天線安裝剛強度要求。

3.2.2 沖擊載荷仿真

雷達伴隨汽車前進過程中承受不同方向的載荷，考察天線陣面在不同方向上的應力和應變情況可以看出，工作狀態下天線陣面的應力和應變都非常小，雷達整體具有足夠的剛度和強度，受到沖擊時的應力遠遠低于材料的屈服極限，滿足車輛使用的力學條件。如表3所示。

4 雷達結構熱設計

盡管雷達方案設計時已考慮高效低功耗的器材選型，但隨著電子設備集成度的提高，局部過高的熱流密度仍是熱設計必須解決的問題，也是提高設備可靠性的必然環節。

雷達通過支架安裝在汽車后部，位于車輛鈑金件和后方保險杠之間的夾層中，常規的液冷和強制風冷措施難以實現，通過熱傳導將器材發出的熱量的傳到汽車鈑金件上和空氣中是最為可行的方案思路。雷達盒體與散熱翅片結構一體化設計，通過外側翅片提高空氣對流的散熱能力；優化系統方案，將電源等高功率模塊調整安裝面，有效貼合導熱襯墊；減少熱源至翅片傳熱路徑以減少熱阻，盒體底部設計凸臺，結合導熱襯墊快速將熱量傳遞到翅片上；利用計算機軟件仿真分析，優化散熱翅片的布局和尺寸。圖6為環境溫度85℃，10分鐘后的穩態下工作時的溫度云圖。

分析結果證明結構方案滿足雷達器件的散熱設計要求；雷達實物隨后進行了高低溫工作試驗，試驗期間雷達工作正常，驗證了結構設計的有效和可靠。

5 結束語

汽車防撞雷達具有廣闊的發展前景，國內研究開始起步。本文論述了某防撞雷達實物產品的結構設計，此方案結構簡單、功能齊備、適應性強等優點，滿足了雷達系統總體的使用要求，具備了低成本大批量制造的工業化生產的前提條件。

本文介紹的雷達結構設計已經成功應用于產品的實際生產，也為其他防撞雷達研究提供了參考和借鑒作用。

參考文獻

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作者簡介

王志勇（1980-），男，安徽省銅陵市人。碩士學位?，F為中國電子科技集團公司第三十八研究所工程師，從事雷達結構設計。

作者單位

中國電子科技集團公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230088