汽车防撞雷达结构设计

王志勇++尚伟科++李钊++陆景松++王田++杨林

摘 要

汽车防撞雷达的结构设计应兼顾重量、体积、工艺、环境适应性等多方面要求，需要进行统筹和细致的考虑。以某汽车防撞雷达为例，针对雷达使用的环境要求，简述了该雷达结构设计的特点，并重点介绍了其结构组成、力学载荷分析和热设计等，对类似的汽车防撞雷达的结构设计具有一定的参考借鉴意义。

【关键词】汽车防撞雷达 结构设计 载荷分析

1 雷达系统设计

汽车防撞雷达（以下简称雷达）安装在车辆侧后部骨架上，车辆在天线阵面前方安装有高分子材料制成的保险杠，雷达布局时需避开汽车尾灯和其他强反射的金属物等，和保险杠也应保留足够的变形空间和安全距离，在有限的车体空间内，防撞雷达的“适装性”设计尤为重要，系统设计时必须突破雷达常规的结构功能单元划分概念。

该雷達从系统架构上分为了微带天线、射频前端、中频模拟、数字处理和系统电源等部分，随着电子器件封装密度不断提高和集成电路的发展，已经实现将天线和射频前端等模拟电路和信号处理数字电路集成到一张电路板（图1），宏观上由单张电路板实现完整的雷达功能，最大限度的实现了雷达的集成设计。

2 结构系统设计

基于雷达工作需单面透波的特点，除包含多层电路板和连接器的电讯器材外，其他雷达结构件简化为天线罩、盒体两部分，天线罩采用工程塑料注塑成型，盒体选用铝合金制造，二者通过螺钉固定，方便拆装和维护，同时也需方便结构设计和加工，降低制造成本。

2.1 天线罩结构设计

天线罩安装于雷达阵面前方，单层罩结构形式，外表面为等厚度的平面，离天线的距离值恒定，用于保护雷达天线免受恶劣环境的影响。但天线罩同时自身也影响了天线的电性能，因此选用的原材料应具备良好的透波性，需重点关注“介电常数”和“介电损耗角正切”等参数值，经过调研使用（PPO）材料通过模具热注塑成型，该天线罩具备优良的综合性能，刚度高、重量轻、制造工艺性好和环境适应性强。天线罩安装时需要使用螺纹孔，基于聚苯醚材料不易加工有应力开裂倾向的特点，在螺纹孔处安装相应的钢丝螺套，增强构件螺纹的强度和耐用性。如图1所示。

2.2 盒体结构设计

盒体是雷达的结构主体，除了安装和固定雷达电讯器材外，同时需要快速将雷达工作产生热量传出雷达，并且可以将轻微弯曲变形的天线阵面进行校直。盒体采用铝合金加工，设计时保证盒体端面的平面度和粗糙度要求，安装雷达多层压制电路板时通过螺钉的紧固力使多层电路板紧密贴合接触面，保证雷达微带天线的平面度要求；盒体内腔设置凸台，结合橡胶导热衬垫紧密贴合多层电路板上的发热器件和芯片，将雷达产生的热量传导至外侧的翅片中，改善雷达的工作环境。如图2所示。

2.3 密封结构设计

基于汽车涉水行进的要求，雷达结构应具备相应的防水等级，不受恶劣环境中的水、盐雾等对元器件的影响，决定将防水等级定为IP67（GB4208-2008），即水下一米持续半小时不泄露。除了选用符合要求的连接器外，对结构件连接处的密封尤为重要，因此对雷达密封可能的密封圈方案和胶封方案进行比较选择，其中密封圈方案检测方便、易于拆装，但是需要配合沟槽结构形式，以及较多紧固件，同时需要密封的接触面是连续的空间布局，空间尺寸和实现难度均较大，最终选择胶封方案，通过将天线罩、盒体和连接器之间设计为嵌入式接触，端面连接处预留一定的缝隙，液态密封胶通过灌封牢固附着于结合面上，形成均匀稳定的皮膜，填充结合面的微小凹凸部后，达到对油、气、水密封的作用。对于贯穿盒体和电路板的螺钉紧固件，通过封胶达到密封效果是最简单和便捷的办法。如图3所示。

2.4 透气阀设计

雷达周围环境气温会伴随季节起伏和昼夜更迭而循环变化，以及雷达伴随车辆启停而反复开关机而带来的发热和冷却，将带来雷达盒体内腔气体反复膨胀和收缩，引起结构件应力变形，削弱密封效果，产生“呼吸效应”导致内腔积水，造成设备安全隐患，雷达通过安装透气阀来解决该问题。透气阀内的膨体聚四氟乙烯薄膜内部为三维立体网状微观结构，可有效过滤空气的微粒，加上聚四氟乙烯材料自身的疏水性特征，达到防尘防水的效果，因此可有效解决平衡腔体内外的气体压差，避免结构密封失效，改善雷达内腔的工作环境。

3 雷达结构力学分析

雷达安装于汽车后部，必须满足车辆载台的力学环境要求。依据某汽车载台的技术条件，使用有限元计算方法，利用计算机软件对雷达的数字模型进行仿真分析，为雷达的结构设计提供验证和优化的依据，也为后期试验提供了理论基础。

3.1 分析内容

要求雷达在指定的载荷作用下，保持足够的刚强度，减少雷达天线的应力和应变，满足电讯指标中的精度要求。

（1）工况1：边界条件约束状态下，计算前五阶固有频率。

（2）工况2：在半正弦冲击波、加速度300m/s?载荷作用下，雷达天线阵面应力和应变。

（3）坐标系定义：依据雷达安装与车辆侧后方位置，定义车辆前进方向为X向，车身侧向为Y向，车辆重力加速度方向为Z向。

（4）边界约束条件：雷达通过盒体的4处安装孔与安装框架连接，此处设置全约束。

（5）材料特性。如表1所示。

3.2 仿真结果分析

3.2.1 模态仿真

在边界约束条件下，天线的模态分析的前5阶固有频率见表2。

天线的前5阶振型如图5所示，从图5中可以看出，结构频率较高，雷达整体刚度较好；相对而言天线平面的中央应变较大，局部刚度较低，分析结果满足天线安装刚强度要求。

3.2.2 冲击载荷仿真

雷达伴随汽车前进过程中承受不同方向的载荷，考察天线阵面在不同方向上的应力和应变情况可以看出，工作状态下天线阵面的应力和应变都非常小，雷达整体具有足够的刚度和强度，受到冲击时的应力远远低于材料的屈服极限，满足车辆使用的力学条件。如表3所示。

4 雷达结构热设计

尽管雷达方案设计时已考虑高效低功耗的器材选型，但随着电子设备集成度的提高，局部过高的热流密度仍是热设计必须解决的问题，也是提高设备可靠性的必然环节。

雷达通过支架安装在汽车后部，位于车辆钣金件和后方保险杠之间的夹层中，常规的液冷和强制风冷措施难以实现，通过热传导将器材发出的热量的传到汽车钣金件上和空气中是最为可行的方案思路。雷达盒体与散热翅片结构一体化设计，通过外侧翅片提高空气对流的散热能力；优化系统方案，将电源等高功率模块调整安装面，有效贴合导热衬垫；减少热源至翅片传热路径以减少热阻，盒体底部设计凸台，结合导热衬垫快速将热量传递到翅片上；利用计算机软件仿真分析，优化散热翅片的布局和尺寸。图6为环境温度85℃，10分钟后的稳态下工作时的温度云图。

分析结果证明结构方案满足雷达器件的散热设计要求；雷达实物随后进行了高低温工作试验，试验期间雷达工作正常，验证了结构设计的有效和可靠。

5 结束语

汽车防撞雷达具有广阔的发展前景，国内研究开始起步。本文论述了某防撞雷达实物产品的结构设计，此方案结构简单、功能齐备、适应性强等优点，满足了雷达系统总体的使用要求，具备了低成本大批量制造的工业化生产的前提条件。

本文介绍的雷达结构设计已经成功应用于产品的实际生产，也为其他防撞雷达研究提供了参考和借鉴作用。

参考文献

[1]张建辉，黄茂三.汽车防撞雷达概述[J].世界汽车，2000（06）：16-19

[2]黄文奎.毫米波汽车防撞雷达的设计和实现[D].上海：中国科学院研究生院，2006.

[3]徐涛.毫米波汽车防撞雷达实用化研究[D].上海：中国科学院研究生院，2003.

[4]瞿启云，邓有银，等.改性聚苯醚合金在雷达天线罩上的应用[J].电子机械工程，2015，31（02）：48-51.

作者简介

王志勇（1980-），男，安徽省铜陵市人。硕士学位。现为中国电子科技集团公司第三十八研究所工程师，从事雷达结构设计。

作者单位

中国电子科技集团公司第三十八研究所 安徽省合肥市 230088