一種新型便攜式通信設(shè)備設(shè)計方法的研究

蔡海興

（中國電子科技集團(tuán)公司第28研究所）

1 引言

在海島、灘涂、山地、叢林等地域，交通運(yùn)輸不便，氣候環(huán)境惡劣，通信設(shè)備需要背負(fù)或攜行。因此，單臺設(shè)備須具有豐富的通信手段，以減少設(shè)備總數(shù)量；同時設(shè)備必須具備小型化、可攜行、機(jī)動靈活、較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性及高可靠性等特點(diǎn)。

針對以上需求，結(jié)合某攜行通信設(shè)備的研制，本文提出了一種適用于野外條件下的便攜式通信設(shè)備的設(shè)計方法和建議。

2 總體設(shè)計

由于在野外使用，便攜式通信設(shè)備一方面需要具備足夠的通信手段；另一方面為減輕攜行人員的負(fù)擔(dān)，必須具有小型化、可攜行等特點(diǎn)；其次，野外比室內(nèi)和艙內(nèi)環(huán)境惡劣，對設(shè)備的強(qiáng)沖擊振動、高低溫、高濕及復(fù)雜電磁環(huán)境的適應(yīng)能力提出了更高要求。設(shè)計時應(yīng)突出以下方面：體積小、重量輕；攜帶及操作方便；環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；電磁兼容性優(yōu)；可維護(hù)性好。設(shè)計從以下方面著手：

①合理進(jìn)行設(shè)備內(nèi)部布局設(shè)計，在不影響產(chǎn)品性能的前提下，最大限度地縮小設(shè)備尺寸以便攜行或背負(fù)；②在保證設(shè)備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)的前提下，箱體可以用工程塑料，以降低自重；③設(shè)備采用模塊化設(shè)計技術(shù)，提高維修性與可靠性。對于復(fù)雜設(shè)備，可以分成箱體和內(nèi)核兩部分進(jìn)行設(shè)計。內(nèi)核集成了各種電氣元器件，采用層次化設(shè)計，每層所有電氣元件固定在對應(yīng)的PCB（印制電路板）上，有利于該層元器件的整體拆卸和對外信號引接。內(nèi)核用壓桿等加固方式形成一個鋼性整體，通過減振器與機(jī)箱連接，形成一個完整的減振系統(tǒng)；④設(shè)備具有溫度控制能力，可根據(jù)內(nèi)部溫度變化情況自動控制加熱和排熱裝置；⑤對外接口使用加固型連接器，所有對外接口處安裝濾波裝置、機(jī)械接縫處使用鈹青銅簧片、通風(fēng)窗處使用通風(fēng)波導(dǎo)，以提高設(shè)備電磁兼容性。

3 詳細(xì)設(shè)計

該設(shè)備功能較為全面，能接入多種通信網(wǎng)絡(luò)。詳細(xì)設(shè)計包括結(jié)構(gòu)設(shè)計、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計、電磁兼容性設(shè)計等方面。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則是：設(shè)備既是一個緊湊整體，又可以方便拆卸更換各個模塊。整個設(shè)備分為機(jī)箱和內(nèi)核兩部分，兩者通過若干螺絲及信號線纜互連。

3.1.1 機(jī)箱設(shè)計

為了滿足野外使用的要求，設(shè)備整體設(shè)計為可搬移或可背負(fù)方式，箱體兩側(cè)及頂部安裝把手，使用時可抬行或手提。箱體底部安裝滑輪和拉桿，以保證在平坦路面能單人拉行。

機(jī)箱采用前、后翻門的箱式設(shè)計。設(shè)備所有電源接口、通信接口安裝在后接口板上。接口部分凹于后面板的后翻門，這樣既能做到防雨、防濕，又能在安裝航空連接器后順利合上后翻門?？刂崎_關(guān)、配置口、指示燈、指示屏等人機(jī)交互接口安裝在前面板，通過前翻門打開或封蓋。前后面板都留有通風(fēng)口。

3.1.2 內(nèi)核設(shè)計

內(nèi)核包括內(nèi)核架和內(nèi)核硬件結(jié)構(gòu)兩部分，分別如圖1、圖2 所示。

圖1 內(nèi)核架示意圖

圖2 內(nèi)核硬件結(jié)構(gòu)示意圖

內(nèi)核硬件結(jié)構(gòu)主要包括：功能模塊、信號板及各種元器件、接插件等。內(nèi)核架是內(nèi)核硬件結(jié)構(gòu)的承載平臺，架子兩側(cè)有模塊插槽，每個信號板能方便地插入對應(yīng)插槽，起到保護(hù)內(nèi)核模塊的作用。內(nèi)核架底部裝有減震彈簧，通過減震彈簧與機(jī)箱相連。

內(nèi)核采用模塊化設(shè)計方法，分為三個層次：

第一層為多個獨(dú)立的功能模塊，如交換機(jī)模塊、路由器模塊等，每個功能模塊都有獨(dú)立的電氣特性和物理結(jié)構(gòu)，可單獨(dú)裝卸；

第二層為基于信號板的功能模塊，信號板是新開發(fā)的過渡件，是各個功能模塊物理支撐構(gòu)件。每個功能模塊都固定在信號板上，可與信號板一起作為整體從內(nèi)核架中抽出；同時也是集成在該信號板上功能模塊的數(shù)據(jù)、指示、控制等信號的轉(zhuǎn)接模塊。每個功能模塊通過排針與對應(yīng)信號板連接，信號板收集所有信號后通過統(tǒng)一排線與其它信號板及機(jī)箱連接；

第三層是整個內(nèi)核，內(nèi)核可整體從外殼中抽出，有利于整體安裝、維修、檢測。內(nèi)核與機(jī)箱通過減震架連接。

采用模塊化設(shè)計的內(nèi)核，去除了功能模塊多余的接插件，減少了模塊之間以及模塊與機(jī)箱之間的連接線纜，從而降低集成復(fù)雜度，有利于設(shè)備的維修及小型化、輕型化。

3.2 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計

3.2.1 機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計

設(shè)備工作于野外環(huán)境，其機(jī)械環(huán)境條件包括機(jī)械振動、沖擊、搖擺、離心加速度、顛振等，其中危害最大的就是振動和沖擊。為保證設(shè)備的可靠性，使其適應(yīng)各種振動與沖擊的環(huán)境，必須進(jìn)行抗振動、抗沖擊設(shè)計。目前電子設(shè)備中使用的大多數(shù)是印制電路板，這些部件不僅有極其復(fù)雜的電子線路，而且包含精密復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。因此抗振動、抗沖擊設(shè)計比普通的電子設(shè)備要求更高也更為復(fù)雜。

抗振動與抗沖擊的主要技術(shù)措施有：選用抗沖擊振動能力強(qiáng)的功能模塊，盡量選用小型化的模塊；通過設(shè)計設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及有關(guān)參數(shù)，應(yīng)用機(jī)械振動與沖擊緩沖技術(shù)對設(shè)備進(jìn)行振動與沖擊的隔離，使設(shè)備具有良好的動態(tài)特性，達(dá)到減振和緩沖的目的，保證設(shè)備在惡劣的振動和沖擊環(huán)境條件下能正常工作。

設(shè)備所有功能模塊都通過沖擊振動篩選試驗，以保證每個模塊都有較強(qiáng)的抗沖擊振動能力。在整體上，設(shè)備進(jìn)行了良好的緩沖設(shè)計，整個內(nèi)核都安裝在若干減震彈簧上，以減小內(nèi)核受到的瞬間沖擊力。不但如此，由于設(shè)備較為復(fù)雜、內(nèi)核重心較高，為解決左右、前后方向的沖擊振動問題，在內(nèi)核上側(cè)安裝了兩只與縱向、橫向成45度角的減震彈簧，以吸收前后、左右沖擊振動能量。

試驗證明，該設(shè)計方法能明顯提高復(fù)雜電子設(shè)備的抗沖擊振動能力，滿足野外使用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2.2 氣候環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計

氣候環(huán)境對設(shè)備的影響主要包括高低溫、高濕、鹽霧等方面。

熱應(yīng)力是造成元器件失效的主要因素，提高設(shè)備溫度適應(yīng)性的根本辦法是選擇寬溫元器件和工藝。但惡劣的野外環(huán)境超出了某些元器件的工作范圍，因此必須對設(shè)備進(jìn)行溫度控制設(shè)計。

設(shè)備的溫度控制系統(tǒng)由控制芯片、傳感器、風(fēng)扇、加熱棒組、通風(fēng)孔等組成，多根加熱棒嵌入在金屬內(nèi)核架的不同位置。當(dāng)溫控開關(guān)打開后，溫控系統(tǒng)開始工作，并且能定時復(fù)位，以防止溫控系統(tǒng)出現(xiàn)故障而影響整個設(shè)備的正常工作。溫度控制系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 溫度控制系統(tǒng)示意圖

設(shè)備內(nèi)部具有多個溫度采樣點(diǎn)，溫度控制系統(tǒng)檢測到某檢測點(diǎn)溫度后，與設(shè)定溫度相比較，根據(jù)比較結(jié)果啟動相應(yīng)動作。當(dāng)溫度低于設(shè)定值，設(shè)備自行啟動加熱裝置，并切斷風(fēng)扇電源，同時發(fā)出報警信息。切斷風(fēng)扇電源是為了提高加熱效率，在極低溫度環(huán)境下，存在加熱棒組產(chǎn)生的熱量不足以抵消風(fēng)扇帶走的熱量的情況。當(dāng)所有采樣點(diǎn)的溫度升至設(shè)備正常工作溫度范圍時，報警消失，風(fēng)扇恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)，加熱棒組停止工作。加熱過程中，加熱棒組通過熱傳導(dǎo)，將熱量迅速傳遞給金屬內(nèi)核架，利用內(nèi)核架與空氣巨大的接觸面，達(dá)到提高加熱速度和效果的目的。

三防（防潮濕、防鹽霧、防霉菌）設(shè)計是氣候環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計的另一個重要方面，涉及到材料、元器件、電路、結(jié)構(gòu)和工藝等多方面的工作。三防措施包括：三防結(jié)構(gòu)防護(hù)設(shè)計；采用具有三防功能的材料和保護(hù)層；通過元器件密封、零件涂覆等方法，隔離器件與腐蝕介質(zhì)[1]。

3.3 電磁兼容性設(shè)計

電磁兼容性是電子設(shè)備的一項非常重要的指標(biāo)，它不僅關(guān)系到設(shè)備本身的工作可靠性和使用安全性，同時也會影響其它電子設(shè)備和系統(tǒng)的正常工作[2]。

根據(jù)電磁屏蔽原理，當(dāng)機(jī)箱體是一個完全無縫隙、無孔洞的全封閉盒體時，具有最好的屏蔽性能[3]。而事實上，多數(shù)電子設(shè)備具有電源接口、信號接口和通風(fēng)散熱孔，不可能做到完全密閉。

設(shè)備的電磁兼容性設(shè)計主要從機(jī)箱屏蔽、電源及信號線濾波兩方面考慮。

3.3.1 機(jī)箱屏蔽設(shè)計

機(jī)箱屏蔽包括箱體和孔口屏蔽。

箱體材料是決定箱體屏蔽性能的主要因素。理論上，材料磁導(dǎo)率越高，屏蔽性能越好，但同時需考慮重量、價格、強(qiáng)度等多方面因素。對于便攜式通信設(shè)備，重量控制比較嚴(yán)格，箱體主要材料為工程塑料，此處采用了塑料表面噴涂屏蔽漆或敷貼導(dǎo)電膜的方法解決箱體屏蔽問題。

孔口包括通風(fēng)口、信號燈口和連接處縫隙。通風(fēng)口不但面積較大，而且必須保證孔口的貫通性，設(shè)備中通過加裝通風(fēng)波導(dǎo)板解決此問題。采用鋁箔拉制的蜂窩，其技術(shù)上比較成熟，并且重量輕、成本低。當(dāng)設(shè)備壁厚與波導(dǎo)孔的直徑比值大于3時，波導(dǎo)就能對設(shè)備電磁輻射進(jìn)行有效的衰減[4]。

某些通信設(shè)備，面板上有許多指示裝置，如LED燈、液晶顯示屏等，這些孔口不但數(shù)量多，而且尺寸大小不一致，分布無規(guī)則。與通風(fēng)口不同的是，這些孔口不需要保證內(nèi)外貫通，因此采用透明貼屏蔽膜或屏蔽絲網(wǎng)的方法解決。

通常機(jī)箱箱體由幾部分拼接而成，在各連接處存在縫隙，為切斷或削弱發(fā)射器與感受器通過這種縫隙通道的耦合，必須實現(xiàn)這些機(jī)械接口或接縫的電氣完整性。在實際的設(shè)計中，為減小縫隙的電磁泄漏，可以采取以下措施：使屏蔽體的縫隙數(shù)量最少，增加搭接面的面積等[4]。確保設(shè)備整體對電磁屏蔽的要求。常用的方法是在連接處涂覆導(dǎo)電膠，安裝導(dǎo)電鈹銅簧片或?qū)щ娤鹉z。

3.3.2 電源線、信號線屏蔽設(shè)計

濾波設(shè)計技術(shù)是解決設(shè)備干擾，保證設(shè)備正常工作的一種有效措施。當(dāng)前絕大多數(shù)電子設(shè)備內(nèi)都有開關(guān)電源，開關(guān)切換過程中會產(chǎn)生低頻率的干擾信號。出于成本和體積考慮，一般電源模塊中，這些干擾信號難以消除。因此必須為電子設(shè)備加裝EMI（電磁干擾）濾波器，EMI濾波器可以抑制來自電源線上的各種強(qiáng)度的干擾。為減小電源線進(jìn)線上產(chǎn)生的電磁干擾，設(shè)計時用密閉金屬罩將電源接插件和濾波器整體電磁屏蔽，電源線穿過屏蔽罩時，通過穿心電容引接。電源濾波設(shè)計如圖4所示。

圖4 電源濾波設(shè)計示意圖

穿心電容也屬于濾波器一種，它的地電極圍繞在介質(zhì)周圍，而信號線穿過介質(zhì)，一個電極與芯線相連，另一個電極與外殼相連。一個電極通過焊接或以螺裝的方式直接安裝在金屬面板上，需要濾波的信號線連接在芯線的兩端。原理及安裝示意如圖5所示。

為了抑制來自信號線上的各種干擾，以及設(shè)備本身的干擾信號經(jīng)信號線向外傳播，在設(shè)備的信號線鏈路上也應(yīng)設(shè)計穿心電容。當(dāng)信號接口連接對象為對電磁信號十分靈敏的無線設(shè)備時，甚至需要有多級濾波，以減小電磁干擾信號經(jīng)過信號線干擾無線設(shè)備的正常工作。

圖5 穿心電容原理圖

4 結(jié)論

本文針對野外使用特點(diǎn)，結(jié)合某攜行通信設(shè)備的研制，提出了一種新型便攜式通信設(shè)備的設(shè)計方法和思路。該方法兼顧了設(shè)備小型化、便攜、較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性及高可靠性的特點(diǎn)，為便攜式通信設(shè)備的研制提供了一定的參考價值。

[1]生建友,關(guān)志強(qiáng).軍用電子設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計有關(guān)問題探討[J].裝備環(huán)境工程,2009,6(3):80-83.

[2]金強(qiáng),衷崎.機(jī)載計算機(jī)電磁兼容性設(shè)計分析[J].航空電子技術(shù),2009,40(1):43-47.

[3]蔡立艮,史長根,等.軍用加固型計算機(jī)電磁屏蔽設(shè)計[J].儀器儀表與分析監(jiān)測,2002(3):9-11.

[4]孫艷.軍用便攜式加固計算機(jī)的電磁屏蔽設(shè)計[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用,2008,44(1):238-239.