某戶外射頻前端的結(jié)構(gòu)設計

李兵強

（中國電子科技集團公司第二十研究所西安710068）

某戶外射頻前端的結(jié)構(gòu)設計

李兵強

（中國電子科技集團公司第二十研究所西安710068）

某射頻前端應用于島礁戶外環(huán)境，設備面臨的高溫、濕熱、鹽霧等問題十分突出。論文論述了該射頻前端的防護性結(jié)構(gòu)設計，著重闡述了機箱的強迫風冷散熱設計，電磁兼容結(jié)構(gòu)設計，以及密封防雨、防腐蝕、防雷和防太陽輻射等環(huán)境適應性設計。該設備樣機已順利通過電磁兼容試驗和高低溫、淋雨、鹽霧等環(huán)境試驗，表明機箱結(jié)構(gòu)設計合理可行，對其它戶外機箱結(jié)構(gòu)設計具有一定的參考意義。

戶外機箱；熱仿真；環(huán)境適應性；防護設計

Class NumberTN957

1 引言

隨著電子通信技術(shù)的發(fā)展，通信設備用途越來越廣，越來越多的設備需要在嚴酷的戶外露天環(huán)境中工作，比如山頂、沙漠、海邊等。為了確保電子設備性能穩(wěn)定、可靠以及工作壽命，用于安裝電子器件的戶外機箱在結(jié)構(gòu)設計時，需要著重考慮以下兩個方面的問題［1］：1）根據(jù)設備工作環(huán)境和散熱要求，設計機箱結(jié)構(gòu)形式；2）戶外機箱的密封和防霉、防潮、防腐蝕等環(huán)境適應性設計。

某數(shù)據(jù)鏈設備的射頻前端機箱安裝在沿海島礁戶外，主要環(huán)境特征有［2］：1）終年高溫；2）雨水多、濕度大；3）空氣含鹽量高；4）太陽輻射強。島礁環(huán)境條件惡劣，要求該射頻前端機箱耐高溫、耐腐蝕、防太陽輻射，具有優(yōu)良的環(huán)境適應性，保護內(nèi)部電路組件穩(wěn)定可靠地工作。

2 機箱結(jié)構(gòu)設計

射頻前端安裝在戶外通信鐵塔頂端，通過抱箍固定在天線桿上，需盡量縮短射頻饋線的長度以減小插損，其安裝環(huán)境及固定形式如圖1示。射頻前端與塔下通信機房內(nèi)的主機單元通過光纖進行數(shù)據(jù)傳輸，其主要功能是完成光電信號轉(zhuǎn)換，控制功放天控單元將激勵信號進行功率放大輸出給天線。設備外部供電由通信機房供給AC220V交流電。

設備安裝于鐵塔頂端，安全方便起見，要求機箱盡可能減重，并作小型化設計。同時，作為戶外設備，需盡量減少設備暴露面積和對外機械接口數(shù)量，以提高集成度和防護可靠性。因此，結(jié)構(gòu)設計思路是設備零部件數(shù)量盡量少，裝配關(guān)系盡量簡單。

為此將機箱設計為上下開蓋的箱體結(jié)構(gòu)，將功放天控單元、光電轉(zhuǎn)換單元和電源單元等電路組件作模塊化設計，各模塊通過松不脫螺釘固定在機箱內(nèi)，模塊之間通過電纜聯(lián)接。將機箱AC220V供電口和通信光纖口合并設計，從而機箱僅有光電復合接口和天線接口兩個對外插座，利于實現(xiàn)密封。此外，優(yōu)化機箱內(nèi)部組件布局，設計完成后設備結(jié)構(gòu)組成如圖2示，外形尺寸為寬×高×深=260×340×150（mm），重量12kg。

3 熱設計

島礁戶外環(huán)境終年高溫，太陽輻射強烈，射頻前端作為功率發(fā)射設備，發(fā)熱較大。設計要求設備能在-40℃～+60℃范圍內(nèi)正常工作。因此熱設計是結(jié)構(gòu)設計的一個重點。經(jīng)電路分析計算，各模塊的熱功耗和敏感器件溫度如表1所示。

表1 模塊熱耗和敏感器件耐溫值

式中：P熱為模塊熱耗（W）；cp為空氣比熱容（J/（kg·℃）），取1005J/（kg·℃）；ρ為空氣密度（kg/ m3），取1.29 kg/m3；Qf為體積流量（m3/h）；?T為進出口溫差，此處取10℃。

經(jīng)計算所需冷卻風量為33m3/h。綜合考慮尺寸、流量、風道阻力特性和環(huán)境適應性等因素，選擇兩臺EBM公司的JFF6025-024-056防水型軸流式風機，該風機經(jīng)過灌封加固處理，防護等級達到IP67，外形尺寸為60×60×25（mm），流量43m3/h，額定工作溫度-20℃～+70℃，40℃工作可靠性L10為70000h。

射頻前端機箱內(nèi)熱源是功放天控模塊和電源模塊，散熱設計主要是針對這兩個模塊。機箱設計為穿通風冷式結(jié)構(gòu)，箱體中間設計風道夾層，風道與機箱內(nèi)部模塊安裝空間完全隔離，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，可提供多個安裝冷面，且密封防護性好。兩個熱源模塊分別安裝在風道夾層上下兩面，風道內(nèi)散熱齒高度按模塊熱耗分配。經(jīng)軟件輔助優(yōu)化，風道夾層高度設計為32mm，內(nèi)部散熱齒寬度2mm，間距5.5mm，高度分別為20mm和11.5mm。機箱風道橫剖面結(jié)構(gòu)如圖3示。

機箱蓋板設計為散熱器，蓋板內(nèi)表面與模塊上表面間墊1.5mm厚導熱墊（導熱系數(shù)5W/m.K），通過尺寸公差設計保證機箱裝配完成后導熱墊壓縮30%，保證良好的熱傳導通路。模塊與風道安裝面間墊0.25mm厚的軟金屬銦片（導熱系數(shù)80W/m.K）以減小界面接觸熱阻。功放天控模塊和電源模塊散熱路徑如圖4所示。

應用熱分析軟件FLOTHERM建立設備熱仿真

射頻前端總功耗約為121W，表面熱流密度約為0.035 W/cm2。設計要求機箱在高溫+60℃環(huán)境中能夠長時間連續(xù)工作。由表1可知，激光器對溫度最為敏感，為保證其正常工作，高溫工作時最大許用溫升僅為10℃，按文獻［3］所述，自然散熱已不能滿足設計要求，而強迫風冷散熱能力足夠，設計實現(xiàn)方便，故確定采用強迫風冷散熱方式。

風機選擇計算如下，由公式：模型進行分析，+60℃工作時風道剖面內(nèi)溫度和速度分布如圖5示。風道內(nèi)速度比較均勻，進出口溫差約5℃～10℃。風機工作效率約48%，風機選擇合理。

+60℃時設備熱仿真結(jié)果如圖6示，機箱內(nèi)各模塊仿真溫度如表2示。功放天控模塊和電源模塊可以正常工作，光電轉(zhuǎn)換模塊仿真溫度高于激光器敏感溫度，需額外采取散熱措施。

熱電制冷系統(tǒng)具有尺寸小、無噪聲、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、抗振性強等特點，易于精確調(diào)節(jié)制冷溫度，非常適合用于電子設備局部冷卻［4］。因此在光電轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)部增加微型熱電制冷（TEC）裝置，冷端與激光器接觸，熱端安裝在模塊底面上，通過機箱外壁散熱。前期光電轉(zhuǎn)換模塊高低溫試驗表明，采用8.3mm×8.3mm尺寸的制冷器后，模塊底面為+75℃時，激光器為37℃。此時制冷器工作電壓2.5V，工作電流0.6A，增加的熱耗僅為1.5W。此外，低溫-40℃時TEC可將激光器加熱至許用溫度區(qū)間內(nèi)，保證輸出功率穩(wěn)定。

設備樣機調(diào)試完成后，采用一套熱電偶溫度測試系統(tǒng)進行了測試，熱平衡后設備工作正常，各模塊溫度如表2示。試驗與仿真結(jié)果非常接近，表明熱仿真模型準確有效，設備散熱結(jié)構(gòu)方案達到設計要求。

表2 高溫工作（+60℃）時模塊仿真和試驗溫度

4 電磁兼容性結(jié)構(gòu)設計

4.1 屏蔽濾波設計

機箱設計為雙層屏蔽結(jié)構(gòu)，先由模塊密封殼體進行屏蔽，再由機箱密封箱體進行二次屏蔽［5］。

模塊殼體采用5A06鋁合金銑制而成，內(nèi)部采用多腔結(jié)構(gòu)實現(xiàn)屏蔽隔離。機箱箱體與上下蓋板、風道蓋板接觸面上設計導電密封槽，安裝雙組份屏蔽條，該屏蔽條外側(cè)密封，內(nèi)側(cè)導電，可在保證設備密封性的同時具有良好的屏蔽性能。機箱僅有的兩個對外接口安裝法蘭上設計O形密封屏蔽結(jié)構(gòu)，光電復合插座尾部電源線上串接濾波電容。風機供電線上串接穿心電容。機箱內(nèi)模塊連接電纜力求少而短，避免彎曲走線；高頻電纜采用半剛性電纜連接；數(shù)據(jù)電纜采用屏蔽雙絞線連接。

機箱上所有孔縫都根據(jù)有關(guān)公式計算后設計。該設備工作頻率1GHz，基頻波長約300mm，根據(jù)以往同類設備電磁兼容測試經(jīng)驗，6次諧波以上分量幅值很小，孔縫特征尺寸小于波長1/10（即約5mm）才能保證較好的屏蔽效果。兼顧裝配方便性，機箱蓋板螺釘間距取50mm，采用M4螺釘保證屏蔽條壓緊。在防水透氣閥內(nèi)側(cè)進氣口加裝金屬絲網(wǎng)屏蔽罩。

4.2 接地設計

良好的接地是減少各電路相互串擾的一種重要方法。機箱內(nèi)部各模塊殼體表面與機箱內(nèi)壁均采用導電氧化處理，保證良好接地。機箱前面板設計M4接地螺柱，通過銅質(zhì)搭鐵線連接到外部可靠接地點。

采取上述措施的射頻前端原理樣機，已順利通過GJB151A-2003規(guī)定的地面設備EMC測試項目。

5 環(huán)境適應性設計

5.1 密封防雨設計

針對戶外射頻前端的防雨要求，設計上采取如下措施：

1）機箱設計為密閉結(jié)構(gòu)，蓋板和箱體所有接觸面上安裝復合導電橡膠條，外側(cè)橡膠條具有良好的防水密封性，適當增加蓋板安裝點位以增大壓緊力，保證橡膠條能有效壓緊，并且可以提高屏蔽效能；

2）機箱安裝方式為掛裝，前面板朝下，并專門設計了防雨罩保護對外連接器；

3）機箱表面所有安裝孔均設計為盲孔；前面板上電纜插頭、插座均選用防水密封型號，電纜與插頭的連接采取密封膠與熱縮套管封裝，插頭與插座連接后纏繞防水膠帶；

4）為了平衡機箱內(nèi)外壓力，避免結(jié)構(gòu)變形引起密封失效并消除因“呼吸效應”產(chǎn)生積水等現(xiàn)象，在機箱側(cè)壁上安裝防水透氣閥，可有效平衡防護機箱內(nèi)外氣壓差［6］。按本機箱體積及環(huán)境試驗條件，選定防水透氣閥安裝規(guī)格為M12，最大氣流量為70ba～180ml/min。

5.2 防腐蝕設計

1）材料選擇

在滿足產(chǎn)品技術(shù)、使用性能的前提下，盡可能選用耐蝕金屬材料和非金屬材料，如下［7］：

（1）機箱殼體采用的耐腐蝕的防銹鋁合金AL-5A06；

（2）所有外部緊固件、連接器殼體等材質(zhì)選用不銹鋼316L；

（3）所有外露的高分子材料如導電橡膠條、電纜橡膠護套等選用性能穩(wěn)定、耐腐蝕的材料。

2）結(jié)構(gòu)防護設計

機箱設計為水密結(jié)構(gòu)，外表面不存在易積水的凹坑、狹縫等結(jié)構(gòu)，表面結(jié)構(gòu)單一、光滑，成型良好，水、灰塵和鹽霧不易沉積［8］。機箱側(cè)壁上安裝防水透氣閥以平衡內(nèi)外氣壓，可以防止水分子進入內(nèi)部。

3）工藝設計

“三防”處理可達到長期防潮、防霉、防鹽霧侵蝕的作用，并能防止由于溫度驟然變化所引起的“凝露”［9］。除印制板外，機箱內(nèi)部無導熱、導電要求的表面也進行“三防”處理。三防漆使用HYBH-01-01，該漆耐候性好，綜合性能優(yōu)異，具有很好的耐腐蝕等性能。

5.3 防太陽輻射設計

島礁戶外日照強烈，機箱設計需考慮太陽輻射的影響。設計參考環(huán)境為：溫度+48℃，輻射強度1110W/m2。

太陽輻射對設備的影響主要是由熱效應和光化學效應產(chǎn)生的。一方面在熱設計時考慮太陽輻射加熱效應的影響，留有一定的裕度；另一方面，考慮光化學效應對設備的影響，選取耐老化、光化學性能穩(wěn)定的高分子材料；對機箱外表面進行高耐候的噴粉處理，噴粉層的技術(shù)指標見表3，滿足抗太陽輻射要求。

5.4 防雷設計

根據(jù)圖1所示射頻前端安裝位置，按文獻［10］可知位于LPZ0B區(qū)，屬充分暴露的直擊雷防雷區(qū)。結(jié)構(gòu)設計上主要采取的防雷措施如下：

1）機箱設計為金屬電連通導體，保證箱體各部分相對接地點等電位；

2）機箱內(nèi)部天線饋線和電源線串入專用的避雷器，遇雷擊時避雷器導通，保護內(nèi)部工作電路；

3）天線避雷器、電源避雷器的地線通過銅質(zhì)導線與箱體導通；

表3 機箱表面噴粉層技術(shù)指標

4）機箱面板上設計接地柱，接地線采用截面積不小于6mm2帶護套的銅質(zhì)導線并盡可能短，以減小接地電阻，接地線另一端就近連接在鐵塔接地點上。

6 結(jié)語

本文詳述了某島礁戶外射頻前端的防護性結(jié)構(gòu)設計，著重闡述了機箱的強迫風冷散熱設計，電磁兼容結(jié)構(gòu)設計，以及密封防雨、防腐蝕、防雷和防太陽輻射等環(huán)境適應性設計。仿真和試驗結(jié)果表明本文設計的穿通風冷式機箱結(jié)構(gòu)散熱效果好，且結(jié)構(gòu)組成簡單，易于實現(xiàn)密封，具有良好的耐候性，滿足島礁環(huán)境戶外設備的防護要求。該機箱結(jié)構(gòu)對其它戶外設備結(jié)構(gòu)設計也具有一定的參考意義。

［1］劉國維.雷達接收系統(tǒng)戶外機箱的結(jié)構(gòu)研究［J］.電子機械工程，2008，24（3）：21-24.

［2］曹立榮，佟文清.電子裝備南海環(huán)境適應性改進設計研究［J］.環(huán)境技術(shù)，2013（6）：21-24.

［3］余建祖.電子設備熱設計及分析技術(shù)［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［4］張興娟，王羽白.機載小功率熱電制冷系統(tǒng)的性能分析［J］.東南大學學報，2010，26（2）：372-374.

［5］韓鐘劍，張娜.某戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈測試設備結(jié)構(gòu)設計［J］.艦船電子對抗，2016，39（2）：115-121.

［6］劉應輝，張思東.防水透氣閥在通信設備行業(yè)的應用［J］.電子機械工程，2014，30（4）：5-7.

［7］戈進飛.電子設備的防腐結(jié)構(gòu)設計綜述［J］.艦船電子工程，2015（6）：146-150.

［8］陳小寧.艦載雷達電子設備的防護設計［J］.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2006，24（2）：26-27.

［9］過石正，過希文.對某雷達腐蝕控制設計技術(shù)的研究與應用［J］.機械工程與自動化，2014（1）：181-183.

［10］應洪正等.GJB6784-2009，軍用地面電子設施通用防雷要求［S］.北京：總裝備部軍標出版發(fā)行部，2009.

Structure Design of An Outdoor RF Front-end

LI Bingqiang
（20th Institute，China Electronics Technology Group Corporation，Xi'an710068）

A RF front-end applies in outdoor environment of reefs，where high temperature，damp heat，salt fog and other issues are very prominent.This paper discusses the protective structure design of the RF front-end，focuses on the forced air cooling system design，electromagnetic compatibility design，and rain-proof，anti-corrosion，lightning protection，solar radiation protection and other environment adaptability design.The chassis prototype has passed the EMC test，high-low temperature test，and other environmental test.It shows that the structural design is reasonable and feasible，and has certain reference for other outdoor cabinet structure design.

open-air cabinet，thermal simulation，environmental adaptability，anticorrosion design

TN957

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.041

2017年1月10日，

2017年2月28日

“十三五”XX共用信息系統(tǒng)裝備預先研究課題（編號：31508XXXX）資助。

李兵強，男，碩士研究生，工程師，研究方向：子設備結(jié)構(gòu)設計和熱、振仿真分析。