背負(fù)式電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

暢黎鵬

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所,陜西 西安 710068)

0 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭已經(jīng)無可置疑地進(jìn)入了信息化戰(zhàn)爭時(shí)代。戰(zhàn)場態(tài)勢(shì)的瞬息萬變對(duì)戰(zhàn)術(shù)通信提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。誰獲取的情報(bào)信息快、準(zhǔn)、全，誰就掌握了戰(zhàn)場的主動(dòng)權(quán)，誰就能贏得戰(zhàn)爭的勝利。為達(dá)此目的，軍方必須選用可用性強(qiáng)、工作效率高的通信設(shè)備。本文討論的背負(fù)式電子設(shè)備可提供話音和高速數(shù)據(jù)通信，在千變?nèi)f化的戰(zhàn)場情勢(shì)中能夠發(fā)揮重要作用。

1 結(jié)構(gòu)形式

背負(fù)式電子設(shè)備要盡最大可能地做到體積小，重量輕，容易加工，生產(chǎn)成本低，安全可靠，性能優(yōu)異，使用壽命長。設(shè)備布局應(yīng)緊湊合理，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定牢固，文字標(biāo)識(shí)清晰，人機(jī)關(guān)系良好，操作簡單快捷，使用方便靈活，不需要維護(hù)或少維護(hù)，附件拆裝迅速，在規(guī)定環(huán)境條件下能迅速開展工作。

1.1 總體結(jié)構(gòu)

總體結(jié)構(gòu)采用框架形式?？蚣懿捎闷囱b焊接成型?？蚣艿母鱾€(gè)零件應(yīng)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，便于銑削加工成薄壁結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備重量最輕之目的。大批量生產(chǎn)時(shí)，機(jī)箱也可采用鋁合金壓鑄等方法加工，以期提高生產(chǎn)效率，降低制造成本，節(jié)約資源能耗。設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

所有模塊通過母板進(jìn)行互聯(lián)互通。模塊采用拔插安裝結(jié)構(gòu)，有導(dǎo)向裝置和定位銷，可保證模塊快速插拔定位準(zhǔn)確。

前面板安裝有耳機(jī)、天線接口等連接器，以及毀鑰開關(guān)。耳機(jī)用于話音聯(lián)絡(luò)。天線接口用于連接天線，實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的接收和發(fā)射。毀鑰開關(guān)用于在緊急情況下清除密鑰參數(shù)。

1.2 工業(yè)設(shè)計(jì)

機(jī)箱為帶散熱肋片的殼體[1]，肋片進(jìn)行了造型設(shè)計(jì)，從而使肋片具有減重、散熱及裝飾的三重效果。設(shè)備外形示意圖如圖2所示。前面板可很方便地拆裝維護(hù)。

圖2 設(shè)備外形示意圖

把手可設(shè)計(jì)為立體造型結(jié)構(gòu)形式，既能保護(hù)前面板上的接插件，又增加了設(shè)備的整體美感，達(dá)到了牢固、穩(wěn)重、美觀的效果。把手造型如圖3所示。

圖3 把手造型示意圖

1.3 模塊及互聯(lián)情況

內(nèi)部功能單元按功能不同設(shè)計(jì)為多個(gè)模塊，維修更換十分方便。所有模塊采用密閉的防銹鋁合金盒體，嚴(yán)格控制模塊厚度，模塊間隔為3 mm，最大限度地降低了整個(gè)設(shè)備的體積重量。

根據(jù)每個(gè)模塊的性能需求選用恰當(dāng)芯數(shù)的連接器與母板相連。射頻信號(hào)通過射頻連接器和屏蔽性能優(yōu)良的同軸電纜進(jìn)行傳輸。

1.4 面板設(shè)計(jì)

面板設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使長寬比盡量接近黃金分割比例、均方根比例或倍比比例，以符合人們的審美習(xí)慣[2]。

面板上的接插件應(yīng)根據(jù)功能、連接情況及均齊與平衡法則進(jìn)行細(xì)致劃分，做到區(qū)域清晰簡潔，布局緊湊美觀，操作界面友好。

前面板上有鎖緊塊，在必要時(shí)可快速將設(shè)備安裝到通信車內(nèi)的車載臺(tái)上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信使用。

1.5 接插件

面板上的接插件應(yīng)按照一致性及相關(guān)性劃區(qū)分塊安裝。

接插件應(yīng)選用可靠性高、耐磨損、抗腐蝕、電磁屏蔽性強(qiáng)、防水密封性佳、能快速分離和使用壽命長的電連接器，要具有良好的盲插和自鎖功能。

面板上非經(jīng)常使用的連接器，均應(yīng)安裝防塵保護(hù)帽，保護(hù)連接器在未插入配合時(shí)不受損壞。保護(hù)帽應(yīng)能可靠固定在連接器附近。

1.6 涂漆和印字

設(shè)備外露表面噴涂草綠色無光澤氟碳漆。該漆具有優(yōu)良的防腐蝕性能、強(qiáng)附著性、超長耐候性，免維護(hù)、自清潔。出色的耐光耐候性，不粉化不褪色。漆膜堅(jiān)韌，表面硬度高，耐磨、耐濕熱性佳，耐沖擊，抗屈曲，耐高溫，抗腐蝕，具有良好的防潮、防霉、防鹽霧性能。

面板上的印字選用富有中國傳統(tǒng)書法藝術(shù)美并容易辨認(rèn)的楷體，采用腐蝕、刻印或激光等加工工藝進(jìn)行陰文加工，并填色處理，使面板顯得清秀整潔。將面板上的設(shè)備名稱及普通功能定義涂黑色漆，給人以清爽易辨的感覺。將毀鑰開關(guān)等特殊功能定義涂紅色漆，以達(dá)到警示提醒之目的。

2 熱設(shè)計(jì)

熱設(shè)計(jì)采用經(jīng)濟(jì)可靠的自然散熱方式。在機(jī)箱外部設(shè)計(jì)大量散熱肋片，增加換熱面積，提高機(jī)箱向外界的散熱能力。

模塊所產(chǎn)生熱量應(yīng)盡量傳遞至鋁合金盒體。盒體上所裝鎖緊裝置能將模塊的熱傳導(dǎo)至機(jī)箱。熱耗大的模塊應(yīng)貼裝在機(jī)箱壁面加強(qiáng)散熱。對(duì)無法貼裝在機(jī)箱壁面的大功率模塊采用加裝散熱器的方法提高散熱效果。

元器件要進(jìn)行降額設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)余量要大，這樣可以確保元器件長期可靠工作，不會(huì)過熱提前老化，并且無需專門冷卻。

3 三防設(shè)計(jì)

密封機(jī)箱是三防設(shè)計(jì)最為理想的選擇。密封機(jī)箱結(jié)構(gòu)的目的是使機(jī)箱內(nèi)部與外界大氣隔離[3]，防止破壞性物質(zhì)(如鹽霧、潮氣及灰塵等)侵入設(shè)備內(nèi)部，保護(hù)內(nèi)部電氣和結(jié)構(gòu)免受外部惡劣環(huán)境影響，為機(jī)箱內(nèi)部的元器件和結(jié)構(gòu)件創(chuàng)造良好的工作環(huán)境，以提高元器件的可靠性，延長設(shè)備使用壽命，同時(shí)可以滿足防淋雨及流體污染等環(huán)境適應(yīng)性的要求。

針對(duì)惡劣的使用環(huán)境要求，設(shè)備的所有零部件均應(yīng)盡量使用防銹鋁、不銹鋼或鈦合金等耐腐蝕材料。設(shè)備外表面應(yīng)噴涂耐腐蝕抗老化的色漆。設(shè)備內(nèi)部應(yīng)涂敷三防漆，并嚴(yán)格執(zhí)行三防漆的技術(shù)要求，將漆膜厚度控制在0.05～0.1 mm之間。

4 電磁兼容性

電子噪聲污染、電磁干擾充斥在我們的周圍[4]，無線電波隨時(shí)隨地都在影響著我們，要徹底消除電磁干擾是不可能的。

為了保證設(shè)備的電磁兼容性，在總體設(shè)計(jì)之初就應(yīng)把電磁兼容性作為一個(gè)重要問題來考慮。在保證設(shè)備的功能和性能技術(shù)指標(biāo)前提下，采取一系列技術(shù)措施減小電磁干擾，從源頭將電磁干擾控制在合理范圍內(nèi)，嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)印制板、模塊和機(jī)箱進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì)，并進(jìn)行合理的布局和正確的安裝。

4.1 技術(shù)途徑

電磁兼容設(shè)計(jì)應(yīng)以使用最少技術(shù)、最低成本、最簡單方法，取得最佳電磁兼容環(huán)境為目標(biāo)。

電磁兼容性設(shè)計(jì)應(yīng)綜合利用屏蔽、濾波、接地和搭接技術(shù)，合理選用元器件，進(jìn)行空間、時(shí)間和頻率分隔，合理布線，正確選用材料與工藝等技術(shù)措施。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面主要采用結(jié)構(gòu)布局、材料選擇、機(jī)內(nèi)走線、屏蔽、濾波、接地、搭接、去耦和隔離等技術(shù)措施。

4.2 具體措施

采用多重屏蔽措施對(duì)機(jī)箱、模塊和電纜進(jìn)行屏蔽。機(jī)箱采用焊接成型工藝，形成密封的空間進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì)。射頻前端模塊采用鋁材整體銑削成形的盒體，內(nèi)部分隔成若干獨(dú)立密閉腔體進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì)。在機(jī)箱與前面板接觸面處加裝導(dǎo)電橡膠繩，保證接縫及接觸面的電氣連續(xù)性，從而增強(qiáng)屏蔽效果。

對(duì)設(shè)備中容易引起電磁干擾的輸入輸出電源線和信號(hào)線，采取加裝電源濾波器，或選用濾波連接器進(jìn)行合理濾波。

5 維修性

設(shè)備內(nèi)部采用模塊化設(shè)計(jì)，提高了設(shè)備的可維修性，使設(shè)備互換性強(qiáng)，可靠性高。模塊應(yīng)便于進(jìn)行單獨(dú)測試，更換后不需要進(jìn)行調(diào)整，必須調(diào)整時(shí)應(yīng)能單獨(dú)進(jìn)行。

進(jìn)行防差錯(cuò)設(shè)計(jì)，對(duì)各模塊進(jìn)行編號(hào)標(biāo)識(shí)，并使用防差錯(cuò)連接器，避免接插時(shí)的盲目性。安裝時(shí)容易發(fā)生差錯(cuò)的零部件，都應(yīng)設(shè)置防差錯(cuò)結(jié)構(gòu)或有明顯的識(shí)別標(biāo)記。面板上相同型號(hào)的連接器要選用具有防誤差功能的產(chǎn)品。

采用成熟先進(jìn)的檢測技術(shù)，準(zhǔn)確及時(shí)地發(fā)現(xiàn)定位設(shè)備使用過程中出現(xiàn)的各種故障，實(shí)現(xiàn)快速維修。

設(shè)計(jì)師不能強(qiáng)調(diào)操作者和維修人員應(yīng)具有高度的責(zé)任心和高超的技術(shù)能力，而疏忽設(shè)備的本質(zhì)維修性設(shè)計(jì)。必須在設(shè)計(jì)上采取必要的技術(shù)措施，消除或避免使用、操作和維修時(shí)造成人為差錯(cuò)的可能，即使發(fā)生差錯(cuò)也能立即發(fā)現(xiàn)和糾正，降低人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

6 安全性

設(shè)備應(yīng)絕對(duì)避免容易致人危險(xiǎn)的毛刺、棱邊或銳角等。

設(shè)備應(yīng)設(shè)有保險(xiǎn)絲等保護(hù)裝置，保險(xiǎn)裝置應(yīng)安裝在易于迅速更換的地方。

設(shè)備應(yīng)有避雷裝置。應(yīng)在天線饋線等引入端裝有避雷器，避雷器的接入應(yīng)不影響設(shè)備的正常工作。

電源輸入連接器，應(yīng)采用插座為針，插頭為孔，其它則相反，從而最大限度地避免帶電插頭對(duì)人員構(gòu)成可能的傷害。

必須的安全提示警告語應(yīng)牢固地設(shè)置在設(shè)備的醒目位置。

7 保密性

設(shè)備應(yīng)具有防電磁波泄漏和輻射的能力。設(shè)備應(yīng)有緊急狀況下急速清除密鑰的裝置。設(shè)備應(yīng)使用符合國家保密法規(guī)要求的保密模塊(卡)傳輸涉密信息，確保國家秘密安全。

8 主要戰(zhàn)技性能

8.1 環(huán)境適應(yīng)性

設(shè)備應(yīng)當(dāng)充分滿足總體任務(wù)書中規(guī)定的溫度、濕熱、霉菌、鹽霧、淋雨、砂塵、太陽輻射、振動(dòng)、沖擊、跌落和浸漬等使用環(huán)境要求。限于篇幅，在此不再累述。

8.2 電源

后面板加裝充電電池。使用軍用可充電鋰電池(符合GJB2374)或軍用鋅錳電池(符合GJB141 A)直流供電，額定電壓為24 V或12 V。

電池應(yīng)體積小、重量輕、能量密度高、堅(jiān)固耐用、安全可靠、電壓平穩(wěn)、耐過放充電、自放電小、無記憶效應(yīng)、有寬溫度特性和足夠的容量。電池應(yīng)循環(huán)使用、壽命長、維護(hù)簡單方便、壽命期內(nèi)無漏液腐蝕，貯存性能好。

應(yīng)在電池明顯位置標(biāo)明正、負(fù)極性，并有防止電池正負(fù)極插錯(cuò)措施。鋰電池應(yīng)有防爆安全裝置，符合GJB2374鋰電池安全要求，尺寸控制在200 mm×170 mm×80 mm以內(nèi)，重量控制在4.5 kg以內(nèi)。

8.3 尺寸重量

設(shè)備的最大尺寸應(yīng)滿足：最大高度不大于500 mm；最大寬度不大于360 mm；最大深度不大于產(chǎn)品規(guī)范規(guī)定值[5]。

在滿足性能指標(biāo)的前提下，應(yīng)盡可能減輕設(shè)備的重量，越輕越好，背負(fù)式設(shè)備重量宜控制在15 kg內(nèi)(包括電池、背架和備件)，最大總重量應(yīng)不大于20 kg。設(shè)備密度最好能小于水的密度，使其可漂浮在水面上，從而大大減輕作戰(zhàn)人員泅水時(shí)的負(fù)荷。

8.4 天線

可采用1.5 m鞭狀天線，該天線極細(xì)，頂端直徑僅為2.5 mm，戰(zhàn)場上不易被發(fā)現(xiàn)，可以進(jìn)行防風(fēng)加固設(shè)計(jì)。

由于鞭狀天線的高度降低會(huì)帶來天線效率的降低[6]，所以采用螺旋天線更佳。螺旋天線能夠在保證效率的情況下降低天線的軸向高度，保證在運(yùn)動(dòng)中較高的天線不產(chǎn)生抖動(dòng)，解決了背負(fù)式設(shè)備運(yùn)動(dòng)中天線抖動(dòng)導(dǎo)致設(shè)備工作不穩(wěn)定的問題。

8.5 背架

操作者使用背架可以輕松地背負(fù)設(shè)備。背架應(yīng)堅(jiān)固耐用、鎖緊快速牢靠，可隨人體的自然活動(dòng)而彎曲，方便操作者進(jìn)行各種活動(dòng)。背架兩側(cè)應(yīng)配有備件包，天線、耳機(jī)、充電器和備用電池可放置在備件包內(nèi)。

9 結(jié)束語

以上只是作者對(duì)背負(fù)式電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一點(diǎn)粗淺想法。期望能夠拋磚引玉，為類似產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作提供一點(diǎn)參考，使產(chǎn)品能更好地滿足工程實(shí)際需要。