高集成化通信終端箱的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王才敏，張樹桐，郭 月，王時(shí)杰

（1.北京航天控制儀器研究所，北京 100854；2.北京航天萬(wàn)達(dá)高科技有限公司，北京 100143）

0 引 言

隨著水利信息化的推進(jìn)，衛(wèi)星通信網(wǎng)不斷增強(qiáng)，衛(wèi)星通信不受距離限制，通信站點(diǎn)選址靈活，是應(yīng)對(duì)運(yùn)營(yíng)商信號(hào)覆蓋不足地區(qū)信息回傳的主要方式，也是有線通信網(wǎng)的重要延伸[1]?？紤]到水利行業(yè)的特殊使用壞境，多雨、潮濕、室外等特點(diǎn)要求終端箱必須具有良好的防水性和便攜性，在這種情況下，便攜式衛(wèi)星通信小站發(fā)揮了更好的作用，并且可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)功能[2-4]。

目前，在衛(wèi)星小站應(yīng)用上，通信系統(tǒng)大部分采用了普通機(jī)架式終端箱集成方式，這種方式存在重量大、便攜性差以及防水性弱等缺點(diǎn)。

本文主要針對(duì)衛(wèi)星小站通信終端箱的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，采用印制線路板（Printed Circuit Board，PCB）板卡進(jìn)行設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)通信終端箱相比，采用板卡式設(shè)計(jì)終端箱具有良好的可便攜性；采用新型組合式散熱器，在保持箱體完整密封性的前提下可以高效排出衛(wèi)星通信終端箱內(nèi)部的熱量，有效解決衛(wèi)星通信終端箱的散熱和密封性問(wèn)題[5]。

1 通信終端箱的設(shè)計(jì)

1.1 終端箱總體設(shè)計(jì)介紹

衛(wèi)星通信終端箱中，將衛(wèi)星傳輸設(shè)備及相關(guān)的業(yè)務(wù)設(shè)備、音視頻設(shè)備、散熱單元、供電單元等以板卡排列方式集成，從而組合成一款性能優(yōu)良的一體機(jī)產(chǎn)品，使其具備便攜性強(qiáng)、集成度高、操作性能優(yōu)等特點(diǎn)[6]。

終端箱設(shè)計(jì)中面臨的問(wèn)題包括：（1）板卡之間箱體內(nèi)部連接集成，面板預(yù)留業(yè)務(wù)接口；（2）合理的布局可以減小箱子體積，提高集成度和可靠性；（3）采用集中供電模式，減少供電模塊，提高集成度和可靠性；（4）箱體統(tǒng)一防水、防塵、防護(hù)；（5）電磁兼容，設(shè)備板卡之間不互相干擾；（6）沖擊振動(dòng)，能夠承受一定的振動(dòng)沖擊而正常工作；（7）散熱，采用內(nèi)部氣流循環(huán)和內(nèi)外氣流循環(huán)相結(jié)合的方式；（8）可維護(hù)性，模塊化分層設(shè)計(jì)，便于維護(hù)[7]。

終端箱選用了美國(guó)SKB合蓋式箱體，其外觀如圖1所示，整體效果如圖2所示。

圖1 箱體外觀

圖2 終端箱整體效果

1.2 箱體布局結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

終端箱內(nèi)部托板采用一體化整體結(jié)構(gòu)，包含衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器、高清編解碼器、基于IP的語(yǔ)音傳輸（Voice over Internet Protocol，VoIP）、集中控制設(shè)備、顯示屏以及音箱等設(shè)備板卡。根據(jù)業(yè)務(wù)設(shè)備板卡及相關(guān)模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行工業(yè)設(shè)計(jì)和熱循環(huán)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)托板內(nèi)襯進(jìn)行設(shè)備板卡分層安裝定位。托板外側(cè)與航空箱體結(jié)合處采用橡膠減震墊，可以起到緩沖減震的作用，以減少對(duì)板卡的沖擊[8]。

通信終端箱箱體內(nèi)的安裝托架如圖3所示，采用一體化結(jié)構(gòu)，利于安裝固定。采用整體結(jié)構(gòu)后，托板整個(gè)框架可取出，維護(hù)方便。托板框架內(nèi)采用分層設(shè)計(jì)布局，如圖4所示，每層可放置設(shè)備板卡和模塊，托板上面板為對(duì)外操作和監(jiān)看使用，用于安裝業(yè)務(wù)接口和顯示屏。為了具有更好的防水性，箱體上蓋不設(shè)計(jì)安裝設(shè)備。

圖3 終端箱箱體托架示意

圖4 板卡4層前面板安裝示意

根據(jù)設(shè)備配置和系統(tǒng)綜合性能考慮，將所有設(shè)備分為4層安裝，其中第一層放置合路器、分路器、顯示器電源模塊、顯示屏控制板卡、過(guò)線孔；第二層放置星狀網(wǎng)衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器板卡、網(wǎng)狀網(wǎng)衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器板卡；第三層放置衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器電源模塊、設(shè)備電源模塊、集中控制板卡和高清編解碼器；第四層放置網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)，最頂層面板放置顯示屏、顯示屏控制按鈕、音響以及業(yè)務(wù)接插頭。

1.3 終端箱接口板設(shè)計(jì)

箱體操作面板為下箱體的最上面，安裝有信號(hào)接口，充分考慮和體現(xiàn)了實(shí)際使用需要與人性化設(shè)計(jì)。終端箱箱體面板通過(guò)上面板安裝接口的方式實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸入輸出，每個(gè)接口的安裝處都進(jìn)行了密封處理，采用特殊的軍用航空插頭，不用時(shí)有航空插帽連接，起到保護(hù)接口和防塵的作用。

1.4 終端箱散熱器設(shè)計(jì)

通信終端箱為了適應(yīng)應(yīng)急需求，便于外攜，外形、體積設(shè)計(jì)都比較小，無(wú)法提供更多體積和重量來(lái)安裝較為復(fù)雜的專用散熱裝置。為了滿足此類終端箱的散熱要求，常見的兩種散熱方式如下：一是在箱體側(cè)面直接安裝散熱風(fēng)扇，這種方式的箱體密封性能較差，不適合在水利部門的應(yīng)急場(chǎng)景中使用；二是在箱體安裝側(cè)面普通散熱板，這種方式雖然解決了密封性問(wèn)題，但單純依靠散熱板散熱的散熱效果較差，當(dāng)終端箱內(nèi)部所有板卡工作時(shí)，無(wú)法將熱量及時(shí)散出。本箱體散熱采用一種組合式散熱器，結(jié)合了普通散熱板密封性好和直接安裝散熱風(fēng)扇散熱效果好的優(yōu)點(diǎn)，在保障箱體密封性好的前提下快速散發(fā)通信終端箱體內(nèi)產(chǎn)生的熱量。

組合式散熱器如圖5所示，包括一塊帶有翅片的散熱模塊（內(nèi)部加注了散熱介質(zhì)）、兩個(gè)側(cè)出風(fēng)的小型防水風(fēng)扇、一個(gè)壓片和一個(gè)散熱風(fēng)扇防護(hù)網(wǎng)。散熱模塊包括箱內(nèi)吸熱塊和箱外散熱塊，沿邊緣進(jìn)行焊接，中間留有腔體，腔體寬為4 mm，在腔體內(nèi)注入散熱介質(zhì)，形成整體散熱模塊。內(nèi)吸熱塊快速吸取終端箱內(nèi)的熱量，通過(guò)腔體內(nèi)的散熱介質(zhì)將熱量傳導(dǎo)至外散熱塊的翅片上，再通過(guò)側(cè)面工作的吹風(fēng)風(fēng)扇將翅片上的熱量快速散去，達(dá)到散熱的目的，從而保證箱體內(nèi)板卡工作溫度[9,10]。本設(shè)計(jì)利用散熱介質(zhì)和防水吹風(fēng)風(fēng)扇的特性，巧妙地組合成新型散熱器，應(yīng)用到通信終端箱中，有效解決了終端箱的防水和散熱問(wèn)題。

圖5 板式組合散熱

2 結(jié) 論

本文主要針對(duì)衛(wèi)星小站通信終端箱的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，終端箱采用美國(guó)SKB便攜箱進(jìn)行集成，包含衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器、高清編解碼器、VoIP、集中控制設(shè)備、顯示屏和音箱等，都是國(guó)內(nèi)外通信系統(tǒng)中的主流產(chǎn)品，設(shè)備穩(wěn)定性好，系統(tǒng)可靠性高，而且設(shè)計(jì)過(guò)程充分考慮了防水、散熱等問(wèn)題。經(jīng)相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，通信終端箱展開工作時(shí)，防護(hù)等級(jí)為IP65，閉合儲(chǔ)存時(shí)，防護(hù)等級(jí)為IP67，電磁兼容、沖擊試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)等符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，重量不超過(guò)15 kg，已廣泛應(yīng)用在相關(guān)應(yīng)急領(lǐng)域。