一种新型便携式通信设备设计方法的研究

2012-07-05蔡海兴

自动化与信息工程 2012年1期

关键词：信号线功能模块机箱

蔡海兴

（中国电子科技集团公司第28研究所）

1 引言

在海岛、滩涂、山地、丛林等地域，交通运输不便，气候环境恶劣，通信设备需要背负或携行。因此，单台设备须具有丰富的通信手段，以减少设备总数量；同时设备必须具备小型化、可携行、机动灵活、较强的环境适应性及高可靠性等特点。

针对以上需求，结合某携行通信设备的研制，本文提出了一种适用于野外条件下的便携式通信设备的设计方法和建议。

2 总体设计

由于在野外使用，便携式通信设备一方面需要具备足够的通信手段；另一方面为减轻携行人员的负担，必须具有小型化、可携行等特点；其次，野外比室内和舱内环境恶劣，对设备的强冲击振动、高低温、高湿及复杂电磁环境的适应能力提出了更高要求。设计时应突出以下方面：体积小、重量轻；携带及操作方便；环境适应性强；电磁兼容性优；可维护性好。设计从以下方面着手：

①合理进行设备内部布局设计，在不影响产品性能的前提下，最大限度地缩小设备尺寸以便携行或背负；②在保证设备结构强度和战术技术指标的前提下，箱体可以用工程塑料，以降低自重；③设备采用模块化设计技术，提高维修性与可靠性。对于复杂设备，可以分成箱体和内核两部分进行设计。内核集成了各种电气元器件，采用层次化设计，每层所有电气元件固定在对应的PCB（印制电路板）上，有利于该层元器件的整体拆卸和对外信号引接。内核用压杆等加固方式形成一个钢性整体，通过减振器与机箱连接，形成一个完整的减振系统；④设备具有温度控制能力，可根据内部温度变化情况自动控制加热和排热装置；⑤对外接口使用加固型连接器，所有对外接口处安装滤波装置、机械接缝处使用铍青铜簧片、通风窗处使用通风波导，以提高设备电磁兼容性。

3 详细设计

该设备功能较为全面，能接入多种通信网络。详细设计包括结构设计、环境适应性设计、电磁兼容性设计等方面。

3.1 结构设计

结构设计的原则是：设备既是一个紧凑整体，又可以方便拆卸更换各个模块。整个设备分为机箱和内核两部分，两者通过若干螺丝及信号线缆互连。

3.1.1 机箱设计

为了满足野外使用的要求，设备整体设计为可搬移或可背负方式，箱体两侧及顶部安装把手，使用时可抬行或手提。箱体底部安装滑轮和拉杆，以保证在平坦路面能单人拉行。

机箱采用前、后翻门的箱式设计。设备所有电源接口、通信接口安装在后接口板上。接口部分凹于后面板的后翻门，这样既能做到防雨、防湿，又能在安装航空连接器后顺利合上后翻门。控制开关、配置口、指示灯、指示屏等人机交互接口安装在前面板，通过前翻门打开或封盖。前后面板都留有通风口。

3.1.2 内核设计

内核包括内核架和内核硬件结构两部分，分别如图1、图2 所示。

图1 内核架示意图

图2 内核硬件结构示意图

内核硬件结构主要包括：功能模块、信号板及各种元器件、接插件等。内核架是内核硬件结构的承载平台，架子两侧有模块插槽，每个信号板能方便地插入对应插槽，起到保护内核模块的作用。内核架底部装有减震弹簧，通过减震弹簧与机箱相连。

内核采用模块化设计方法，分为三个层次：

第一层为多个独立的功能模块，如交换机模块、路由器模块等，每个功能模块都有独立的电气特性和物理结构，可单独装卸；

第二层为基于信号板的功能模块，信号板是新开发的过渡件，是各个功能模块物理支撑构件。每个功能模块都固定在信号板上，可与信号板一起作为整体从内核架中抽出；同时也是集成在该信号板上功能模块的数据、指示、控制等信号的转接模块。每个功能模块通过排针与对应信号板连接，信号板收集所有信号后通过统一排线与其它信号板及机箱连接；

第三层是整个内核，内核可整体从外壳中抽出，有利于整体安装、维修、检测。内核与机箱通过减震架连接。

采用模块化设计的内核，去除了功能模块多余的接插件，减少了模块之间以及模块与机箱之间的连接线缆，从而降低集成复杂度，有利于设备的维修及小型化、轻型化。

3.2 环境适应性设计

3.2.1 机械环境适应性设计

设备工作于野外环境，其机械环境条件包括机械振动、冲击、摇摆、离心加速度、颠振等，其中危害最大的就是振动和冲击。为保证设备的可靠性，使其适应各种振动与冲击的环境，必须进行抗振动、抗冲击设计。目前电子设备中使用的大多数是印制电路板，这些部件不仅有极其复杂的电子线路，而且包含精密复杂的结构。因此抗振动、抗冲击设计比普通的电子设备要求更高也更为复杂。

抗振动与抗冲击的主要技术措施有：选用抗冲击振动能力强的功能模块，尽量选用小型化的模块；通过设计设备的内部结构及有关参数，应用机械振动与冲击缓冲技术对设备进行振动与冲击的隔离，使设备具有良好的动态特性，达到减振和缓冲的目的，保证设备在恶劣的振动和冲击环境条件下能正常工作。

设备所有功能模块都通过冲击振动筛选试验，以保证每个模块都有较强的抗冲击振动能力。在整体上，设备进行了良好的缓冲设计，整个内核都安装在若干减震弹簧上，以减小内核受到的瞬间冲击力。不但如此，由于设备较为复杂、内核重心较高，为解决左右、前后方向的冲击振动问题，在内核上侧安装了两只与纵向、横向成45度角的减震弹簧，以吸收前后、左右冲击振动能量。

试验证明，该设计方法能明显提高复杂电子设备的抗冲击振动能力，满足野外使用的相关标准要求。

3.2.2 气候环境适应性设计

气候环境对设备的影响主要包括高低温、高湿、盐雾等方面。

热应力是造成元器件失效的主要因素，提高设备温度适应性的根本办法是选择宽温元器件和工艺。但恶劣的野外环境超出了某些元器件的工作范围，因此必须对设备进行温度控制设计。

设备的温度控制系统由控制芯片、传感器、风扇、加热棒组、通风孔等组成，多根加热棒嵌入在金属内核架的不同位置。当温控开关打开后，温控系统开始工作，并且能定时复位，以防止温控系统出现故障而影响整个设备的正常工作。温度控制系统如图3 所示。

图3 温度控制系统示意图

设备内部具有多个温度采样点，温度控制系统检测到某检测点温度后，与设定温度相比较，根据比较结果启动相应动作。当温度低于设定值，设备自行启动加热装置，并切断风扇电源，同时发出报警信息。切断风扇电源是为了提高加热效率，在极低温度环境下，存在加热棒组产生的热量不足以抵消风扇带走的热量的情况。当所有采样点的温度升至设备正常工作温度范围时，报警消失，风扇恢复运转，加热棒组停止工作。加热过程中，加热棒组通过热传导，将热量迅速传递给金属内核架，利用内核架与空气巨大的接触面，达到提高加热速度和效果的目的。

三防（防潮湿、防盐雾、防霉菌）设计是气候环境适应性设计的另一个重要方面，涉及到材料、元器件、电路、结构和工艺等多方面的工作。三防措施包括：三防结构防护设计；采用具有三防功能的材料和保护层；通过元器件密封、零件涂覆等方法，隔离器件与腐蚀介质[1]。

3.3 电磁兼容性设计

电磁兼容性是电子设备的一项非常重要的指标，它不仅关系到设备本身的工作可靠性和使用安全性，同时也会影响其它电子设备和系统的正常工作[2]。

根据电磁屏蔽原理，当机箱体是一个完全无缝隙、无孔洞的全封闭盒体时，具有最好的屏蔽性能[3]。而事实上，多数电子设备具有电源接口、信号接口和通风散热孔，不可能做到完全密闭。

设备的电磁兼容性设计主要从机箱屏蔽、电源及信号线滤波两方面考虑。

3.3.1 机箱屏蔽设计

机箱屏蔽包括箱体和孔口屏蔽。

箱体材料是决定箱体屏蔽性能的主要因素。理论上，材料磁导率越高，屏蔽性能越好，但同时需考虑重量、价格、强度等多方面因素。对于便携式通信设备，重量控制比较严格，箱体主要材料为工程塑料，此处采用了塑料表面喷涂屏蔽漆或敷贴导电膜的方法解决箱体屏蔽问题。

孔口包括通风口、信号灯口和连接处缝隙。通风口不但面积较大，而且必须保证孔口的贯通性，设备中通过加装通风波导板解决此问题。采用铝箔拉制的蜂窝，其技术上比较成熟，并且重量轻、成本低。当设备壁厚与波导孔的直径比值大于3时，波导就能对设备电磁辐射进行有效的衰减[4]。

某些通信设备，面板上有许多指示装置，如LED灯、液晶显示屏等，这些孔口不但数量多，而且尺寸大小不一致，分布无规则。与通风口不同的是，这些孔口不需要保证内外贯通，因此采用透明贴屏蔽膜或屏蔽丝网的方法解决。

通常机箱箱体由几部分拼接而成，在各连接处存在缝隙，为切断或削弱发射器与感受器通过这种缝隙通道的耦合，必须实现这些机械接口或接缝的电气完整性。在实际的设计中，为减小缝隙的电磁泄漏，可以采取以下措施：使屏蔽体的缝隙数量最少，增加搭接面的面积等[4]。确保设备整体对电磁屏蔽的要求。常用的方法是在连接处涂覆导电胶，安装导电铍铜簧片或导电橡胶。

3.3.2 电源线、信号线屏蔽设计

滤波设计技术是解决设备干扰，保证设备正常工作的一种有效措施。当前绝大多数电子设备内都有开关电源，开关切换过程中会产生低频率的干扰信号。出于成本和体积考虑，一般电源模块中，这些干扰信号难以消除。因此必须为电子设备加装EMI（电磁干扰）滤波器，EMI滤波器可以抑制来自电源线上的各种强度的干扰。为减小电源线进线上产生的电磁干扰，设计时用密闭金属罩将电源接插件和滤波器整体电磁屏蔽，电源线穿过屏蔽罩时，通过穿心电容引接。电源滤波设计如图4所示。