某短波接收处理模块的结构设计与防护加固

2014-07-04奚冠巍

机械与电子 2014年4期

董梅，奚冠巍

（江苏自动化研究所，江苏连云港222000）

0 引言

随着电子技术的快速发展，电子设备日趋小型化、模块化，通常将某种特定功能集成为全密封的模块，通过外部接口与其他设备连接，既减小了空间，提高了结构抗振、耐热、耐蚀性和电磁防护能力，又便于在产品间通用。

某短波接收处理模块是用来接收北斗接收机输出的秒脉冲、天文台发播的短波授时射频信号，生成某种串口时间报文信息，经过处理，对外输出某种秒脉冲；对外提供频率切换按键、增益增加按键、增益减小按键接口，短波信号指示灯控制接口等。这里对其进行了结构设计。

1 结构形式

模块内部主要安装分频器、短波接收板和数字信号处理板。分频器和短波接收板易受外界信号干扰，影响短波信号的正常分频和接收转换，数字信号处理板上的10 MHz晶振产生的正弦波与天文台发播的10 MHz频率波互相干扰，它们对电磁环境要求较高。为了避免三者之间信号相互干扰，模块内部需要有3个相互封闭的腔体，加上安装空间和重量的严格限制，增大了结构设计的难度。在方案设计阶段，对结构形式和加工工艺进行了多方论证和比较。钣金拼接和铸件设计都不能满足要求，要么缝隙太多，难以解决电磁屏蔽与密封的问题；要么机械加工难度太大，工艺难以实现。最后决定采用铝合金真空钎焊框架加转接面板的结构形式。框架内部设计成加强筋结构，既减轻了重量，又保证了模块刚度。

模块内部的短波接收板、数字信号处理板都是未经加固的非标印制板，刚度较低，在工作环境下易产生共振，需进行加固处理。为了节省安装空间，保证模块尺寸最小化，将它们设计成专用插件，经框架上的槽口插入模块，再通过螺钉分别与框架和前面板、后盖板固定。根据功能，将分频器和短波接收板分别安装在短波接收插件上下两面，这样传入的模拟信号经分频处理后，可就近送到短波接收板，将模拟信号转换成数字信号，缩短了传输导线的长度。通过合理布局两者的安装位置，实现安装凸台相互借用，减少了凸台数量，降低了插件的重量；数字信号处理板设计成短波处理插件。安装好后，模块内部形成的3个腔体结构相互独立、信号互不干扰。模块内、外模拟信号和数字信号的转换，通过前面板上的高性能电连接器来实现。模块结构如图1所示。

图1 模块外形

模块上需要经常拆卸的零部件，连接部位采用钢丝螺套工艺。不锈钢材质的钢丝螺套耐韧、耐腐蚀，有助于减轻铝件上螺纹牙的磨损，改善螺纹连接的承载力和抗疲劳强度。

模块内部的主要发热源是短波接收板和数字信号处理板，在设计过程中充分考虑散热问题，多采用功耗小的元器件，板卡自身产生的热量较低，自然散热即可满足要求。

2 电磁屏蔽设计

电磁屏蔽是以金属隔离的原理来控制电磁波由一个区域向另一个区域感应和传播［1－2］。由于板卡的工作频率较高，避开了低频磁场的影响，模块主要关注通过缝隙和孔洞的泄漏，以及导线上的传导辐射，而不是材料固有的屏蔽效能。这里采取多种措施来保证模块内部各腔体的抗干扰能力。

2．1 框架的设计

框架采取整体钎焊工艺，各侧板连接处采用台阶式接缝设计，既便于定位，又有利于屏蔽和密封。

2．2 内部各腔体之间孔隙的处理

腔体内部的孔隙主要是插件板与槽口之间的缝隙以及插件板上的安装孔。结构上采取以下方法：

a．加大插件板与插槽缝隙的重叠部分，减小插件板和槽口间的间隙尺寸。在方便插件插拔的情况下，槽口处间隙设计为0．2 mm，同时形成的折缝也有利于电磁屏蔽。

b．沿槽口深度方向，用螺钉将槽口和插件板紧固，通过施加足够的压力，保证每隔一小段距离就有固定的电接触点。

c．各插件板凸台上的安装螺孔均设计成盲孔，有效地避免了螺钉连接处的泄漏，如图2所示。

2．3 前面板、后盖板与框架之间缝隙的处理

因分腔的缘故，前面板、后盖板分别要与框架前、后面以及插件板前、后面接触，存在大量的接缝，是电磁屏蔽的关键部位。为了保证各接触面间长久保持良好的电接触，采取的主要方法有：

a．减小缝隙的长度。短波的波长范围在10～100 m之间，设计时保证每个腔体周边缝隙的线性长度远小于λ／20，λ为频段中最高频率的电磁波波长［1］。

b．加大框架和插件板与前面板、后盖板的接触面积。

c．根据接触面的形状设计一个完整的导电胶垫，不采用拼接结构。

d．前面板、后盖板与框架和插件板之间的连接螺钉间距取50～60 mm，来补偿因薄板变形产生的缝隙，如图2所示。

图2 电磁防护措施

2．4 连接器与前面板接触面之间的屏蔽

连接器与前面板之间因材料不同存在较大的接触阻抗；另外，当电缆接到模块上时，被共模地电位驱动，形成天线，产生以电场为主的共模辐射［1］。为了满足电磁兼容的要求，需要作以下处理：

a．在接触面之间加入导电衬垫，改善电接触性能。

b．模块内、外均选用屏蔽电缆。对电缆和连接器进行组合设计和封装，确保屏蔽层与连接器外壳360°导电连接，通过抑制电缆上的共模电流，实现共模辐射控制。

2．5 工艺上采取的措施

加工完成后，对框架和主要连接件进行导电氧化处理。装配时，先将各接触面上的灰尘、污渍清理干净，涂上导电保护剂，然后用导电胶将导电橡胶垫均匀地粘在接触面上。前面板、后盖板在调试过程中会经常拆装，是电磁兼容的薄弱环节，需进行重点加固，在与之接触的平面上加涂导电漆。

3 防护设计

舰载设备的潮湿、盐雾和易生霉菌的工作环境会造成金属材料、印制板及元器件不同程度的腐蚀、老化，导致密封、导电性能下降，严重的会影响设备正常工作［3－5］。这里从材料的选用、结构和工艺设计方面对模块采取了具体防护措施。

3．1 材料选取

材料上，框架采用防锈铝板，前面板、后盖板及内部主要连接件选用铝合金硬铝，牌号统一选用2A12。这些铝合金具有以下优点：

a．密度小，但强度较高，有助于减轻模块重量。

b．塑性高，易于切削加工，且加工精度高，有利于控制连接件间缝隙的尺寸。

c．导电氧化和阳极氧化后在表面生成稳定的氧化膜，具有较好的吸附能力，有利于导电保护剂、导电胶及油漆的附着，可大为提高导电性、耐蚀性。

框架和前面板、后盖板之间，连接器与前面板之间加装石墨镀镍导电橡胶垫，这种胶垫除了有良好的电磁密封和导电性能外，还具有良好的水汽密封能力和抗盐雾性能。与铝镀银填充硅橡胶垫相比，在进行了5个周期交变湿热环境试验后，铝镀银填充硅橡胶垫表面出现明显的白色斑迹，这些白斑是铝镀银填充微粒析出后形成的氧化物，而石墨镀镍导电橡胶垫抗交变湿热能力较好，试验后材料表面基本未见填充微粒析出。

此外，紧固用的标准件，如螺钉、螺母及垫圈均采用不锈钢材质。