一種新型便攜式通信設備設計方法的研究

蔡海興

（中國電子科技集團公司第28研究所）

1 引言

在海島、灘涂、山地、叢林等地域，交通運輸不便，氣候環境惡劣，通信設備需要背負或攜行。因此，單臺設備須具有豐富的通信手段，以減少設備總數量；同時設備必須具備小型化、可攜行、機動靈活、較強的環境適應性及高可靠性等特點。

針對以上需求，結合某攜行通信設備的研制，本文提出了一種適用于野外條件下的便攜式通信設備的設計方法和建議。

2 總體設計

由于在野外使用，便攜式通信設備一方面需要具備足夠的通信手段；另一方面為減輕攜行人員的負擔，必須具有小型化、可攜行等特點；其次，野外比室內和艙內環境惡劣，對設備的強沖擊振動、高低溫、高濕及復雜電磁環境的適應能力提出了更高要求。設計時應突出以下方面：體積小、重量輕；攜帶及操作方便；環境適應性強；電磁兼容性優；可維護性好。設計從以下方面著手：

①合理進行設備內部布局設計，在不影響產品性能的前提下，最大限度地縮小設備尺寸以便攜行或背負；②在保證設備結構強度和戰術技術指標的前提下，箱體可以用工程塑料，以降低自重；③設備采用模塊化設計技術，提高維修性與可靠性。對于復雜設備，可以分成箱體和內核兩部分進行設計。內核集成了各種電氣元器件，采用層次化設計，每層所有電氣元件固定在對應的PCB（印制電路板）上，有利于該層元器件的整體拆卸和對外信號引接。內核用壓桿等加固方式形成一個鋼性整體，通過減振器與機箱連接，形成一個完整的減振系統；④設備具有溫度控制能力，可根據內部溫度變化情況自動控制加熱和排熱裝置；⑤對外接口使用加固型連接器，所有對外接口處安裝濾波裝置、機械接縫處使用鈹青銅簧片、通風窗處使用通風波導，以提高設備電磁兼容性。

3 詳細設計

該設備功能較為全面，能接入多種通信網絡。詳細設計包括結構設計、環境適應性設計、電磁兼容性設計等方面。

3.1 結構設計

結構設計的原則是：設備既是一個緊湊整體，又可以方便拆卸更換各個模塊。整個設備分為機箱和內核兩部分，兩者通過若干螺絲及信號線纜互連。

3.1.1 機箱設計

為了滿足野外使用的要求，設備整體設計為可搬移或可背負方式，箱體兩側及頂部安裝把手，使用時可抬行或手提。箱體底部安裝滑輪和拉桿，以保證在平坦路面能單人拉行。

機箱采用前、后翻門的箱式設計。設備所有電源接口、通信接口安裝在后接口板上。接口部分凹于后面板的后翻門，這樣既能做到防雨、防濕，又能在安裝航空連接器后順利合上后翻門。控制開關、配置口、指示燈、指示屏等人機交互接口安裝在前面板，通過前翻門打開或封蓋。前后面板都留有通風口。

3.1.2 內核設計

內核包括內核架和內核硬件結構兩部分，分別如圖1、圖2 所示。

圖1 內核架示意圖

圖2 內核硬件結構示意圖

內核硬件結構主要包括：功能模塊、信號板及各種元器件、接插件等。內核架是內核硬件結構的承載平臺，架子兩側有模塊插槽，每個信號板能方便地插入對應插槽，起到保護內核模塊的作用。內核架底部裝有減震彈簧，通過減震彈簧與機箱相連。

內核采用模塊化設計方法，分為三個層次：

第一層為多個獨立的功能模塊，如交換機模塊、路由器模塊等，每個功能模塊都有獨立的電氣特性和物理結構，可單獨裝卸；

第二層為基于信號板的功能模塊，信號板是新開發的過渡件，是各個功能模塊物理支撐構件。每個功能模塊都固定在信號板上，可與信號板一起作為整體從內核架中抽出；同時也是集成在該信號板上功能模塊的數據、指示、控制等信號的轉接模塊。每個功能模塊通過排針與對應信號板連接，信號板收集所有信號后通過統一排線與其它信號板及機箱連接；

第三層是整個內核，內核可整體從外殼中抽出，有利于整體安裝、維修、檢測。內核與機箱通過減震架連接。

采用模塊化設計的內核，去除了功能模塊多余的接插件，減少了模塊之間以及模塊與機箱之間的連接線纜，從而降低集成復雜度，有利于設備的維修及小型化、輕型化。

3.2 環境適應性設計

3.2.1 機械環境適應性設計

設備工作于野外環境，其機械環境條件包括機械振動、沖擊、搖擺、離心加速度、顛振等，其中危害最大的就是振動和沖擊。為保證設備的可靠性，使其適應各種振動與沖擊的環境，必須進行抗振動、抗沖擊設計。目前電子設備中使用的大多數是印制電路板，這些部件不僅有極其復雜的電子線路，而且包含精密復雜的結構。因此抗振動、抗沖擊設計比普通的電子設備要求更高也更為復雜。

抗振動與抗沖擊的主要技術措施有：選用抗沖擊振動能力強的功能模塊，盡量選用小型化的模塊；通過設計設備的內部結構及有關參數，應用機械振動與沖擊緩沖技術對設備進行振動與沖擊的隔離，使設備具有良好的動態特性，達到減振和緩沖的目的，保證設備在惡劣的振動和沖擊環境條件下能正常工作。

設備所有功能模塊都通過沖擊振動篩選試驗，以保證每個模塊都有較強的抗沖擊振動能力。在整體上，設備進行了良好的緩沖設計，整個內核都安裝在若干減震彈簧上，以減小內核受到的瞬間沖擊力。不但如此，由于設備較為復雜、內核重心較高，為解決左右、前后方向的沖擊振動問題，在內核上側安裝了兩只與縱向、橫向成45度角的減震彈簧，以吸收前后、左右沖擊振動能量。

試驗證明，該設計方法能明顯提高復雜電子設備的抗沖擊振動能力，滿足野外使用的相關標準要求。

3.2.2 氣候環境適應性設計

氣候環境對設備的影響主要包括高低溫、高濕、鹽霧等方面。

熱應力是造成元器件失效的主要因素，提高設備溫度適應性的根本辦法是選擇寬溫元器件和工藝。但惡劣的野外環境超出了某些元器件的工作范圍，因此必須對設備進行溫度控制設計。

設備的溫度控制系統由控制芯片、傳感器、風扇、加熱棒組、通風孔等組成，多根加熱棒嵌入在金屬內核架的不同位置。當溫控開關打開后，溫控系統開始工作，并且能定時復位，以防止溫控系統出現故障而影響整個設備的正常工作。溫度控制系統如圖3 所示。

圖3 溫度控制系統示意圖

設備內部具有多個溫度采樣點，溫度控制系統檢測到某檢測點溫度后，與設定溫度相比較，根據比較結果啟動相應動作。當溫度低于設定值，設備自行啟動加熱裝置，并切斷風扇電源，同時發出報警信息。切斷風扇電源是為了提高加熱效率，在極低溫度環境下，存在加熱棒組產生的熱量不足以抵消風扇帶走的熱量的情況。當所有采樣點的溫度升至設備正常工作溫度范圍時，報警消失，風扇恢復運轉，加熱棒組停止工作。加熱過程中，加熱棒組通過熱傳導，將熱量迅速傳遞給金屬內核架，利用內核架與空氣巨大的接觸面，達到提高加熱速度和效果的目的。

三防（防潮濕、防鹽霧、防霉菌）設計是氣候環境適應性設計的另一個重要方面，涉及到材料、元器件、電路、結構和工藝等多方面的工作。三防措施包括：三防結構防護設計；采用具有三防功能的材料和保護層；通過元器件密封、零件涂覆等方法，隔離器件與腐蝕介質[1]。

3.3 電磁兼容性設計

電磁兼容性是電子設備的一項非常重要的指標，它不僅關系到設備本身的工作可靠性和使用安全性，同時也會影響其它電子設備和系統的正常工作[2]。

根據電磁屏蔽原理，當機箱體是一個完全無縫隙、無孔洞的全封閉盒體時，具有最好的屏蔽性能[3]。而事實上，多數電子設備具有電源接口、信號接口和通風散熱孔，不可能做到完全密閉。

設備的電磁兼容性設計主要從機箱屏蔽、電源及信號線濾波兩方面考慮。

3.3.1 機箱屏蔽設計

機箱屏蔽包括箱體和孔口屏蔽。

箱體材料是決定箱體屏蔽性能的主要因素。理論上，材料磁導率越高，屏蔽性能越好，但同時需考慮重量、價格、強度等多方面因素。對于便攜式通信設備，重量控制比較嚴格，箱體主要材料為工程塑料，此處采用了塑料表面噴涂屏蔽漆或敷貼導電膜的方法解決箱體屏蔽問題。

孔口包括通風口、信號燈口和連接處縫隙。通風口不但面積較大，而且必須保證孔口的貫通性，設備中通過加裝通風波導板解決此問題。采用鋁箔拉制的蜂窩，其技術上比較成熟，并且重量輕、成本低。當設備壁厚與波導孔的直徑比值大于3時，波導就能對設備電磁輻射進行有效的衰減[4]。

某些通信設備，面板上有許多指示裝置，如LED燈、液晶顯示屏等，這些孔口不但數量多，而且尺寸大小不一致，分布無規則。與通風口不同的是，這些孔口不需要保證內外貫通，因此采用透明貼屏蔽膜或屏蔽絲網的方法解決。

通常機箱箱體由幾部分拼接而成，在各連接處存在縫隙，為切斷或削弱發射器與感受器通過這種縫隙通道的耦合，必須實現這些機械接口或接縫的電氣完整性。在實際的設計中，為減小縫隙的電磁泄漏，可以采取以下措施：使屏蔽體的縫隙數量最少，增加搭接面的面積等[4]。確保設備整體對電磁屏蔽的要求。常用的方法是在連接處涂覆導電膠，安裝導電鈹銅簧片或導電橡膠。

3.3.2 電源線、信號線屏蔽設計

濾波設計技術是解決設備干擾，保證設備正常工作的一種有效措施。當前絕大多數電子設備內都有開關電源，開關切換過程中會產生低頻率的干擾信號。出于成本和體積考慮，一般電源模塊中，這些干擾信號難以消除。因此必須為電子設備加裝EMI（電磁干擾）濾波器，EMI濾波器可以抑制來自電源線上的各種強度的干擾。為減小電源線進線上產生的電磁干擾，設計時用密閉金屬罩將電源接插件和濾波器整體電磁屏蔽，電源線穿過屏蔽罩時，通過穿心電容引接。電源濾波設計如圖4所示。

圖4 電源濾波設計示意圖

穿心電容也屬于濾波器一種，它的地電極圍繞在介質周圍，而信號線穿過介質，一個電極與芯線相連，另一個電極與外殼相連。一個電極通過焊接或以螺裝的方式直接安裝在金屬面板上，需要濾波的信號線連接在芯線的兩端。原理及安裝示意如圖5所示。

為了抑制來自信號線上的各種干擾，以及設備本身的干擾信號經信號線向外傳播，在設備的信號線鏈路上也應設計穿心電容。當信號接口連接對象為對電磁信號十分靈敏的無線設備時，甚至需要有多級濾波，以減小電磁干擾信號經過信號線干擾無線設備的正常工作。

圖5 穿心電容原理圖

4 結論

本文針對野外使用特點，結合某攜行通信設備的研制，提出了一種新型便攜式通信設備的設計方法和思路。該方法兼顧了設備小型化、便攜、較強的環境適應性及高可靠性的特點，為便攜式通信設備的研制提供了一定的參考價值。

[1]生建友,關志強.軍用電子設備環境適應性設計有關問題探討[J].裝備環境工程,2009,6(3):80-83.

[2]金強,衷崎.機載計算機電磁兼容性設計分析[J].航空電子技術,2009,40(1):43-47.

[3]蔡立艮,史長根,等.軍用加固型計算機電磁屏蔽設計[J].儀器儀表與分析監測,2002(3):9-11.

[4]孫艷.軍用便攜式加固計算機的電磁屏蔽設計[J].計算機工程與應用,2008,44(1):238-239.