某短波接收處理模塊的結構設計與防護加固

董 梅，奚冠巍

（江蘇自動化研究所，江蘇 連云港222000）

0 引言

隨著電子技術的快速發展，電子設備日趨小型化、模塊化，通常將某種特定功能集成為全密封的模塊，通過外部接口與其他設備連接，既減小了空間，提高了結構抗振、耐熱、耐蝕性和電磁防護能力，又便于在產品間通用。

某短波接收處理模塊是用來接收北斗接收機輸出的秒脈沖、天文臺發播的短波授時射頻信號，生成某種串口時間報文信息，經過處理，對外輸出某種秒脈沖；對外提供頻率切換按鍵、增益增加按鍵、增益減小按鍵接口，短波信號指示燈控制接口等。這里對其進行了結構設計。

1 結構形式

模塊內部主要安裝分頻器、短波接收板和數字信號處理板。分頻器和短波接收板易受外界信號干擾，影響短波信號的正常分頻和接收轉換，數字信號處理板上的10 MHz晶振產生的正弦波與天文臺發播的10 MHz頻率波互相干擾，它們對電磁環境要求較高。為了避免三者之間信號相互干擾，模塊內部需要有3個相互封閉的腔體，加上安裝空間和重量的嚴格限制，增大了結構設計的難度。在方案設計階段，對結構形式和加工工藝進行了多方論證和比較。鈑金拼接和鑄件設計都不能滿足要求，要么縫隙太多，難以解決電磁屏蔽與密封的問題；要么機械加工難度太大，工藝難以實現。最后決定采用鋁合金真空釬焊框架加轉接面板的結構形式。框架內部設計成加強筋結構，既減輕了重量，又保證了模塊剛度。

模塊內部的短波接收板、數字信號處理板都是未經加固的非標印制板，剛度較低，在工作環境下易產生共振，需進行加固處理。為了節省安裝空間，保證模塊尺寸最小化，將它們設計成專用插件，經框架上的槽口插入模塊，再通過螺釘分別與框架和前面板、后蓋板固定。根據功能，將分頻器和短波接收板分別安裝在短波接收插件上下兩面，這樣傳入的模擬信號經分頻處理后，可就近送到短波接收板，將模擬信號轉換成數字信號，縮短了傳輸導線的長度。通過合理布局兩者的安裝位置，實現安裝凸臺相互借用，減少了凸臺數量，降低了插件的重量；數字信號處理板設計成短波處理插件。安裝好后，模塊內部形成的3個腔體結構相互獨立、信號互不干擾。模塊內、外模擬信號和數字信號的轉換，通過前面板上的高性能電連接器來實現。模塊結構如圖1所示。

圖1 模塊外形

模塊上需要經常拆卸的零部件，連接部位采用鋼絲螺套工藝。不銹鋼材質的鋼絲螺套耐韌、耐腐蝕，有助于減輕鋁件上螺紋牙的磨損，改善螺紋連接的承載力和抗疲勞強度。

模塊內部的主要發熱源是短波接收板和數字信號處理板，在設計過程中充分考慮散熱問題，多采用功耗小的元器件，板卡自身產生的熱量較低，自然散熱即可滿足要求。

2 電磁屏蔽設計

電磁屏蔽是以金屬隔離的原理來控制電磁波由一個區域向另一個區域感應和傳播［1－2］。由于板卡的工作頻率較高，避開了低頻磁場的影響，模塊主要關注通過縫隙和孔洞的泄漏，以及導線上的傳導輻射，而不是材料固有的屏蔽效能。這里采取多種措施來保證模塊內部各腔體的抗干擾能力。

2．1 框架的設計

框架采取整體釬焊工藝，各側板連接處采用臺階式接縫設計，既便于定位，又有利于屏蔽和密封。

2．2 內部各腔體之間孔隙的處理

腔體內部的孔隙主要是插件板與槽口之間的縫隙以及插件板上的安裝孔。結構上采取以下方法：

a．加大插件板與插槽縫隙的重疊部分，減小插件板和槽口間的間隙尺寸。在方便插件插拔的情況下，槽口處間隙設計為0．2 mm，同時形成的折縫也有利于電磁屏蔽。

b．沿槽口深度方向，用螺釘將槽口和插件板緊固，通過施加足夠的壓力，保證每隔一小段距離就有固定的電接觸點。

c．各插件板凸臺上的安裝螺孔均設計成盲孔，有效地避免了螺釘連接處的泄漏，如圖2所示。

2．3 前面板、后蓋板與框架之間縫隙的處理

因分腔的緣故，前面板、后蓋板分別要與框架前、后面以及插件板前、后面接觸，存在大量的接縫，是電磁屏蔽的關鍵部位。為了保證各接觸面間長久保持良好的電接觸，采取的主要方法有：

a．減小縫隙的長度。短波的波長范圍在10～100 m之間，設計時保證每個腔體周邊縫隙的線性長度遠小于λ／20，λ為頻段中最高頻率的電磁波波長［1］。

b．加大框架和插件板與前面板、后蓋板的接觸面積。

c．根據接觸面的形狀設計一個完整的導電膠墊，不采用拼接結構。

d．前面板、后蓋板與框架和插件板之間的連接螺釘間距取50～60 mm，來補償因薄板變形產生的縫隙，如圖2所示。

圖2 電磁防護措施

2．4 連接器與前面板接觸面之間的屏蔽

連接器與前面板之間因材料不同存在較大的接觸阻抗；另外，當電纜接到模塊上時，被共模地電位驅動，形成天線，產生以電場為主的共模輻射［1］。為了滿足電磁兼容的要求，需要作以下處理：

a．在接觸面之間加入導電襯墊，改善電接觸性能。

b．模塊內、外均選用屏蔽電纜。對電纜和連接器進行組合設計和封裝，確保屏蔽層與連接器外殼360°導電連接，通過抑制電纜上的共模電流，實現共模輻射控制。

2．5 工藝上采取的措施

加工完成后，對框架和主要連接件進行導電氧化處理。裝配時，先將各接觸面上的灰塵、污漬清理干凈，涂上導電保護劑，然后用導電膠將導電橡膠墊均勻地粘在接觸面上。前面板、后蓋板在調試過程中會經常拆裝，是電磁兼容的薄弱環節，需進行重點加固，在與之接觸的平面上加涂導電漆。

3 防護設計

艦載設備的潮濕、鹽霧和易生霉菌的工作環境會造成金屬材料、印制板及元器件不同程度的腐蝕、老化，導致密封、導電性能下降，嚴重的會影響設備正常工作［3－5］。這里從材料的選用、結構和工藝設計方面對模塊采取了具體防護措施。

3．1 材料選取

材料上，框架采用防銹鋁板，前面板、后蓋板及內部主要連接件選用鋁合金硬鋁，牌號統一選用2A12。這些鋁合金具有以下優點：

a．密度小，但強度較高，有助于減輕模塊重量。

b．塑性高，易于切削加工，且加工精度高，有利于控制連接件間縫隙的尺寸。

c．導電氧化和陽極氧化后在表面生成穩定的氧化膜，具有較好的吸附能力，有利于導電保護劑、導電膠及油漆的附著，可大為提高導電性、耐蝕性。

框架和前面板、后蓋板之間，連接器與前面板之間加裝石墨鍍鎳導電橡膠墊，這種膠墊除了有良好的電磁密封和導電性能外，還具有良好的水汽密封能力和抗鹽霧性能。與鋁鍍銀填充硅橡膠墊相比，在進行了5個周期交變濕熱環境試驗后，鋁鍍銀填充硅橡膠墊表面出現明顯的白色斑跡，這些白斑是鋁鍍銀填充微粒析出后形成的氧化物，而石墨鍍鎳導電橡膠墊抗交變濕熱能力較好，試驗后材料表面基本未見填充微粒析出。

此外，緊固用的標準件，如螺釘、螺母及墊圈均采用不銹鋼材質。

3．2 結構與工藝防護

模塊要做到密封、防腐，結構和工藝上應著力解決孔隙、材料接觸腐蝕、零件表面涂覆和印制板防護等問題。

a．模塊上的螺紋孔均設計成盲孔，避免水氣和腐蝕性介質通過孔洞進入模塊內部。

b．為了避免相互接觸的金屬（或金屬鍍層）之間因電位差不同引起的化學腐蝕［3－5］，主要連接件都選用合金鋁材，同時考慮加工成本和重量因素，內部的繼電器安裝架，走線支架選用不銹鋼薄板制作。不同材質的零件連接處安裝絕緣襯墊。

c．零件的棱邊均設計過渡圓角，增強油漆的附著力。

d．在模塊外表面涂覆氟碳漆。該油漆在金屬表面具有良好的附著力，優良的防腐蝕性和耐磨性，超長耐候性，使用壽命可長達20年。

e．印制電路板上除需散熱的大規模器件外，全部噴涂聚氨酯三防漆。它的漆膜平整光亮，堅韌耐磨，附著力強，耐蝕耐潮，降低酸、堿性物質帶來的傷害，同時也可以避免靜電對調試及維修人員造成的意外傷害。

4 結束語

在模塊設計過程中，根據工作環境和安裝條件，結構和工藝上采取了分腔隔離、插槽和加強筋結構、縫隙設計、設置導電橡膠墊等有效措施，達到控制重量和體積，提高屏蔽和密封效能的目的；通過合理選材、恰當的表面涂覆和印制板防護等手段，提高了模塊的三防能力。環境試驗表明，模塊各項指標均達到標準，已投入使用。

［1］ Henry W Ott．電磁兼容工程［M］．鄒 澎，等譯．北京：清華大學出版社，2013．

［2］ 雷宏東．某型加固計算機的主機機箱結構設計［J］．機械管理開發，2010，25（5）：7－9．

［3］ 謝義水．艦載電子設備的三防設計［J］．機械工程學報，2007，43（1）：83－86．

［4］ 孫海龍，王曉慧．艦載電子設備的三防密封設計技術綜述［J］．裝備環境工程，2008，5（5）：49－52．

［5］ 王建明，周曉華．某型軍用計算機腐蝕防護設計和控制要求［J］．兵工自動化，2013，32（7）：42－44．