背負式電子設備結構設計

暢黎鵬

(中國電子科技集團公司第二十研究所,陜西 西安 710068)

0 引 言

現代戰爭已經無可置疑地進入了信息化戰爭時代。戰場態勢的瞬息萬變對戰術通信提出了嚴峻的挑戰。誰獲取的情報信息快、準、全，誰就掌握了戰場的主動權，誰就能贏得戰爭的勝利。為達此目的，軍方必須選用可用性強、工作效率高的通信設備。本文討論的背負式電子設備可提供話音和高速數據通信，在千變萬化的戰場情勢中能夠發揮重要作用。

1 結構形式

背負式電子設備要盡最大可能地做到體積小，重量輕，容易加工，生產成本低，安全可靠，性能優異，使用壽命長。設備布局應緊湊合理，結構穩定牢固，文字標識清晰，人機關系良好，操作簡單快捷，使用方便靈活，不需要維護或少維護，附件拆裝迅速，在規定環境條件下能迅速開展工作。

1.1 總體結構

總體結構采用框架形式。框架采用拼裝焊接成型。框架的各個零件應進行輕量化設計，便于銑削加工成薄壁結構，實現設備重量最輕之目的。大批量生產時，機箱也可采用鋁合金壓鑄等方法加工，以期提高生產效率，降低制造成本，節約資源能耗。設備結構示意圖如圖1所示。

圖1 設備結構示意圖

所有模塊通過母板進行互聯互通。模塊采用拔插安裝結構，有導向裝置和定位銷，可保證模塊快速插拔定位準確。

前面板安裝有耳機、天線接口等連接器，以及毀鑰開關。耳機用于話音聯絡。天線接口用于連接天線，實現射頻信號的接收和發射。毀鑰開關用于在緊急情況下清除密鑰參數。

1.2 工業設計

機箱為帶散熱肋片的殼體[1]，肋片進行了造型設計，從而使肋片具有減重、散熱及裝飾的三重效果。設備外形示意圖如圖2所示。前面板可很方便地拆裝維護。

圖2 設備外形示意圖

把手可設計為立體造型結構形式，既能保護前面板上的接插件，又增加了設備的整體美感，達到了牢固、穩重、美觀的效果。把手造型如圖3所示。

圖3 把手造型示意圖

1.3 模塊及互聯情況

內部功能單元按功能不同設計為多個模塊，維修更換十分方便。所有模塊采用密閉的防銹鋁合金盒體，嚴格控制模塊厚度，模塊間隔為3 mm，最大限度地降低了整個設備的體積重量。

根據每個模塊的性能需求選用恰當芯數的連接器與母板相連。射頻信號通過射頻連接器和屏蔽性能優良的同軸電纜進行傳輸。

1.4 面板設計

面板設計時應使長寬比盡量接近黃金分割比例、均方根比例或倍比比例，以符合人們的審美習慣[2]。

面板上的接插件應根據功能、連接情況及均齊與平衡法則進行細致劃分，做到區域清晰簡潔，布局緊湊美觀，操作界面友好。

前面板上有鎖緊塊，在必要時可快速將設備安裝到通信車內的車載臺上實現遠程通信使用。

1.5 接插件

面板上的接插件應按照一致性及相關性劃區分塊安裝。

接插件應選用可靠性高、耐磨損、抗腐蝕、電磁屏蔽性強、防水密封性佳、能快速分離和使用壽命長的電連接器，要具有良好的盲插和自鎖功能。

面板上非經常使用的連接器，均應安裝防塵保護帽，保護連接器在未插入配合時不受損壞。保護帽應能可靠固定在連接器附近。

1.6 涂漆和印字

設備外露表面噴涂草綠色無光澤氟碳漆。該漆具有優良的防腐蝕性能、強附著性、超長耐候性，免維護、自清潔。出色的耐光耐候性，不粉化不褪色。漆膜堅韌，表面硬度高，耐磨、耐濕熱性佳，耐沖擊，抗屈曲，耐高溫，抗腐蝕，具有良好的防潮、防霉、防鹽霧性能。

面板上的印字選用富有中國傳統書法藝術美并容易辨認的楷體，采用腐蝕、刻印或激光等加工工藝進行陰文加工，并填色處理，使面板顯得清秀整潔。將面板上的設備名稱及普通功能定義涂黑色漆，給人以清爽易辨的感覺。將毀鑰開關等特殊功能定義涂紅色漆，以達到警示提醒之目的。

2 熱設計

熱設計采用經濟可靠的自然散熱方式。在機箱外部設計大量散熱肋片，增加換熱面積，提高機箱向外界的散熱能力。

模塊所產生熱量應盡量傳遞至鋁合金盒體。盒體上所裝鎖緊裝置能將模塊的熱傳導至機箱。熱耗大的模塊應貼裝在機箱壁面加強散熱。對無法貼裝在機箱壁面的大功率模塊采用加裝散熱器的方法提高散熱效果。

元器件要進行降額設計，設計余量要大，這樣可以確保元器件長期可靠工作，不會過熱提前老化，并且無需專門冷卻。

3 三防設計

密封機箱是三防設計最為理想的選擇。密封機箱結構的目的是使機箱內部與外界大氣隔離[3]，防止破壞性物質(如鹽霧、潮氣及灰塵等)侵入設備內部，保護內部電氣和結構免受外部惡劣環境影響，為機箱內部的元器件和結構件創造良好的工作環境，以提高元器件的可靠性，延長設備使用壽命，同時可以滿足防淋雨及流體污染等環境適應性的要求。

針對惡劣的使用環境要求，設備的所有零部件均應盡量使用防銹鋁、不銹鋼或鈦合金等耐腐蝕材料。設備外表面應噴涂耐腐蝕抗老化的色漆。設備內部應涂敷三防漆，并嚴格執行三防漆的技術要求，將漆膜厚度控制在0.05～0.1 mm之間。

4 電磁兼容性

電子噪聲污染、電磁干擾充斥在我們的周圍[4]，無線電波隨時隨地都在影響著我們，要徹底消除電磁干擾是不可能的。

為了保證設備的電磁兼容性，在總體設計之初就應把電磁兼容性作為一個重要問題來考慮。在保證設備的功能和性能技術指標前提下，采取一系列技術措施減小電磁干擾，從源頭將電磁干擾控制在合理范圍內，嚴格按照相關標準對印制板、模塊和機箱進行電磁兼容性設計，并進行合理的布局和正確的安裝。

4.1 技術途徑

電磁兼容設計應以使用最少技術、最低成本、最簡單方法，取得最佳電磁兼容環境為目標。

電磁兼容性設計應綜合利用屏蔽、濾波、接地和搭接技術，合理選用元器件，進行空間、時間和頻率分隔，合理布線，正確選用材料與工藝等技術措施。

在結構設計方面主要采用結構布局、材料選擇、機內走線、屏蔽、濾波、接地、搭接、去耦和隔離等技術措施。

4.2 具體措施

采用多重屏蔽措施對機箱、模塊和電纜進行屏蔽。機箱采用焊接成型工藝，形成密封的空間進行屏蔽設計。射頻前端模塊采用鋁材整體銑削成形的盒體，內部分隔成若干獨立密閉腔體進行屏蔽設計。在機箱與前面板接觸面處加裝導電橡膠繩，保證接縫及接觸面的電氣連續性，從而增強屏蔽效果。

對設備中容易引起電磁干擾的輸入輸出電源線和信號線，采取加裝電源濾波器，或選用濾波連接器進行合理濾波。

5 維修性

設備內部采用模塊化設計，提高了設備的可維修性，使設備互換性強，可靠性高。模塊應便于進行單獨測試，更換后不需要進行調整，必須調整時應能單獨進行。

進行防差錯設計，對各模塊進行編號標識，并使用防差錯連接器，避免接插時的盲目性。安裝時容易發生差錯的零部件，都應設置防差錯結構或有明顯的識別標記。面板上相同型號的連接器要選用具有防誤差功能的產品。

采用成熟先進的檢測技術，準確及時地發現定位設備使用過程中出現的各種故障，實現快速維修。

設計師不能強調操作者和維修人員應具有高度的責任心和高超的技術能力，而疏忽設備的本質維修性設計。必須在設計上采取必要的技術措施，消除或避免使用、操作和維修時造成人為差錯的可能，即使發生差錯也能立即發現和糾正，降低人員的勞動強度。

6 安全性

設備應絕對避免容易致人危險的毛刺、棱邊或銳角等。

設備應設有保險絲等保護裝置，保險裝置應安裝在易于迅速更換的地方。

設備應有避雷裝置。應在天線饋線等引入端裝有避雷器，避雷器的接入應不影響設備的正常工作。

電源輸入連接器，應采用插座為針，插頭為孔，其它則相反，從而最大限度地避免帶電插頭對人員構成可能的傷害。

必須的安全提示警告語應牢固地設置在設備的醒目位置。

7 保密性

設備應具有防電磁波泄漏和輻射的能力。設備應有緊急狀況下急速清除密鑰的裝置。設備應使用符合國家保密法規要求的保密模塊(卡)傳輸涉密信息，確保國家秘密安全。

8 主要戰技性能

8.1 環境適應性

設備應當充分滿足總體任務書中規定的溫度、濕熱、霉菌、鹽霧、淋雨、砂塵、太陽輻射、振動、沖擊、跌落和浸漬等使用環境要求。限于篇幅，在此不再累述。

8.2 電源

后面板加裝充電電池。使用軍用可充電鋰電池(符合GJB2374)或軍用鋅錳電池(符合GJB141 A)直流供電，額定電壓為24 V或12 V。

電池應體積小、重量輕、能量密度高、堅固耐用、安全可靠、電壓平穩、耐過放充電、自放電小、無記憶效應、有寬溫度特性和足夠的容量。電池應循環使用、壽命長、維護簡單方便、壽命期內無漏液腐蝕，貯存性能好。

應在電池明顯位置標明正、負極性，并有防止電池正負極插錯措施。鋰電池應有防爆安全裝置，符合GJB2374鋰電池安全要求，尺寸控制在200 mm×170 mm×80 mm以內，重量控制在4.5 kg以內。

8.3 尺寸重量

設備的最大尺寸應滿足：最大高度不大于500 mm；最大寬度不大于360 mm；最大深度不大于產品規范規定值[5]。

在滿足性能指標的前提下，應盡可能減輕設備的重量，越輕越好，背負式設備重量宜控制在15 kg內(包括電池、背架和備件)，最大總重量應不大于20 kg。設備密度最好能小于水的密度，使其可漂浮在水面上，從而大大減輕作戰人員泅水時的負荷。

8.4 天線

可采用1.5 m鞭狀天線，該天線極細，頂端直徑僅為2.5 mm，戰場上不易被發現，可以進行防風加固設計。

由于鞭狀天線的高度降低會帶來天線效率的降低[6]，所以采用螺旋天線更佳。螺旋天線能夠在保證效率的情況下降低天線的軸向高度，保證在運動中較高的天線不產生抖動，解決了背負式設備運動中天線抖動導致設備工作不穩定的問題。

8.5 背架

操作者使用背架可以輕松地背負設備。背架應堅固耐用、鎖緊快速牢靠，可隨人體的自然活動而彎曲，方便操作者進行各種活動。背架兩側應配有備件包，天線、耳機、充電器和備用電池可放置在備件包內。

9 結束語

以上只是作者對背負式電子設備結構設計的一點粗淺想法。期望能夠拋磚引玉，為類似產品的結構設計工作提供一點參考，使產品能更好地滿足工程實際需要。