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      某短波接收處理模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計與防護加固

      2014-07-04 01:33:48奚冠巍
      機械與電子 2014年4期
      關(guān)鍵詞:前面板短波插件

      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(shù)的快速發(fā)展,電子設(shè)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(shè)備連接,既減小了空間,提高了結(jié)構(gòu)抗振、耐熱、耐蝕性和電磁防護能力,又便于在產(chǎn)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(fā)播的短波授時射頻信號,生成某種串口時間報文信息,經(jīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計。

      1 結(jié)構(gòu)形式

      模塊內(nèi)部主要安裝分頻器、短波接收板和數(shù)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(zhuǎn)換,數(shù)字信號處理板上的10 MHz晶振產(chǎn)生的正弦波與天文臺發(fā)播的10 MHz頻率波互相干擾,它們對電磁環(huán)境要求較高。為了避免三者之間信號相互干擾,模塊內(nèi)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(jié)構(gòu)設(shè)計的難度。在方案設(shè)計階段,對結(jié)構(gòu)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(shè)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(xiàn)。最后決定采用鋁合金真空釬焊框架加轉(zhuǎn)接面板的結(jié)構(gòu)形式??蚣軆?nèi)部設(shè)計成加強筋結(jié)構(gòu),既減輕了重量,又保證了模塊剛度。

      模塊內(nèi)部的短波接收板、數(shù)字信號處理板都是未經(jīng)加固的非標印制板,剛度較低,在工作環(huán)境下易產(chǎn)生共振,需進行加固處理。為了節(jié)省安裝空間,保證模塊尺寸最小化,將它們設(shè)計成專用插件,經(jīng)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(jù)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(jīng)分頻處理后,可就近送到短波接收板,將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,縮短了傳輸導(dǎo)線的長度。通過合理布局兩者的安裝位置,實現(xiàn)安裝凸臺相互借用,減少了凸臺數(shù)量,降低了插件的重量;數(shù)字信號處理板設(shè)計成短波處理插件。安裝好后,模塊內(nèi)部形成的3個腔體結(jié)構(gòu)相互獨立、信號互不干擾。模塊內(nèi)、外模擬信號和數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換,通過前面板上的高性能電連接器來實現(xiàn)。模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

      圖1 模塊外形

      模塊上需要經(jīng)常拆卸的零部件,連接部位采用鋼絲螺套工藝。不銹鋼材質(zhì)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(nèi)部的主要發(fā)熱源是短波接收板和數(shù)字信號處理板,在設(shè)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(chǎn)生的熱量較低,自然散熱即可滿足要求。

      2 電磁屏蔽設(shè)計

      電磁屏蔽是以金屬隔離的原理來控制電磁波由一個區(qū)域向另一個區(qū)域感應(yīng)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(guān)注通過縫隙和孔洞的泄漏,以及導(dǎo)線上的傳導(dǎo)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(nèi)部各腔體的抗干擾能力。

      2.1 框架的設(shè)計

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

      2.2 內(nèi)部各腔體之間孔隙的處理

      腔體內(nèi)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(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)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(guān)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(shè)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(jù)接觸面的形狀設(shè)計一個完整的導(dǎo)電膠墊,不采用拼接結(jié)構(gòu)。

      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(chǎn)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(dāng)電纜接到模塊上時,被共模地電位驅(qū)動,形成天線,產(chǎn)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(dǎo)電襯墊,改善電接觸性能。

      b.模塊內(nèi)、外均選用屏蔽電纜。對電纜和連接器進行組合設(shè)計和封裝,確保屏蔽層與連接器外殼360°導(dǎo)電連接,通過抑制電纜上的共模電流,實現(xiàn)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(dǎo)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(dǎo)電保護劑,然后用導(dǎo)電膠將導(dǎo)電橡膠墊均勻地粘在接觸面上。前面板、后蓋板在調(diào)試過程中會經(jīng)常拆裝,是電磁兼容的薄弱環(huán)節(jié),需進行重點加固,在與之接觸的平面上加涂導(dǎo)電漆。

      3 防護設(shè)計

      艦載設(shè)備的潮濕、鹽霧和易生霉菌的工作環(huán)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(dǎo)致密封、導(dǎo)電性能下降,嚴重的會影響設(shè)備正常工作[3-5]。這里從材料的選用、結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)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(nèi)部主要連接件選用鋁合金硬鋁,牌號統(tǒng)一選用2A12。這些鋁合金具有以下優(yōu)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(dǎo)電氧化和陽極氧化后在表面生成穩(wěn)定的氧化膜,具有較好的吸附能力,有利于導(dǎo)電保護劑、導(dǎo)電膠及油漆的附著,可大為提高導(dǎo)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(dǎo)電橡膠墊,這種膠墊除了有良好的電磁密封和導(dǎo)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(huán)境試驗后,鋁鍍銀填充硅橡膠墊表面出現(xiàn)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(dǎo)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(zhì)。

      3.2 結(jié)構(gòu)與工藝防護

      模塊要做到密封、防腐,結(jié)構(gòu)和工藝上應(yīng)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(shè)計成盲孔,避免水氣和腐蝕性介質(zhì)通過孔洞進入模塊內(nèi)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(xué)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(nèi)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(zhì)的零件連接處安裝絕緣襯墊。

      c.零件的棱邊均設(shè)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(yōu)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(guī)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(zhì)帶來的傷害,同時也可以避免靜電對調(diào)試及維修人員造成的意外傷害。

      4 結(jié)束語

      在模塊設(shè)計過程中,根據(jù)工作環(huán)境和安裝條件,結(jié)構(gòu)和工藝上采取了分腔隔離、插槽和加強筋結(jié)構(gòu)、縫隙設(shè)計、設(shè)置導(dǎo)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(dāng)?shù)谋砻嫱扛埠陀≈瓢宸雷o等手段,提高了模塊的三防能力。環(huán)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(xué)出版社,2013.

      [2] 雷宏東.某型加固計算機的主機機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].機械管理開發(fā),2010,25(5):7-9.

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

      [4] 孫海龍,王曉慧.艦載電子設(shè)備的三防密封設(shè)計技術(shù)綜述[J].裝備環(huán)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(shè)計和控制要求[J].兵工自動化,2013,32(7):42-44.

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