董 梅，奚冠巍

（江蘇自動(dòng)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(hù)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(jī)輸出的秒脈沖、天文臺(tái)發(fā)播的短波授時(shí)射頻信號(hào)，生成某種串口時(shí)間報(bào)文信息，經(jīng)過處理，對(duì)外輸出某種秒脈沖；對(duì)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(hào)指示燈控制接口等。這里對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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(hào)處理板。分頻器和短波接收板易受外界信號(hào)干擾，影響短波信號(hào)的正常分頻和接收轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號(hào)處理板上的10 MHz晶振產(chǎn)生的正弦波與天文臺(tái)發(fā)播的10 MHz頻率波互相干擾，它們對(duì)電磁環(huán)境要求較高。為了避免三者之間信號(hào)相互干擾，模塊內(nèi)部需要有3個(gè)相互封閉的腔體，加上安裝空間和重量的嚴(yán)格限制，增大了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度。在方案設(shè)計(jì)階段，對(duì)結(jié)構(gòu)形式和加工工藝進(jìn)行了多方論證和比較。鈑金拼接和鑄件設(shè)計(jì)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(jī)械加工難度太大，工藝難以實(shí)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(jì)成加強(qiáng)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(hào)處理板都是未經(jīng)加固的非標(biāo)印制板，剛度較低，在工作環(huán)境下易產(chǎn)生共振，需進(jìn)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?cè)O(shè)計(jì)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(hào)經(jīng)分頻處理后，可就近送到短波接收板，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，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(shí)現(xiàn)安裝凸臺(tái)相互借用，減少了凸臺(tái)數(shù)量，降低了插件的重量；數(shù)字信號(hào)處理板設(shè)計(jì)成短波處理插件。安裝好后，模塊內(nèi)部形成的3個(gè)腔體結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立、信號(hào)互不干擾。模塊內(nèi)、外模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，通過前面板上的高性能電連接器來實(shí)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(qiáng)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(hào)處理板，在設(shè)計(jì)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(jì)

電磁屏蔽是以金屬隔離的原理來控制電磁波由一個(gè)區(qū)域向另一個(gè)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(jì)

框架采取整體釬焊工藝，各側(cè)板連接處采用臺(tái)階式接縫設(shè)計(jì)，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(jì)為0．2 mm，同時(shí)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(diǎn)。

c．各插件板凸臺(tái)上的安裝螺孔均設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)保證每個(gè)腔體周邊縫隙的線性長度遠(yuǎn)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(jì)一個(gè)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(bǔ)償因薄板變形產(chǎn)生的縫隙，如圖2所示。

圖2 電磁防護(hù)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(shí)，被共模地電位驅(qū)動(dòng)，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(duì)電纜和連接器進(jìn)行組合設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)共模輻射控制。

2．5 工藝上采取的措施

加工完成后，對(duì)框架和主要連接件進(jìn)行導(dǎo)電氧化處理。裝配時(shí)，先將各接觸面上的灰塵、污漬清理干凈，涂上導(dǎo)電保護(hù)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(huì)經(jīng)常拆裝，是電磁兼容的薄弱環(huán)節(jié)，需進(jìn)行重點(diǎn)加固，在與之接觸的平面上加涂導(dǎo)電漆。

3 防護(hù)設(shè)計(jì)

艦載設(shè)備的潮濕、鹽霧和易生霉菌的工作環(huán)境會(huì)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(yán)重的會(huì)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(jì)方面對(duì)模塊采取了具體防護(hù)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(hào)統(tǒng)一選用2A12。這些鋁合金具有以下優(yōu)點(diǎn)：

a．密度小，但強(qiáng)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(hù)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(jìn)行了5個(gè)周期交變濕熱環(huán)境試驗(yàn)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(yàn)后材料表面基本未見填充微粒析出。

此外，緊固用的標(biāo)準(zhǔn)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(hù)

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(hù)等問題。

a．模塊上的螺紋孔均設(shè)計(jì)成盲孔，避免水氣和腐蝕性介質(zhì)通過孔洞進(jìn)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(shí)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(jì)過渡圓角，增強(qiáng)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(dá)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(jiān)韌耐磨，附著力強(qiáng)，耐蝕耐潮，降低酸、堿性物質(zhì)帶來的傷害，同時(shí)也可以避免靜電對(duì)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(jì)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(qiáng)筋結(jié)構(gòu)、縫隙設(shè)計(jì)、設(shè)置導(dǎo)電橡膠墊等有效措施，達(dá)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(hù)等手段，提高了模塊的三防能力。環(huán)境試驗(yàn)表明，模塊各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，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(jì)算機(jī)的主機(jī)機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］．機(jī)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(jì)［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，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(jì)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(jì)算機(jī)腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)和控制要求［J］．兵工自動(dòng)化，2013，32（7）：42－44．