背负式电子设备结构设计

畅黎鹏

(中国电子科技集团公司第二十研究所,陕西 西安 710068)

0 引 言

现代战争已经无可置疑地进入了信息化战争时代。战场态势的瞬息万变对战术通信提出了严峻的挑战。谁获取的情报信息快、准、全，谁就掌握了战场的主动权，谁就能赢得战争的胜利。为达此目的，军方必须选用可用性强、工作效率高的通信设备。本文讨论的背负式电子设备可提供话音和高速数据通信，在千变万化的战场情势中能够发挥重要作用。

1 结构形式

背负式电子设备要尽最大可能地做到体积小，重量轻，容易加工，生产成本低，安全可靠，性能优异，使用寿命长。设备布局应紧凑合理，结构稳定牢固，文字标识清晰，人机关系良好，操作简单快捷，使用方便灵活，不需要维护或少维护，附件拆装迅速，在规定环境条件下能迅速开展工作。

1.1 总体结构

总体结构采用框架形式。框架采用拼装焊接成型。框架的各个零件应进行轻量化设计，便于铣削加工成薄壁结构，实现设备重量最轻之目的。大批量生产时，机箱也可采用铝合金压铸等方法加工，以期提高生产效率，降低制造成本，节约资源能耗。设备结构示意图如图1所示。

图1 设备结构示意图

所有模块通过母板进行互联互通。模块采用拔插安装结构，有导向装置和定位销，可保证模块快速插拔定位准确。

前面板安装有耳机、天线接口等连接器，以及毁钥开关。耳机用于话音联络。天线接口用于连接天线，实现射频信号的接收和发射。毁钥开关用于在紧急情况下清除密钥参数。

1.2 工业设计

机箱为带散热肋片的壳体[1]，肋片进行了造型设计，从而使肋片具有减重、散热及装饰的三重效果。设备外形示意图如图2所示。前面板可很方便地拆装维护。

图2 设备外形示意图

把手可设计为立体造型结构形式，既能保护前面板上的接插件，又增加了设备的整体美感，达到了牢固、稳重、美观的效果。把手造型如图3所示。

图3 把手造型示意图

1.3 模块及互联情况

内部功能单元按功能不同设计为多个模块，维修更换十分方便。所有模块采用密闭的防锈铝合金盒体，严格控制模块厚度，模块间隔为3 mm，最大限度地降低了整个设备的体积重量。

根据每个模块的性能需求选用恰当芯数的连接器与母板相连。射频信号通过射频连接器和屏蔽性能优良的同轴电缆进行传输。

1.4 面板设计

面板设计时应使长宽比尽量接近黄金分割比例、均方根比例或倍比比例，以符合人们的审美习惯[2]。

面板上的接插件应根据功能、连接情况及均齐与平衡法则进行细致划分，做到区域清晰简洁，布局紧凑美观，操作界面友好。

前面板上有锁紧块，在必要时可快速将设备安装到通信车内的车载台上实现远程通信使用。

1.5 接插件

面板上的接插件应按照一致性及相关性划区分块安装。

接插件应选用可靠性高、耐磨损、抗腐蚀、电磁屏蔽性强、防水密封性佳、能快速分离和使用寿命长的电连接器，要具有良好的盲插和自锁功能。

面板上非经常使用的连接器，均应安装防尘保护帽，保护连接器在未插入配合时不受损坏。保护帽应能可靠固定在连接器附近。

1.6 涂漆和印字

设备外露表面喷涂草绿色无光泽氟碳漆。该漆具有优良的防腐蚀性能、强附着性、超长耐候性，免维护、自清洁。出色的耐光耐候性，不粉化不褪色。漆膜坚韧，表面硬度高，耐磨、耐湿热性佳，耐冲击，抗屈曲，耐高温，抗腐蚀，具有良好的防潮、防霉、防盐雾性能。

面板上的印字选用富有中国传统书法艺术美并容易辨认的楷体，采用腐蚀、刻印或激光等加工工艺进行阴文加工，并填色处理，使面板显得清秀整洁。将面板上的设备名称及普通功能定义涂黑色漆，给人以清爽易辨的感觉。将毁钥开关等特殊功能定义涂红色漆，以达到警示提醒之目的。

2 热设计

热设计采用经济可靠的自然散热方式。在机箱外部设计大量散热肋片，增加换热面积，提高机箱向外界的散热能力。

模块所产生热量应尽量传递至铝合金盒体。盒体上所装锁紧装置能将模块的热传导至机箱。热耗大的模块应贴装在机箱壁面加强散热。对无法贴装在机箱壁面的大功率模块采用加装散热器的方法提高散热效果。

元器件要进行降额设计，设计余量要大，这样可以确保元器件长期可靠工作，不会过热提前老化，并且无需专门冷却。

3 三防设计

密封机箱是三防设计最为理想的选择。密封机箱结构的目的是使机箱内部与外界大气隔离[3]，防止破坏性物质(如盐雾、潮气及灰尘等)侵入设备内部，保护内部电气和结构免受外部恶劣环境影响，为机箱内部的元器件和结构件创造良好的工作环境，以提高元器件的可靠性，延长设备使用寿命，同时可以满足防淋雨及流体污染等环境适应性的要求。

针对恶劣的使用环境要求，设备的所有零部件均应尽量使用防锈铝、不锈钢或钛合金等耐腐蚀材料。设备外表面应喷涂耐腐蚀抗老化的色漆。设备内部应涂敷三防漆，并严格执行三防漆的技术要求，将漆膜厚度控制在0.05～0.1 mm之间。

4 电磁兼容性

电子噪声污染、电磁干扰充斥在我们的周围[4]，无线电波随时随地都在影响着我们，要彻底消除电磁干扰是不可能的。

为了保证设备的电磁兼容性，在总体设计之初就应把电磁兼容性作为一个重要问题来考虑。在保证设备的功能和性能技术指标前提下，采取一系列技术措施减小电磁干扰，从源头将电磁干扰控制在合理范围内，严格按照相关标准对印制板、模块和机箱进行电磁兼容性设计，并进行合理的布局和正确的安装。

4.1 技术途径

电磁兼容设计应以使用最少技术、最低成本、最简单方法，取得最佳电磁兼容环境为目标。

电磁兼容性设计应综合利用屏蔽、滤波、接地和搭接技术，合理选用元器件，进行空间、时间和频率分隔，合理布线，正确选用材料与工艺等技术措施。

在结构设计方面主要采用结构布局、材料选择、机内走线、屏蔽、滤波、接地、搭接、去耦和隔离等技术措施。

4.2 具体措施

采用多重屏蔽措施对机箱、模块和电缆进行屏蔽。机箱采用焊接成型工艺，形成密封的空间进行屏蔽设计。射频前端模块采用铝材整体铣削成形的盒体，内部分隔成若干独立密闭腔体进行屏蔽设计。在机箱与前面板接触面处加装导电橡胶绳，保证接缝及接触面的电气连续性，从而增强屏蔽效果。

对设备中容易引起电磁干扰的输入输出电源线和信号线，采取加装电源滤波器，或选用滤波连接器进行合理滤波。

5 维修性

设备内部采用模块化设计，提高了设备的可维修性，使设备互换性强，可靠性高。模块应便于进行单独测试，更换后不需要进行调整，必须调整时应能单独进行。

进行防差错设计，对各模块进行编号标识，并使用防差错连接器，避免接插时的盲目性。安装时容易发生差错的零部件，都应设置防差错结构或有明显的识别标记。面板上相同型号的连接器要选用具有防误差功能的产品。

采用成熟先进的检测技术，准确及时地发现定位设备使用过程中出现的各种故障，实现快速维修。

设计师不能强调操作者和维修人员应具有高度的责任心和高超的技术能力，而疏忽设备的本质维修性设计。必须在设计上采取必要的技术措施，消除或避免使用、操作和维修时造成人为差错的可能，即使发生差错也能立即发现和纠正，降低人员的劳动强度。

6 安全性

设备应绝对避免容易致人危险的毛刺、棱边或锐角等。

设备应设有保险丝等保护装置，保险装置应安装在易于迅速更换的地方。

设备应有避雷装置。应在天线馈线等引入端装有避雷器，避雷器的接入应不影响设备的正常工作。

电源输入连接器，应采用插座为针，插头为孔，其它则相反，从而最大限度地避免带电插头对人员构成可能的伤害。

必须的安全提示警告语应牢固地设置在设备的醒目位置。

7 保密性

设备应具有防电磁波泄漏和辐射的能力。设备应有紧急状况下急速清除密钥的装置。设备应使用符合国家保密法规要求的保密模块(卡)传输涉密信息，确保国家秘密安全。

8 主要战技性能

8.1 环境适应性

设备应当充分满足总体任务书中规定的温度、湿热、霉菌、盐雾、淋雨、砂尘、太阳辐射、振动、冲击、跌落和浸渍等使用环境要求。限于篇幅，在此不再累述。

8.2 电源

后面板加装充电电池。使用军用可充电锂电池(符合GJB2374)或军用锌锰电池(符合GJB141 A)直流供电，额定电压为24 V或12 V。

电池应体积小、重量轻、能量密度高、坚固耐用、安全可靠、电压平稳、耐过放充电、自放电小、无记忆效应、有宽温度特性和足够的容量。电池应循环使用、寿命长、维护简单方便、寿命期内无漏液腐蚀，贮存性能好。

应在电池明显位置标明正、负极性，并有防止电池正负极插错措施。锂电池应有防爆安全装置，符合GJB2374锂电池安全要求，尺寸控制在200 mm×170 mm×80 mm以内，重量控制在4.5 kg以内。

8.3 尺寸重量

设备的最大尺寸应满足：最大高度不大于500 mm；最大宽度不大于360 mm；最大深度不大于产品规范规定值[5]。

在满足性能指标的前提下，应尽可能减轻设备的重量，越轻越好，背负式设备重量宜控制在15 kg内(包括电池、背架和备件)，最大总重量应不大于20 kg。设备密度最好能小于水的密度，使其可漂浮在水面上，从而大大减轻作战人员泅水时的负荷。

8.4 天线

可采用1.5 m鞭状天线，该天线极细，顶端直径仅为2.5 mm，战场上不易被发现，可以进行防风加固设计。

由于鞭状天线的高度降低会带来天线效率的降低[6]，所以采用螺旋天线更佳。螺旋天线能够在保证效率的情况下降低天线的轴向高度，保证在运动中较高的天线不产生抖动，解决了背负式设备运动中天线抖动导致设备工作不稳定的问题。

8.5 背架

操作者使用背架可以轻松地背负设备。背架应坚固耐用、锁紧快速牢靠，可随人体的自然活动而弯曲，方便操作者进行各种活动。背架两侧应配有备件包，天线、耳机、充电器和备用电池可放置在备件包内。

9 结束语

以上只是作者对背负式电子设备结构设计的一点粗浅想法。期望能够抛砖引玉，为类似产品的结构设计工作提供一点参考，使产品能更好地满足工程实际需要。