某户外射频前端的结构设计

李兵强

（中国电子科技集团公司第二十研究所西安710068）

某户外射频前端的结构设计

李兵强

（中国电子科技集团公司第二十研究所西安710068）

某射频前端应用于岛礁户外环境，设备面临的高温、湿热、盐雾等问题十分突出。论文论述了该射频前端的防护性结构设计，着重阐述了机箱的强迫风冷散热设计，电磁兼容结构设计，以及密封防雨、防腐蚀、防雷和防太阳辐射等环境适应性设计。该设备样机已顺利通过电磁兼容试验和高低温、淋雨、盐雾等环境试验，表明机箱结构设计合理可行，对其它户外机箱结构设计具有一定的参考意义。

户外机箱；热仿真；环境适应性；防护设计

Class NumberTN957

1 引言

随着电子通信技术的发展，通信设备用途越来越广，越来越多的设备需要在严酷的户外露天环境中工作，比如山顶、沙漠、海边等。为了确保电子设备性能稳定、可靠以及工作寿命，用于安装电子器件的户外机箱在结构设计时，需要着重考虑以下两个方面的问题［1］：1）根据设备工作环境和散热要求，设计机箱结构形式；2）户外机箱的密封和防霉、防潮、防腐蚀等环境适应性设计。

某数据链设备的射频前端机箱安装在沿海岛礁户外，主要环境特征有［2］：1）终年高温；2）雨水多、湿度大；3）空气含盐量高；4）太阳辐射强。岛礁环境条件恶劣，要求该射频前端机箱耐高温、耐腐蚀、防太阳辐射，具有优良的环境适应性，保护内部电路组件稳定可靠地工作。

2 机箱结构设计

射频前端安装在户外通信铁塔顶端，通过抱箍固定在天线杆上，需尽量缩短射频馈线的长度以减小插损，其安装环境及固定形式如图1示。射频前端与塔下通信机房内的主机单元通过光纤进行数据传输，其主要功能是完成光电信号转换，控制功放天控单元将激励信号进行功率放大输出给天线。设备外部供电由通信机房供给AC220V交流电。

设备安装于铁塔顶端，安全方便起见，要求机箱尽可能减重，并作小型化设计。同时，作为户外设备，需尽量减少设备暴露面积和对外机械接口数量，以提高集成度和防护可靠性。因此，结构设计思路是设备零部件数量尽量少，装配关系尽量简单。

为此将机箱设计为上下开盖的箱体结构，将功放天控单元、光电转换单元和电源单元等电路组件作模块化设计，各模块通过松不脱螺钉固定在机箱内，模块之间通过电缆联接。将机箱AC220V供电口和通信光纤口合并设计，从而机箱仅有光电复合接口和天线接口两个对外插座，利于实现密封。此外，优化机箱内部组件布局，设计完成后设备结构组成如图2示，外形尺寸为宽×高×深=260×340×150（mm），重量12kg。

3 热设计

岛礁户外环境终年高温，太阳辐射强烈，射频前端作为功率发射设备，发热较大。设计要求设备能在-40℃～+60℃范围内正常工作。因此热设计是结构设计的一个重点。经电路分析计算，各模块的热功耗和敏感器件温度如表1所示。

表1 模块热耗和敏感器件耐温值

式中：P热为模块热耗（W）；cp为空气比热容（J/（kg·℃）），取1005J/（kg·℃）；ρ为空气密度（kg/ m3），取1.29 kg/m3；Qf为体积流量（m3/h）；∆T为进出口温差，此处取10℃。

经计算所需冷却风量为33m3/h。综合考虑尺寸、流量、风道阻力特性和环境适应性等因素，选择两台EBM公司的JFF6025-024-056防水型轴流式风机，该风机经过灌封加固处理，防护等级达到IP67，外形尺寸为60×60×25（mm），流量43m3/h，额定工作温度-20℃～+70℃，40℃工作可靠性L10为70000h。

射频前端机箱内热源是功放天控模块和电源模块，散热设计主要是针对这两个模块。机箱设计为穿通风冷式结构，箱体中间设计风道夹层，风道与机箱内部模块安装空间完全隔离，其优点是结构紧凑，可提供多个安装冷面，且密封防护性好。两个热源模块分别安装在风道夹层上下两面，风道内散热齿高度按模块热耗分配。经软件辅助优化，风道夹层高度设计为32mm，内部散热齿宽度2mm，间距5.5mm，高度分别为20mm和11.5mm。机箱风道横剖面结构如图3示。

机箱盖板设计为散热器，盖板内表面与模块上表面间垫1.5mm厚导热垫（导热系数5W/m.K），通过尺寸公差设计保证机箱装配完成后导热垫压缩30%，保证良好的热传导通路。模块与风道安装面间垫0.25mm厚的软金属铟片（导热系数80W/m.K）以减小界面接触热阻。功放天控模块和电源模块散热路径如图4所示。

应用热分析软件FLOTHERM建立设备热仿真

射频前端总功耗约为121W，表面热流密度约为0.035 W/cm2。设计要求机箱在高温+60℃环境中能够长时间连续工作。由表1可知，激光器对温度最为敏感，为保证其正常工作，高温工作时最大许用温升仅为10℃，按文献［3］所述，自然散热已不能满足设计要求，而强迫风冷散热能力足够，设计实现方便，故确定采用强迫风冷散热方式。

风机选择计算如下，由公式：模型进行分析，+60℃工作时风道剖面内温度和速度分布如图5示。风道内速度比较均匀，进出口温差约5℃～10℃。风机工作效率约48%，风机选择合理。

+60℃时设备热仿真结果如图6示，机箱内各模块仿真温度如表2示。功放天控模块和电源模块可以正常工作，光电转换模块仿真温度高于激光器敏感温度，需额外采取散热措施。

热电制冷系统具有尺寸小、无噪声、寿命长、结构简单、抗振性强等特点，易于精确调节制冷温度，非常适合用于电子设备局部冷却［4］。因此在光电转换模块内部增加微型热电制冷（TEC）装置，冷端与激光器接触，热端安装在模块底面上，通过机箱外壁散热。前期光电转换模块高低温试验表明，采用8.3mm×8.3mm尺寸的制冷器后，模块底面为+75℃时，激光器为37℃。此时制冷器工作电压2.5V，工作电流0.6A，增加的热耗仅为1.5W。此外，低温-40℃时TEC可将激光器加热至许用温度区间内，保证输出功率稳定。

设备样机调试完成后，采用一套热电偶温度测试系统进行了测试，热平衡后设备工作正常，各模块温度如表2示。试验与仿真结果非常接近，表明热仿真模型准确有效，设备散热结构方案达到设计要求。

表2 高温工作（+60℃）时模块仿真和试验温度

4 电磁兼容性结构设计

4.1 屏蔽滤波设计

机箱设计为双层屏蔽结构，先由模块密封壳体进行屏蔽，再由机箱密封箱体进行二次屏蔽［5］。

模块壳体采用5A06铝合金铣制而成，内部采用多腔结构实现屏蔽隔离。机箱箱体与上下盖板、风道盖板接触面上设计导电密封槽，安装双组份屏蔽条，该屏蔽条外侧密封，内侧导电，可在保证设备密封性的同时具有良好的屏蔽性能。机箱仅有的两个对外接口安装法兰上设计O形密封屏蔽结构，光电复合插座尾部电源线上串接滤波电容。风机供电线上串接穿心电容。机箱内模块连接电缆力求少而短，避免弯曲走线；高频电缆采用半刚性电缆连接；数据电缆采用屏蔽双绞线连接。

机箱上所有孔缝都根据有关公式计算后设计。该设备工作频率1GHz，基频波长约300mm，根据以往同类设备电磁兼容测试经验，6次谐波以上分量幅值很小，孔缝特征尺寸小于波长1/10（即约5mm）才能保证较好的屏蔽效果。兼顾装配方便性，机箱盖板螺钉间距取50mm，采用M4螺钉保证屏蔽条压紧。在防水透气阀内侧进气口加装金属丝网屏蔽罩。

4.2 接地设计

良好的接地是减少各电路相互串扰的一种重要方法。机箱内部各模块壳体表面与机箱内壁均采用导电氧化处理，保证良好接地。机箱前面板设计M4接地螺柱，通过铜质搭铁线连接到外部可靠接地点。

采取上述措施的射频前端原理样机，已顺利通过GJB151A-2003规定的地面设备EMC测试项目。

5 环境适应性设计

5.1 密封防雨设计

针对户外射频前端的防雨要求，设计上采取如下措施：

1）机箱设计为密闭结构，盖板和箱体所有接触面上安装复合导电橡胶条，外侧橡胶条具有良好的防水密封性，适当增加盖板安装点位以增大压紧力，保证橡胶条能有效压紧，并且可以提高屏蔽效能；

2）机箱安装方式为挂装，前面板朝下，并专门设计了防雨罩保护对外连接器；

3）机箱表面所有安装孔均设计为盲孔；前面板上电缆插头、插座均选用防水密封型号，电缆与插头的连接采取密封胶与热缩套管封装，插头与插座连接后缠绕防水胶带；

4）为了平衡机箱内外压力，避免结构变形引起密封失效并消除因“呼吸效应”产生积水等现象，在机箱侧壁上安装防水透气阀，可有效平衡防护机箱内外气压差［6］。按本机箱体积及环境试验条件，选定防水透气阀安装规格为M12，最大气流量为70ba～180ml/min。

5.2 防腐蚀设计

1）材料选择

在满足产品技术、使用性能的前提下，尽可能选用耐蚀金属材料和非金属材料，如下［7］：

（1）机箱壳体采用的耐腐蚀的防锈铝合金AL-5A06；

（2）所有外部紧固件、连接器壳体等材质选用不锈钢316L；

（3）所有外露的高分子材料如导电橡胶条、电缆橡胶护套等选用性能稳定、耐腐蚀的材料。

2）结构防护设计

机箱设计为水密结构，外表面不存在易积水的凹坑、狭缝等结构，表面结构单一、光滑，成型良好，水、灰尘和盐雾不易沉积［8］。机箱侧壁上安装防水透气阀以平衡内外气压，可以防止水分子进入内部。

3）工艺设计

“三防”处理可达到长期防潮、防霉、防盐雾侵蚀的作用，并能防止由于温度骤然变化所引起的“凝露”［9］。除印制板外，机箱内部无导热、导电要求的表面也进行“三防”处理。三防漆使用HYBH-01-01，该漆耐候性好，综合性能优异，具有很好的耐腐蚀等性能。

5.3 防太阳辐射设计

岛礁户外日照强烈，机箱设计需考虑太阳辐射的影响。设计参考环境为：温度+48℃，辐射强度1110W/m2。

太阳辐射对设备的影响主要是由热效应和光化学效应产生的。一方面在热设计时考虑太阳辐射加热效应的影响，留有一定的裕度；另一方面，考虑光化学效应对设备的影响，选取耐老化、光化学性能稳定的高分子材料；对机箱外表面进行高耐候的喷粉处理，喷粉层的技术指标见表3，满足抗太阳辐射要求。

5.4 防雷设计

根据图1所示射频前端安装位置，按文献［10］可知位于LPZ0B区，属充分暴露的直击雷防雷区。结构设计上主要采取的防雷措施如下：

1）机箱设计为金属电连通导体，保证箱体各部分相对接地点等电位；

2）机箱内部天线馈线和电源线串入专用的避雷器，遇雷击时避雷器导通，保护内部工作电路；

3）天线避雷器、电源避雷器的地线通过铜质导线与箱体导通；

表3 机箱表面喷粉层技术指标

4）机箱面板上设计接地柱，接地线采用截面积不小于6mm2带护套的铜质导线并尽可能短，以减小接地电阻，接地线另一端就近连接在铁塔接地点上。

6 结语

本文详述了某岛礁户外射频前端的防护性结构设计，着重阐述了机箱的强迫风冷散热设计，电磁兼容结构设计，以及密封防雨、防腐蚀、防雷和防太阳辐射等环境适应性设计。仿真和试验结果表明本文设计的穿通风冷式机箱结构散热效果好，且结构组成简单，易于实现密封，具有良好的耐候性，满足岛礁环境户外设备的防护要求。该机箱结构对其它户外设备结构设计也具有一定的参考意义。

［1］刘国维.雷达接收系统户外机箱的结构研究［J］.电子机械工程，2008，24（3）：21-24.

［2］曹立荣，佟文清.电子装备南海环境适应性改进设计研究［J］.环境技术，2013（6）：21-24.

［3］余建祖.电子设备热设计及分析技术［M］.北京：高等教育出版社，2002.

［4］张兴娟，王羽白.机载小功率热电制冷系统的性能分析［J］.东南大学学报，2010，26（2）：372-374.

［5］韩钟剑，张娜.某战术数据链测试设备结构设计［J］.舰船电子对抗，2016，39（2）：115-121.

［6］刘应辉，张思东.防水透气阀在通信设备行业的应用［J］.电子机械工程，2014，30（4）：5-7.

［7］戈进飞.电子设备的防腐结构设计综述［J］.舰船电子工程，2015（6）：146-150.

［8］陈小宁.舰载雷达电子设备的防护设计［J］.电子产品可靠性与环境试验，2006，24（2）：26-27.

［9］过石正，过希文.对某雷达腐蚀控制设计技术的研究与应用［J］.机械工程与自动化，2014（1）：181-183.

［10］应洪正等.GJB6784-2009，军用地面电子设施通用防雷要求［S］.北京：总装备部军标出版发行部，2009.

Structure Design of An Outdoor RF Front-end

LI Bingqiang
（20th Institute，China Electronics Technology Group Corporation，Xi'an710068）

A RF front-end applies in outdoor environment of reefs，where high temperature，damp heat，salt fog and other issues are very prominent.This paper discusses the protective structure design of the RF front-end，focuses on the forced air cooling system design，electromagnetic compatibility design，and rain-proof，anti-corrosion，lightning protection，solar radiation protection and other environment adaptability design.The chassis prototype has passed the EMC test，high-low temperature test，and other environmental test.It shows that the structural design is reasonable and feasible，and has certain reference for other outdoor cabinet structure design.

open-air cabinet，thermal simulation，environmental adaptability，anticorrosion design

TN957

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.041

2017年1月10日，

2017年2月28日

“十三五”XX共用信息系统装备预先研究课题（编号：31508XXXX）资助。

李兵强，男，硕士研究生，工程师，研究方向：子设备结构设计和热、振仿真分析。