零值测试设备的结构设计

　　一、概述

　　零值测试设备是对某一应答机进行精确距离零值测试的专用精密测试设备.该设备能够测量出该应答机与标准变频器的距离零值差，向雷达站提供零值数据，并能对应答机进行单元测试和综合测试.本文介绍这种测试设备的结构设计。

　　二、设备组成及使用条件

　　1-设备组成

　　该套设备主要由计数器、示波器、相位计终端机、接收机、发射机、计算机、打印机、UPS电源、监控台、计算机接口电路等分机组成。

　　2.使用条件

　　该设备需在技术阵地和发射阵地轮流使用，两阵地相距30多公里，使用地点和存放地点也经常变动。因此，零值测试设备一定要具有装卸、包装、运输方便的特点.

　　三、结构设计方案

　　1.整机方案

　　由于该设备的使用地点经常变换，因此在设计中应充分考虑到装卸、包装和运输的方便程度，尽可能将设备小型化、模块化，以达到预期的效果，经研究确定采用机箱、机柜、小型化监控台和计算机桌来放置全套设备，其平面布置如图1所示.

　　主要根据各分机的功能，电磁兼容性，连接关系，以及操作人员的主要操作对象、区域来划分出各分机所应安放的位置.

　　这样放置既方便了操作人员的操作(操作人员的操作对象主要是计算机和监控台），又使设备具有较好的整体性，拆装、包装、运输都比较方便，可以满足使用条件。

　　2.机柜的选用

　　从设备的整体性、美观性和所占空间大小三个方面来讲,选用机柜将是比较合理的，如果将机柜内的8个分机放置在桌面上使用，不可能将8个分机叠放一起使用，所占面积势必增大，整体性能变差，而各分机相互连接的30多根电缆横竖交错，更有碍设备的美观性，防尘性也下降。用户难以接受这样的结构形式所带来的不良效果。虽然增加1个机柜，增加了设备的运输和包装工作量，但从综合性能来考虑，采用机箱装柜的结构形式较为合理。

　　机柜采用的0.482米宽，1.6米高的铝型材，机柜的尺寸符合GB3047.1-84标准，机柜框架经拉丝、抛光、氧化后軍清漆的铝型材组合而成，侧门和后门用S=1钢板打弯而成，外表面喷浅驼黄无油氨基桔形漆。

　　3.机箱的选用

　　选用机箱的出发点是从该套设备的某些分机需单独取出作为其它用途，并和原有设备的分机互为备份使用。机箱和插箱相比较，当机箱从机柜中取出后，其外观明显优于插箱。机箱结构形式为铝型材框架，板金件盖板、框架和盖板均为喷塑处理，框架为海灰色，上、下盖为淡灰绿，具有较好的外观造型。

　　4.各机箱的划分

　　划分机箱的原则是使每一个抽屉内尽量装入一个完整的分机，减少机箱的数量，干扰源和被干扰单元尽量分装在两个机箱内，当同一分机必须装在两个机箱内时，共用1个电源.如发射机和接收机都是分别分装在两个机箱内，而它们共用1个电源,减少了电源的数量。经划分后机箱的数量为6个，即相位计（3U)、接收、发射机高、中频各1个(4U)，各分机自带电源，独立供电，自成体系。

　　5.各分机和外购设备的排列

　　在前面已叙述了各分机在整机中所排放位置的原则，将发射机和接收机拉开位置排列是为了减小干扰源(发射机)对被干扰设备(接收机)的影响,从电磁波在空间的衰减公式：Lsd=20lg(dB)中可知，增大干扰源和被干扰器件的距离R，可有效的增加电磁屏蔽性能，如R=0.4米时，当f=5000MHz，Lsd=38dB；当f=100MHz时，LsD=14dB，而单元屏蔽盒的屏蔽效能也只在10到20多dB之间(主要随频率和螺钉间距的变化而变)，计算机桌具有结构简单，造价低廉的优点，如设备变换地点使用，用户可在使用地点分别备上计算机桌即可。

　　6.各分机内部单元的排列各分机内部单元的排列如图2所示。

　　各单元位置的安排是根据在满足各分机后面板上互连的电缆不交叉的情况下，尽量缩短单元之间及单元与后面板的电缆长度，分机内部的连接电缆尽量少交叉，并同时考虑各单元之间的电磁兼容性和热设计，将同一机箱内相互容易干扰的单元拉开距离安放，将功耗大、温升高的单元(如电源〉尽量避开受温度影响大的单元(如解码环I)，将需要风机散热的单元相对集中在靠近风机的抽风口，对频率高，而功率余量又较少的需互连的单元，尽量靠近，以减少连接电缆对功率的损耗(在3000GHz时、1米长的SFF-2-2电缆大约有2dB的衰减，其衰减值随频率的增加而增加）。

　　单元的结构形式主要取决于单元内电路的频率，当频率在数兆到数百兆的频率范围内，其电路元件一般是焊接在印制板上。所以这一频段的电路单元盒采取铜板折弯成围框，将印制板铝焊在围框上加上盖板而成。而几千兆赫的电路一般为微带电路，且频率高时，同一单元盒的屏蔽效能与较低频率电路的屏蔽效能相比较，其屏蔽效能明显下降，因此，数千兆赫电路的单元盒均采用厚铝板整体铣出加盖而成。各单元盒在机箱内的排列见图2。

　　7.前后面板的设计

　　各分机的前面板排列见图1，其排列的原则是将显示元件放置在各机箱的上层，控制元件排列在机箱的下层，有对应关系的元件靠近排放，电源靠右排，插座靠左排.面板统一排列，这样可使整机面板布局合理、整齐、美观、大方、一致性好?面板上的显示元件均为数字显示，控制元件均采用瑞士ZAO公司生产的互锁单键双色和电源开关，这几种开关的机械寿命在50万次到200万次，外形美观大方，自带发光显示管显示通断情况。

　　后面板的排列如图3所示，其接插件是按照各连接电缆不交叉原则来排列，达到美观，拆装方便而快速的目的?后面板是在机柜内部，采用刻字喷漆降低加工成本。

　　遵循设备小型化的原则，监控台的尺寸尽可能做得小一些，以便于运输。监控台的外形尺寸是530(宽）X430(深）X220(高）(mms)，放在计算机桌上使用，其结构形式为板金型材结构，该台具有小巧玲珑造型美观的特点(见图4)。

    四、电磁兼容性

　　1.屏蔽盒的屏蔽效能计箅

　　有干扰源和被干扰元件(感受器)要进行定量分析，必须有一定的先决条件。比如干扰源的发射功率，感受器的敏感程度，干扰源与感受器之间的距离等诸多因素，而要确定和测定这诸多的因素，还需电路人员对电路的分析和有一定的测试设备才能进行。由于有些条件不具备，因此，我们只能对单个屏蔽盒的屏蔽效能进行理论上的计算分析，其目的是粗略的计算出单元盒的屏蔽效能，分析屏蔽效能的高低与哪些因素有关，用于指导结构设计.

　　零值测试设备的屏蔽盒内电路的频率在MHz到5000MHz之间，这里，我们仅对100MHz和5000MHz两种频率的单元盒进行屏蔽效能分析。

　　在实际应用中，对频率在数十兆到数百兆赫的中视频电路，一般采用铜板弯成围框，加上铝质盖板镀银而成;对几千兆赫的电路用微带电路，一般采用厚铝板铣出内腔加盖而成。

　　现对100MHz和5000MHz频率的屏蔽盒分别进行计算。

　　屏蔽盒的屏蔽效能SEffi由下式给出：总的屏蔽效能：

　　SEjb=20^(10-5?>?/jo+10-S?邮/20)

　　(1)式中SE1(1b-实心体的屏蔽效能SE2dB-缝隙的屏蔽效能实心体的屏蔽效能：

　　SEub-A+i?+(2)

　　A=41^r(吸收损耗）

    （3)式中R-反射损耗=艮或艮B-多次反射修正系数t-屏蔽板的厚度(nun)f一电磁波频率(Hz)W-屏蔽板的相对磁导率&一屏蔽板的相对电导率

　　注：当屏蔽板处于远区时，取反射损耗(Rf)，屏蔽板处于近区时取电场的反射损耗

　　(Re)

　　r

　　Rf=168~10/^(-)(4)

　　<^r

　　Prlu

　　Rt=322-10&(二(5)

　　泛r

　　当A>10dB时，多次反射修正系数B可以忽略不计。

　　缝隙的屏蔽效能：

　　SEub=Ra-rAa(6)

　　式中R.-屏蔽盒盒体与盒盖之间缝隙的反射损耗(dB)

　　乂一屏蔽盒盒体与盒盖之间缝隙的传输损耗(dB)

　　而

　　尺=2峋|(14|4)；|(7)

　　式中Wf-入射场为低阻抗抗场

　　7ZT"

　　N=j6.69X10_5flg-入射场为平面波场

　　r-屏蔽体离场源的距离(cm)g一缝隙的长度(cm)f,-频率(MHz)

　　A.=27.3-(8)

　　g

　　ti一屏蔽板的厚度(cm)

　　求100兆赫时已知条件分别如下：

　　当t=lmmf=100X106Hzur=1ofr=0.61r=l.65cmg=5cmfi=100MHz0.1cm时

　　将各已知条件分别代入公式（3)、（5)、(7)、（8)、（2)和（6)，得：

　　A=1023dB,Re-215.5dB

　　R,=29.47dB,A.=0.546dB

　　SEi<ib=1238.5dB>SE2dB^29.7dB由公式(1)得总的屏蔽效能：

　　S-Ejb=29.

　　求500兆赫时已知条件分别如下：

　　当t=4mm，f=5000X106Hzur=1ffr=0.61r=l.3cmg=3cm

　　fi=5000MHzti=0.4cm时经计算总的屏蔽效能：

　　SEjb~20.9dB

　　计算比较及结果分析

　　同样对5000MHz的电路进行屏蔽的屏蔽盒，其它条件不变，将g由3cm取至5cm，得SEaB=，可见缝隙长度g对屏蔽盒的屏蔽效能的影响是很大的。

　　在工程中，缝隙深度t受限制的条件较多，因此我们可减少g来有效的增加屏蔽盒的屏蔽效能，如增加盖板与屏蔽盒接合面的光洁度，盖板的刚性，在接合面加导电衬垫等结构措施。

　　零值设备的电磁兼容性

　　零值测试设备在校零过程中，需要改变其天线的输出方向，将输出天线对准标校变频器。此时,应答机是处于开机状态，当零值测试设备内与应答机接收机同频率(假设为5500MHz)的电磁能量泄漏到足以使应答机转发信号时，应答机转发出的信号将严重影响其测试精度。经分析，设备内的干扰源主要是功率放大电路（即场效）,该电路装在一个屏蔽盒内，其功率为800mW(-0.97dBw),

　　应答机的接收机灵敏度为-130dBw，干扰源的电磁能量经屏蔽盒、机箱、机柜及空间传输到应答机的接收天线，屏蔽盒的屏蔽效能经计算为SE^b-20.3dB，机箱机柜的屏蔽效能SE]dB分别为10~15dB左右，应答机距离零值测试设备的距离>200m，则电磁波在空间的衰减为：

　　Lsd=201g

　　=崎悦55°Q^X200=

　　总的衰减量为：

　　SE=-{SEdB+2?SEub+LSd)

　　=-(20.3+2X10+93.3)

　　=-133.&dB

　　干扰源的电磁能量经一133.6dB衰减后到达应答机的接收天线时的电磁能量为一133.6dBw<-130dBw,因此，应答机接收不到泄漏出的电磁能量，满足了设计要求。

　　五、通风散热与热设计

　　电子设备可靠性热设计主要需考虑设备的工作环境，工作状态及散热条件等因素。下面就零值测试设备中输入功率较高的发射机机箱的散热情况进行分析，其工作状况如下：发射机部分有两个机箱，共用一个电源，其中功耗较大的单元是三个功放盒和一个电源。功放盒和电源分装在两个机箱中，工作环境温度为+15?25‘C;单元最高正常工作温度。为50‘C。

　　根据此次所选机箱结构来看，该机箱在顶、底面及两侧均开设有+2.7的圆孔状通风孔，估算上下盖板通风孔总面积为&=()?0035m2，侧面通风孔面积S2=0.0026m2。

　　1.条件拟定

　　设计原则按最恶劣的条件进行预算，单元正常温度取TS=+50*C，测试环境温度取T.=25*C.

　　2-热路分析及散热计算

　　在机箱散热条件分析中，先假设机箱以密闭形式进行散热，再考虑通风孔的散热量。

　　(1)密闭形式的机箱散热

　　从单元体到外界环境的热通道,是单元体与机箱内壁间的热交换，机箱内壁到外壁的热传导以及机箱外壁与外界环境之间的热交换。考虑各单元与机箱底座间仅凭几颗螺钉连接，接触状况并不良好，估计其接触热阻较大,通过传导交换不了多少热量，从而可忽略单元体与机箱箱体间的传导换热。又由于机箱相壁一般较薄，其热阻较小，可忽略箱内外壁内的传导导热，由此分析密闭式机箱的散热公式可合成如下形式：

　　从单元体到机箱内壁间的换热量

　　n?(7V-O

　　-Lz_?i丨1丄1~^e,又tSCF^-Z'e2S

　　+1.86(5s?+-|-5W+音.^i1'25

　　(9)

　　式中QT1-单元体与机箱内壁面间的热交换量(w)

　　Tc一箱壁温度E-1一单兀体表面材料的黑率-箱体内表面的平均黑率S?-单元体顶面集总面积单元体侧面集总面积Suo-单元体底面集总面积

　　S。一单元体集总总散热面积(m2)SD=Sso+St(>+Sb?

　　-灰体辐射角系数，由于单元全包围于机箱内，厂_2=1At:-单元工作表面温度Ts与箱壁壁温之差，即At丨=TS-Tc(k)

　　注:公式(9)等号右边第一项为箱内单元与箱内壁间的辐射换热，第二项为箱内单元与箱内空气间的对流换热。

　　机箱外壁与外界环境间的热交换

　　Qn，=1.86(5S+jS,+音5*)?

　　+4^e?TJ?S?(10)

　　式中Ss-机箱侧面积(m2)

　　艮一机箱顶面积(m:)

　　Sk-机箱底面积(ml)

　　Sb_箱射换热系数St=5_673X10-*[W/cmlk‘]e-机箱的平均黑率S-参与辐射的机箱总表面积S=Ss+S,+Sb一箱壁温度Tc与环境温度T,的平均值即Tm=+CT.+Tt)?(k)

　　At:-箱壁温度与环境温度T.之差即?=TC-T..ik)

　　注：公式(10)等号右边第一项为自然对流散热，第二项为辐射散热.

　　分析密闭机箱箱壁的热状态，以机箱壁面为控制面，由于其内外壁间热阻很小，可以忽略，当换热系统达到稳定状态(即处于热平衡状态)时，箱壁内能将不再发生变化，进出机箱箱壁的热量代数和为0，则有：

　　Qn一Qn，=0

　　解此方程，即可得机壳表面温度Tt值和

　　散热量QT1。

　　(2)考虑通风孔散热的热交换量

　　Qrz=180SrH/.s^T315

　　式中QT2-箱内空气通过通风孔与环境间的热交换量(w)

　　ST_通风孔面积(m2)

　　HT-进出孔高度之半(假设内热源沿机箱高度均匀分布〉(m)

　　AT,-箱内空气平均温度与外环境温度之差（k)么T=|(T5+T,)-T.

　　由于机箱顶底及侧面均开有通风孔，可将上式分解为如下形式：

　　Qrt=180[51H8-5+

　　[?|*(乃+tc)-r.]1-5

　　式中&_上、下盖板上通风孔总面积S2_侧面通风孔总面积H-机箱高度从而计算得系统通过通风孔散热的总散

　　热量

　　(3)总散热量计算

　　由公式（9)、（10)计算值，且Q=Qra+0?得整机机箱的总散热量Q。

　　由以上公式代入各参数值分别估算出电源机箱的总散热量为，功放单元机箱总散热量为32.6w.机箱内各单元总输入功率减去其总输出功率，即发热量再加上10%的参考余量，如果超过这个参考数值，就必须考虑非自然散热。

　　根据单元安排和功率估测的情况来看，发射机两机箱选用100w的统一电源供电，电源效率限50%,那么装有电源的机箱内至少有50w的热量需要散发，可以肯定此机箱必采取一定冷却措施?装有3个功放单元盒的机箱总的输入功率约为37.6w，此值大于所估算的参考值，为了防止热累聚的影响且考虑机箱内几个工作单元的热敏感程度，也需考虑散热措施。

　　3.风机选择

　　风机选择需要考虑的因素很多，其中最重要的参数是风机的风量和风压。根据电子设备通风冷却系统所需的风量和风压以及空间大小来选择风机的类型。

　　(1)风量计算：

　　根据热平衡方程Q=CP?P?Q，?At

　　(w)

　　式中:Q-总损耗功率w

　　CP-空气比热J(kg‘C)查得1009J/(kg-C)

　　P_空气密度kg/m3査得1.13kg/m3Q,-通风量m3/s

　　At-空气进出口温差，取At=10t：进行计算

　　总损耗功率不考虑风机带入的损耗，电源机箱内Q=62.6w。

　　由上式计算得通风量值为Q，==0.0055(m3/5)。考虑风机效率，假设取50%,那么理论计算所需风量Q/=Q，/50%=0.01l(m3/s)==0.66(m3/min)

　　(2)风机选择

　　本系统设计要求选用风量较大，风压较小，噪声较低的风机，由以上计算算得的强迫风冷的总通风量为0.66m3/min，同时要考虑部分余量选用SANTAIGROUP的AC-AP-108(speed-1)HighspeedType高速型轴流式风机，风量为0.85m3/min0

　　六、结束语

　　像这类高精度的专用测试设备，对于设计、生产加工前的结构设计方案的可行性、合理性是至关重要的.因此，需要设计人员做到周密细致，充分考虑整机结构的各个环节，才能从样机到产品做到一次成功。