具有通用机箱的接收方小型化量子密钥生成终端的制作方法

1.本实用新型涉及量子通信技术领域，特别是涉及一种接收方量子密钥生成终端。


背景技术：

2.随着量子通信技术的飞速发展，量子密钥分发(quantum key distribution，qkd)逐渐成为一项成熟的应用技术。这项技术基于量子的不可克隆原理和测不准原理，其产生的密钥具有理论上的无条件安全性，主要应用于对保密等级要求较高的地方。现有的量子密钥分发硬件设备(或称量子密钥生成设备)主要由光学收发装置和电子学板卡组成，所述光学收发装置包括光源板、光路部件和探测器，电子学板卡主要用于数据处理、密钥生成控制和密钥管理等。
3.使用量子密钥分发硬件设备时，由于电子学板卡和光学收发装置中的各个部件都是独立散列的器件，需要将电子学板卡的多个信号输入/输出接口分别与光学收发装置的光源板、光路部件和探测器相应的接口相连，组成一个量子密钥分发系统，再将组成的量子密钥分发系统进行实际的应用。
4.本领域技术人员在使用上述量子密钥分发硬件设备时，发现存在如下缺点：
5.由于组成量子密钥分发系统的电子学板卡、光源板、光路部件以及探测器散列设置，对整个系统的测试、维护和管理比较分散，不易整体管理；并且在使用多个量子密钥分发系统组成量子密钥分发网络时，各量子密钥分发系统间组网复杂，管理、维护起来也更加困难。
6.现阶段，随着技术和产品的逐步成熟，我国的量子通信行业已进入产品应用的推广期，但与已广泛应用的传统密码产品相比，量子保密通信城域网接入设备仍存在产品体积大、成本高、可靠性低、安装调试不便、应用场景适配性差等问题，市场上期待推出更经济、高可靠、小型化、模块化、易用性强和可灵活扩展应用场景(例如满足组网、信道资源、环境适应性、第三方集成融合等需求)的终端qkd产品，以更好满足城域用户的业务接入需求。
7.201310464744.4号专利申请公开了一种量子密钥分发终端和系统，将量子密钥分发系统中的光学收发装置和电子学板卡通过电子学背板有机地整合成一个整体，提供了一种结构紧凑、集成度高的量子密钥分发终端，可以实现对量子密钥分发系统中的各组成器件统一测试、维护和管理，实现了密钥分发系统的一体化和终端化，还可以使用相同的量子密钥分发终端灵活组网，搭建点对点、局域网或者城域网规模的量子密钥分发系统。但是并没有达到目前小型化的要求。
8.202022891432.x号专利申请公开了一种接收装置机箱，其中接收装置机箱包括具有上下两层的盒体、前端面板和底部面板，其中盒体的上层为设备装设区，盒体的下层为通风散热设区。设备装设区可用于装设解码、探测、数据处理等接收板各种组件，使得各组件可紧凑的装配在设备装设区，另外设备装设区中设置有探测器装设槽，探测器装设槽为通槽与通风散热设区贯通，探测器组件的散热端位于通风散热设区中，提供了优良的散热效果，并解决了机箱体积较大的问题。此外探测器组件的散热端位于通风散热设区中，避免了
探测器组件的散热端的热量散发到其它组件处，从而避免了改变其它组件的运行环境，可使得接收板组件运行稳定。
9.202022891433.4号专利申请公开了一种用于量子通信的接收机装置，机箱的上层为设备装设区，机箱的下层为通风散热设区，自校准装置、电学控制装置和光学模块组件从上至下依次固定在设备装设区，并利用机箱的分层的设计将通风散热设区设置在机箱的下层区域，不需要额外设置散热管装置既可以达到优良的散热效果，且避免了探测器组件的散热端的热量散发至光学组件和电学组件，保证了光学组件和电学组件的运行环境，可使得光学组件和电学组件稳定的运行，从而该申请的接收机装置具有散热效果好且结构紧凑体积小的特点。
10.上述两篇专利文献均为在箱体内设置上下层，上层为设备装设区，下层为通风散热设区。这种结构虽然能够达到其所述的将通风散热设区设置在机箱的下层区域，不需要额外设置散热管装置即可以达到优良的散热效果，从而具有散热效果好的优点，但是其2层的结构设计仍然不能够满足目前小型化的要求，这种排布首先在高度上占用较多的机柜体积，模块仍然比较分散，使得抗震能力弱。
11.目前公开的量子保密通信技术方案中，量子密钥生成设备、量子密钥管理设备、数据加解密设备通常都是三个独立的装置，一套量子保密通信系统的装置需要占用一整个机柜，导致了设备体积大、成本高、安装工作量大、施工调试不便捷等问题，制约了量子保密通信系统的推广使用。


技术实现要素：

12.本实用新型所要解决的技术问题在于在保证通信可靠性及成本的前提下尽可能实现接收方量子密钥生成终端的小型化。
13.本实用新型通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种具有通用机箱的接收方小型化量子密钥生成终端，包括机箱(1)、主控板(2)、探测器模块(3)、解码光路(4)、电源(5)和风扇(6)，所述机箱(1)的前面板为用户界面，整机对外所有功能接口均放置在前面板，机箱(1)的两侧为通风孔；主控板(2)和解码光路(4)左右并排设置，并且主控板(2)和解码光路(4)的前端抵在机箱(1)的前面板的内部，探测器模块(3)与解码光路(4)前后并排设置，且探测器模块(3)与解码光路(4)的左端部均紧挨主控板(2)的右端部；
14.电源(5)设置在机箱(1)的后部，吹风风扇(6)设置在靠近探测器模块(3)的一侧。
15.作为优化的技术方案，所述电源(5)包括ac和dc两块电源，两块电源(5)前后并排设置在机箱(1)的后部，位于探测器模块(3)的后方，主控板(2)的后方空出用来布线；
16.或者，所述电源(5)包括ac和dc两块电源，两块电源(5)左右并排设置在机箱(1)的后部，分别位于主控板(2)和探测器模块(3)的后方。
17.作为化的技术方案，所述主控板(2)包括1个cpu或1个fpga，或者1个fpga和1个cpu，或者多个cpu和/或多个fpga，当有多个cpu和/或多个fpga时，保证多个cpu和多个fpga分别在空间上相互错开。
18.具体的，所述主控板(2)包括2个fpga(22)和2个cpu(24)，2个cpu(24)左右相隔设置在前方，2个fpga(22)前后相隔设置在后方，且最前端的fpga(22)也位于cpu(24)的后方，从主视角度看主控板(2)，在左右方向上，2个fpga(22)位于2个cpu(24)之间；
19.或者，所述主控板(2)包括2个fpga(22)和2个cpu(24)，2个cpu(24)左右相隔设置在前方，2个fpga(22)左右相隔设置在后方，从主视角度看主控板(2)，2个fpga(22)分别位于2个cpu(24)后部，fpga(22)和cpu(24)前后分别错开。
20.作为化的技术方案，所述fpga(22)表面、cpu(24)的表面均设置有散热器。
21.作为化的技术方案，探测器模块(3)包括散热器(31)、pcb板(32)、集成制冷apd、屏蔽罩(33)、光纤盘(34)，散热器(31)作为支撑的主体，pcb板(32)、集成制冷apd均固定在散热器(31)上，集成制冷apd位于屏蔽罩(33)内，屏蔽罩(33)固定在pcb板(32)上，将pcb板(32)上的射频电路进行屏蔽，光纤盘(34)固定在屏蔽罩(33)上。
22.作为化的技术方案，机箱(1)左右两侧均设有3个风扇(6)，左侧的为吸风风扇，右侧的为吹风风扇，左右两边的风扇沿机箱(1)的侧面板的内部边缘前后顺序设置；
23.或者，所述机箱(1)靠近探测器模块(3)的一侧设有4个吹风风扇(6)，相对侧未设置风扇。
24.本实用新型的优点在于：
25.通过优化的结构设计，在保证通信可靠性的前提下实现了接收方量子密钥生成终端的小型化，并且具有良好的抗震能力，从而使量子保密通信系统的进一步小型化成为可能；
26.吹风风扇设置在靠近探测器模块的一侧，因为探测器模块需要工作在特定温度下，为了稳定其工作并避免受其他模块在空间上的热量传导影响，需要放在靠近吹风风扇的位置，以便于散热；
27.主控板的fpga和cpu排列考虑其散热效果，尽量错开，并保持有效的间隙留有风道，并且为了有效的散热，fpga和cpu表面都设置有散热器，使得fpga和cpu在工作环境下保持换热效率；
28.解码光路放在机箱的前端，不阻碍主控板器件的散热；
29.两块电源左右并排或者前后并排设置在机箱的后部，该种结构能够使得机箱空间利用率较高；
30.本实用新型的终端中经过优化设计，确定了部分主要部件的尺寸参数，使得整个终端内器件布局紧凑，最大可能的利用了机箱内空间；
31.本实用新型中采用的机箱结构，适用于多种类型的紧凑的终端结构，机箱只用开一次模后进行批量生产，机箱内部零件的位置根据不同的电源需求和终端的结构需求进行排布，极大提升了生产的便利性，从而降低终端的整体生产成本。
附图说明
32.图1是本实用新型实施例一的具有通用机箱的接收方小型化量子密钥生成终端内部整体布局图；
33.图2是本实用新型实施例一的具有通用机箱的接收方小型化量子密钥生成终端的结构爆炸图；
34.图3是本实用新型实施例一的具有通用机箱的接收方小型化量子密钥生成终端的组装图；
35.图4是本实用新型实施例二的具有通用机箱的接收方小型化量子密钥生成终端内
部整体布局图；
36.图5是本实用新型实施例二的具有通用机箱的接收方小型化量子密钥生成终端的结构爆炸图；
37.图6是本实用新型实施例二的具有通用机箱的接收方小型化量子密钥生成终端的组装图；
38.图7是本实用新型实施例的具有通用机箱的接收方小型化量子密钥生成终端力仿真的随机振动曲线。
具体实施方式
39.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
40.请参阅图1至图3所示，本实用新型实施例的具有通用机箱的接收方小型化量子密钥生成终端主要包括机箱1、主控板2、探测器模块3、解码光路4、电源5和风扇6。定义电源5所在的端部为后方。
41.主控板2和解码光路4左右并排设置，并且主控板2和解码光路4的前端抵在机箱1的前面板的内部。探测器模块3与解码光路4前后并排设置，且探测器模块3与解码光路4的左端部均紧挨主控板2的右端部。
42.电源5包括ac和dc两块电源，两块电源5前后并排设置在机箱1的后部，位于探测器模块3的后方，主控板2的后方空出用来布线。
43.机箱1左右两侧均设有风扇6，风扇6布局为左边和右边各3个，左侧的3个风扇6为吸风风扇，右侧的3个风扇6为吹风风扇，左右各3个风扇沿机箱1的侧面板的内部边缘前后顺序设置，且最后端的风扇6也位于电源5的前方。机箱1内采用强迫风冷的方式进行降温，风道自右向左，机箱右侧的3个风扇5对机箱1内吹冷风，机箱1左侧的3个风扇6将机箱1内热风抽出。因为探测器模块3需要工作在特定的温度下，所以吹风的风扇6的放置原则是靠近探测器模块3的一侧，因此，当探测器模块3和主控板2的位置相对于图1中的位置互换时，则全部3个吹风的风扇6设置在机箱1的左侧，3个吸风的风扇6设置在机箱1的右侧，风道自左向右。
44.各部分的具体组合和设置以及布局考虑如下详细叙述。
45.机箱1的前面板为用户界面，整机对外所有功能接口均放置在前面板，机箱1的两侧为通风孔。
46.主控板2包括2个fpga 22和2个cpu 24，主控板2采用fpga 22和cpu 24作为控制核心，实现探测器模块3的控制、解码光路4的控制和探测脉冲采集、密钥提取等功能，经初步评估每个配置项(fpga 22或cpu 24)及其外围电路占用的pcb空间约为90*90mm，4个配置项约占180*180mm；另外考虑外围电源、接插件、器件散热、安全间距、安装固定孔、以及兼容其它定制方案等，主控板2的整体尺寸分配约为l275*w180mm。
47.2个cpu 24左右相隔设置在前方，2个cpu 24大小一致且前后分别保持在一条直线
上，2个fpga 22前后相隔设置在后方，且最前端的fpga 22也位于cpu 24的后方，2个fpga 22大小一致且左右分别保持在一条直线上，从主视角度看主控板2，在左右方向上，2个fpga 22位于2个cpu 24之间。fpga 22和cpu 24均是功率比较大的器件，在主控板2上排列主要考虑其散热效果，尽量错开，并保持有效的间隙留有风道。并且为了有效的散热，fpga 22表面设置有fpga散热器222，cpu 24表面设置有cpu散热器242，使得fpga 22和cpu 24在45℃的工作环境下保持换热效率。
48.本实施例是以2个cpu和2个fpga进行举例，实际使用中，可以是只有1个cpu或1个fpga，也可以是1个fpga和1个cpu，或者多个cpu和/或多个fpga，也可以是fpga设置在前方，cpu设置在后方。当有多个cpu和/或多个fpga时，只要保证其在空间上相互错开即可，尽量使得一个器件的热量不会随风被带到另一个器件上。
49.探测器模块3包括散热器31、pcb板32、集成制冷apd(图中未显示)、屏蔽罩33、光纤盘34，散热器31作为支撑的主体，pcb板32、集成制冷apd均固定在散热器31上，集成制冷apd位于屏蔽罩33内，屏蔽罩33固定在pcb板32上，将pcb板32上的射频电路进行屏蔽，光纤盘34固定在屏蔽罩33上。所述pcb板32上集成有同步光甄别电路、偏压产生电路、门信号产生电路、雪崩信号提取电路、tec温控电路等。考虑相关配套结构件，探测器模块3的整体分配尺寸约为180*150*40mm。
50.解码光路4在形态上由分立光学器件分束器bs、偏振分束器pbs、电动偏振控制器epc、波分复用器、光隔离器以及配套结构件组成，设计尺寸约l150*w 120mm。
51.本实用新型的电源5在设计时，根据整机的主控板2、探测器模块3和解码光路4的尺寸，结合电源行业功率和尺寸标准，电源外形分配尺寸为165*50.5*40.5mm。
52.目前通信行业标准电源尺寸有两种，分别为185*73*40mm和165*50*40.5mm。出于小型化考虑，优化的使用尺寸为165*50.5*40.5mm的电源。
53.以上布局方式，使得机箱1为标准19英寸1u上架设备，机箱1的深度在400-480mm。
54.热设计
55.热设计采用适当的方法控制接收方小型化量子密钥生成终端内部所有元器件的温度，使其在所处的工作环境温度条件下不超过稳定运行要求的最高温度，以保证其正常运行的安全性，长期运行的可靠性。在热设计方面，首先分析热源及其散热量，再根据这些数据对散热方式、风道进行设计，最后再进行热仿真，确定优化设计方案。
56.1、热设计总体目标
57.热设计总体目标应满足设备可靠性及其预期工作的热环境的要求，接收方小型化量子密钥生成终端的热设计总体目标制定如下：
58.整机的进风口和出风口的温差≤5℃；
59.所有器件的温升不超过35℃，确保所有器件壳温不超过80℃。
60.2、热源分析
61.主要组件热耗统计如下表1所示：
62.表1主要组件热耗统计表
[0063][0064]
接收方小型化量子密钥生成终端的发热组件总功耗为81.3w
[0065]
接收方小型化量子密钥生成终端的工作环境温度为0～40℃，不考虑海拔高度影响，根据各子模块的总体设计，确定内部2w以上发热器件如下表2所示：
[0066]
表2接收方小型化量子密钥生成终端中2w以上发热器件热功耗统计表
[0067]
no.位置描述用量单位单片功耗(w)功耗合计1主控板fpga2个9182主控板cpu2个510
[0068]
3、散热设计
[0069]
机箱散热设计需要总体考虑机箱的功耗和各器件的温升，并结合整机的设计方式、应用场景以及散热要求，进行总体设计分析。
[0070]
3.1散热方式选择
[0071]
目前市场主流的散热方式有散热片被动散热，风冷散热，水冷散热以及液冷散热。除了这几个主流方式以外，还有热管散热、半导体制冷片散热、液氮散热等方式。
[0072]
风冷散热是最为常见且使用率最高的一种散热方式，属于主动散热，这种散热方式可以解决通常的散热需求，技术成熟，结合通信行业常用的散热方式，在接收方小型化量子密钥生成终端的散热设计中优先考虑风冷散热的方案。结合部分器件功耗较高，采取风冷散热+散热片配合的设计方式提升整机内的热交换效率。
[0073]
确认风冷散热后，需要考虑送风方式(吹风式或吸风式)。风扇“吹”出的空气内部流动混乱(紊乱)，与散热片的热交换效率更高，且风压大，适合作为风冷散热器的送风方式，因此，从热交换效率角度考虑，本次设计选用“吹”风的方式，风道从右向左。
[0074]
3.2风扇选型
[0075]
根据前面的热源分析，发热组件总功耗为81.3w，机箱内部温升设计为5℃，要求风扇的风量应将全部发热带走。根据热平衡方程：
[0076][0077]
式中：l为冷却空气风量(m2/s)；q为器件发热量(kw)；ρ为空气的密度(kg/m3)；c
p
为空气的比热容(kj/(kg.℃))；t0为冷却空气的出口温度(℃)；ti为冷却空气入口温度(℃)。
[0078]
空气的密度ρ取1.29kg/m3，空气的比热容c
p
取1.005kj/(kg.℃)，冷却空气的入口温度ti取40℃，冷却空气的出口温度t0取45℃。代入上述公式，计算结果为0.75m3/min。
[0079]
考虑到风量的泄漏损失以及提高散热的可靠性，根据经验值，取可靠系数1.2。因此所选择的风扇的风量应大于0.75*1.2＝0.9m3/min。
[0080]
根据经验，风扇在静压平缓区效率和可靠性最高，通过风扇的风流曲线可知风扇平缓区约在0.3～0.4m3/min之间，取0.35m3/min，需要风扇数量为n＝0.9m3/min
÷
0.35m3/min＝2.57个，因此需要3个风扇。
[0081]
综合考虑机箱内部体积，以及提高风扇的可靠性采用两组冗余设计，设计n+n冗余设计，设计使用6个风扇，左右各3个风扇，并选择采用四线制可调转速风扇。
[0082]
在结构设计上，要考虑风扇组的维护性。风扇维护时，在打开机箱的上盖板后，可以独立安装或者拆除每个风扇。
[0083]
4、热仿真
[0084]
在器件温升、风道、风扇以及散热片确定后，将对机箱进行热仿真，根据关键器件的热阻模拟机箱内部温度变化，确定机箱的散热能否满足器件温升的需要，同时根据热仿真可确定风扇的选型以及风道的设计是否合理。
[0085]
接收方小型化量子密钥生成终端的工作环境为0～40℃，仿真环境温度偏差
±
5℃，设置为45℃，运用仿真软件进行热仿真，得出2w以上各器件的仿真温升如下表3所示：
[0086]
表3 2w以上器件仿真温度统计表
[0087]
no.位置描述单片功耗器件结温tj仿真器件壳温tc仿真器件结温1主控板fpga-19w100℃69.12℃71.46℃2主控板fpga-29w100℃70.54℃72.88℃3主控板cpu-15w125℃66.64℃70.89℃4主控板cpu-25w125℃67.86℃72.11℃
[0088]
通过上述仿真结果可知，机箱的散热能满足器件温升的需要，风扇的选型以及风道的设计合理。
[0089]
力设计：
[0090]
通过有限元仿真软件，可模拟要求的随机振动的环境，对缩减机箱模型进行了模态分析、随机振动分析，获得结构的固有特性及振动响应特性。
[0091]
1、有限元建模
[0092]
在进行有限元分析之前，需要对模型进行简化，在保证模型准确性的情况下，提高计算效率，有限元模型的简化遵循以下原则：
[0093]
关键部位不简化，如可能出现结构失效的部位；
[0094]
删除多余的部件，通过施加约束来代替；
[0095]
修改部件，用简单的几何结构代替；
[0096]
删除倒角、圆孔等相对几何尺寸较小的特征；
[0097]
根据载荷、约束情况，考虑使用对称模型。
[0098]
2、仿真模型描述
[0099]
2.1模型结构与材料
[0100]
机箱1作为钣金件组合体，是典型的板壳结构，结构的质量主要集中在机箱、探测器模块的热沉、电源和pcb上，模型中可以将其他零件进行简化，材料参数如下表4所示：
[0101]
表4材料力学性能表
[0102]
使用部位材料类型密度g/cm3弹性模量gpa屈服强度mpa机箱冷轧板-q2357.9206280探测器热沉铝-60612.77055.2电源冷轧板-q2357.9206280主控板pcb-fr4220269
[0103]
2.2接触属性
[0104]
接收方小型化量子密钥生成终端内的各结构组件通过螺钉方式连接：电源、主控板以及探测器模块与机箱底板之间通过螺钉方式连接，解码光路与机箱底板之间通过螺钉方式连接。
[0105]
2.3随机振动分析
[0106]
接收方小型化量子密钥生成终端的应用环境为通信机房环境，需满足gb/t 4857.23-2012《包装运输包装件基本试验第23部分：随机振动试验方法》中的相关要求。
[0107]
随机振动输入采用公路运输严酷度ii图谱规定的条件，如图7所示。利用仿真软件对z轴的随机振动进行分析，考察应力分布。
[0108]
3、力学分析结果
[0109]
对接收方小型化量子密钥生成终端进行抗力学分析，并依据分析结果校核了终端结构及关键元器件的刚强度。经分析，本实用新型结构不屈服，满足设计要求。
[0110]
实施例二
[0111]
请参阅图4至6，该实施例与实施例一的区别在于，fpga和cpu、电源以及风扇的排布方式不同，其余部分结构均相同。
[0112]
特别的，实施例二和实施例一采用的机箱1的结构完全相同，机箱1的前面板为用户界面，整机对外所有功能接口均放置在前面板。机箱1的两侧为通风孔。从而使得仅需对不同结构的部件进行布局即可。
[0113]
以下仅对结构不同之处进行描述。
[0114]
两块电源5’左右并排设置在机箱1的后部，其中一个位于探测器模块3的后方，另一个位于主控板2的后方。主控板2和解码光路4及探测器模块3和机箱1的侧壁之间留有布线空间。
[0115]
机箱1右侧均设有4个吹风风扇6’，左侧没有设置风扇，4个风扇6’沿机箱1的侧面板的内部边缘前后顺序设置，且最后端的风扇6’也位于电源4的前方，最前端的风扇6’大致对着解码光路4的位置，机箱1内采用强迫风冷的方式进行降温，风道自右向左。风扇6’的放置原则是位于靠近探测器模块3的一侧，因此，当探测器模块3和主控板2的位置相对于图1中的位置互换时，则全部4个风扇6’设置在机箱1的左侧，风道自左向右。
[0116]
2个cpu 24’左右相隔设置在前方，2个cpu 24’大小一致且前后错开放置，2个fpga 22’左右相隔设置在后方，2个fpga 22’大小一致且前后错开放置，整体来看，2个fpga 22’和2个cpu 24’前后相互错开，从主视角度看主控板2，2个fpga 22’分别位于2个cpu 24’后部，fpga 22’和cpu 24’基本位于一个平行四边形的四个角。fpga 22’和cpu 24’均是功率比较大的器件，在主控板2上排列主要考虑其散热效果，尽量错开，并保持有效的间隙留有风道。并且为了有效的散热，fpga 22’和cpu 24’表面均设置有散热器222’和242’，使得fpga 22’和cpu 24’在45℃的工作环境下保持换热效率。
[0117]
同样，本实施例是以2个cpu和2个fpga进行举例，实际使用中，可以是只有1个cpu或1个fpga，也可以是1个fpga和1个cpu，或者多个cpu和/或多个fpga，也可以是fpga设置在前方，cpu设置在后方。当有多个cpu和/或多个fpga时，只要保证其在空间上相互错开即可，使得一个器件的热量不会随风被带到另一个器件上。
[0118]
该实施例中，因为电源5’采取左右并排放置的方式，放置空间大于实施例一中的
电源放置空间，因此，电源尺寸可以做的比实施例一中的165*50.5*40.5mm尺寸稍大，只要能够放进机箱1的后部即可。
[0119]
热设计：
[0120]
热设计采用适当的方法控制接收方小型化量子密钥生成终端内部所有元器件的温度，使其在所处的工作环境温度条件下不超过稳定运行要求的最高温度，以保证其正常运行的安全性，长期运行的可靠性。在热设计方面，首先分析热源及其散热量，再根据这些数据对散热方式、风道进行设计，最后再进行热仿真，确定优化设计方案。
[0121]
1、热设计总体目标
[0122]
热设计总体目标应满足设备可靠性及其预期工作的热环境的要求，接收方小型化量子密钥生成终端的热设计总体目标制定如下：
[0123]
整机的进风口和出风口的温差≤5℃；
[0124]
所有器件的温升不超过35℃，确保所有器件壳温不超过80℃。
[0125]
2、热源分析
[0126]
主要组件热耗统计如下表5所示：
[0127]
表5主要组件热耗统计表
[0128][0129]
接收方小型化量子密钥生成终端的发热组件总功耗为81.3w
[0130]
接收方小型化量子密钥生成终端的工作环境温度为0～40℃，不考虑海拔高度影响，根据各子模块的总体设计，确定内部2w以上发热器件如下表6所示：
[0131]
表6接收方小型化量子密钥生成终端中2w以上发热器件热功耗统计表
[0132]
no.位置描述用量单位单片功耗(w)功耗合计1主控板fpga2个9182主控板cpu2个510
[0133]
3、散热设计
[0134]
机箱散热设计需要总体考虑机箱的功耗和各器件的温升，并结合整机的设计方式、应用场景以及散热要求，进行总体设计分析。
[0135]
3.1散热方式选择
[0136]
目前市场主流的散热方式有散热片被动散热，风冷散热，水冷散热以及液冷散热。除了这几个主流方式以外，还有热管散热、半导体制冷片散热、液氮散热等方式。
[0137]
风冷散热是最为常见且使用率最高的一种散热方式，属于主动散热，这种散热方式可以解决通常的散热需求，技术成熟，结合通信行业常用的散热方式，在接收方小型化量子密钥生成终端的散热设计中优先考虑风冷散热的方案。结合部分器件功耗较高，采取风冷散热+散热片配合的设计方式提升整机内的热交换效率。
[0138]
确认风冷散热后，需要考虑送风方式(吹风式或吸风式)。风扇“吹”出的空气内部流动混乱(紊乱)，与散热片的热交换效率更高，且风压大，适合作为风冷散热器的送风方
式，因此，从热交换效率角度考虑，本次设计选用“吹”风的方式，风道从右向左。
[0139]
3.2风扇选型
[0140]
根据前面的热源分析，发热组件总功耗为81.3w，机箱内部温升设计为5℃，要求风扇的风量应将全部发热带走。根据热平衡方程：
[0141][0142]
式中：l为冷却空气风量(m2/s)；q为器件发热量(kw)；ρ为空气的密度(kg/m3)；c
p
为空气的比热容(kj/(kg.℃))；t0为冷却空气的出口温度(℃)；ti为冷却空气入口温度(℃)。
[0143]
空气的密度ρ取1.29kg/m3，空气的比热容c
p
取1.005kj/(kg.℃)，冷却空气的入口温度ti取40℃，冷却空气的出口温度t0取45℃。代入上述公式，计算结果为0.75m3/min。
[0144]
考虑到风量的泄漏损失以及提高散热的可靠性，根据经验值，取可靠系数1.2。因此所选择的风扇的风量应大于0.75*1.2＝0.9m3/min。
[0145]
根据经验，风扇在静压平缓区效率和可靠性最高，通过风扇的风流曲线可知风扇平缓区约在0.3～0.4m3/min之间，取0.35m3/min，需要风扇数量为n＝0.9m3/min
÷
0.35m3/min＝2.57个，因此需要3个风扇。
[0146]
综合考虑机箱内部体积，以及提高风扇的可靠性采用n+1冗余设计，设计使用4个风扇，并选择采用四线制可调转速风扇。
[0147]
在结构设计上，要考虑风扇组的维护性。风扇维护时，在打开机箱的上盖板后，可以独立安装或者拆除每个风扇。
[0148]
4、热仿真
[0149]
在器件温升、风道、风扇以及散热片确定后，将对机箱进行热仿真，根据关键器件的热阻模拟机箱内部温度变化，确定机箱的散热能否满足器件温升的需要，同时根据热仿真可确定风扇的选型以及风道的设计是否合理。
[0150]
接收方小型化量子密钥生成终端的工作环境为0～40℃，仿真环境温度偏差
±
5℃，设置为45℃，运用仿真软件进行热仿真，得出2w以上各器件的仿真温升如下表7所示：
[0151]
表7 2w以上器件仿真温度统计表
[0152]
no.位置描述单片功耗器件结温tj仿真器件壳温tc仿真器件结温1主控板fpga-19w100℃79.59℃81.93℃2主控板fpga-29w100℃79.64℃81.98℃3主控板cpu-15w125℃72.25℃76.50℃4主控板cpu-25w125℃73.63℃77.88℃
[0153]
通过上述仿真结果可知，机箱的散热能满足器件温升的需要，风扇的选型以及风道的设计合理。
[0154]
力设计：
[0155]
通过有限元仿真软件，可模拟要求的随机振动的环境，对缩减机箱模型进行了模态分析、随机振动分析，获得结构的固有特性及振动响应特性。
[0156]
1、有限元建模
[0157]
在进行有限元分析之前，需要对模型进行简化，在保证模型准确性的情况下，提高计算效率，有限元模型的简化遵循以下原则：
[0158]
关键部位不简化，如可能出现结构失效的部位；
[0159]
删除多余的部件，通过施加约束来代替；
[0160]
修改部件，用简单的几何结构代替；
[0161]
删除倒角、圆孔等相对几何尺寸较小的特征；
[0162]
根据载荷、约束情况，考虑使用对称模型。
[0163]
2、仿真模型描述
[0164]
2.1模型结构与材料
[0165]
机箱作为钣金件组合体，是典型的板壳结构，结构的质量主要集中在机箱、探测器模块的热沉、电源和pcb上，模型中可以将其他零件进行简化，材料参数如下表8所示：
[0166]
表8材料力学性能表
[0167]
使用部位材料类型密度g/cm3弹性模量gpa屈服强度mpa机箱冷轧板-q2357.9206280探测器热沉铝-60612.77055.2电源冷轧板-q2357.9206280主控板pcb-fr4220269
[0168]
2.2接触属性
[0169]
接收方小型化量子密钥生成终端内的各结构组件通过螺钉方式连接：电源、主控板以及探测器模块与机箱底板之间通过螺钉方式连接，解码光路与机箱底板之间通过螺钉方式连接。
[0170]
2.3随机振动分析
[0171]
接收方小型化量子密钥生成终端的应用环境为通信机房环境，需满足gb/t 4857.23-2012《包装运输包装件基本试验第23部分：随机振动试验方法》中的相关要求。
[0172]
随机振动输入采用公路运输严酷度ii图谱规定的条件，如图7所示。利用仿真软件对z轴的随机振动进行分析，考察应力分布。
[0173]
3、力学分析结果
[0174]
对接收方小型化量子密钥生成终端进行抗力学分析，并依据分析结果校核了终端结构及关键元器件的刚强度。经分析，本实用新型结构不屈服，满足设计要求。
[0175]
以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。