Скачиваний:
413
Добавлен:
15.03.2015
Размер:
9.87 Mб
Скачать

КОНСТРУИРОВАНИЕ

РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ

СРЕДСТВ

Под редакцией А.С. НАЗАРОВА

Рекомендовано Государственным Комитетом Российской Федерации по высшему образованию в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся

по направлению «Авиа- и ракетостроение»

по специальности «Проектирование и технология радиоэлектронных средств»

Москва Издательство МАИ

1996

ПРЕДИСЛОВИЕ

В настоящее время в нашей стране происходит коренная перестройка высшего образования: формируются новые специальности, разрабатываются новые учебные планы и квалификационные характеристики специалистов, обсуждается концепция многоступенчатой подготовки бакалавров и магистров.

Поскольку в типовых планах по специальности «Конструирование и производство радиоэлектронных средств» появился один общий курс «Конструирование РЭС» взамен нескольких конструкторских дисциплин (таких как «Механические воздействия и защита РЭС», «Тепломассообмен РЭС» и др.), это потребовало отдельного учебного плана и учебного пособия, объединившегося в себе предметы этих дисциплин. Такой учебник был написан П.П. Геллем и Н.К. Ивановым-Есиповичем для студентов, обучающихся по типовому плану. Однако в ряде вузов, в которых преподавание ведется по индивидуальным планам (например, в МАИ), такой курс, читавшийся в течение 20 лет, имеет свою авиаци- онно-космическую направленность. Поэтому написание данного учебного пособия является завершением и обобщением всего того полезного и дельного, чему учили студентов конструкторского профиля в ряде авиационных вузов.

В книге нашли отражение многие вопросы новой техники, научнотехнического прогресса в конструировании РЭС и систематизации инженерных методов расчетов. Весь процесс конструирования рассматривается на базе системного подхода и в органической взаимосвязи как с системе- и схемотехникой, так и с технологией изготовления и эксплуатацией РЭС. Введение, гл. 1 и 3, разд. 8.1, 9.1 написаны А.С. Назаро-

вым, гл. 2, 7, 10, разд. 6.1—6.4 — А.Н. Чекмаревым, гл. 4, 5, разд. 9.2. —

В.Ф. Борисовым, разд. 6.5, 8.2 — 8.5, 9.3 — 9.5 — О.П. Лавреневым. Авторы выражают благодарность профессору Б.В. Петрову и канд.

техн. наук Ю.Н. Корниенко за внимательный просмотр рукописи и ценные замечания, способствующие улучшению книги.

ВВЕДЕНИЕ

B.I. Терминология и классификация РЭС

Предметом рассмотрения данного учебного пособия является конструирование радиоэлектронных средств (РЭС). Несмотря на долгий путь, пройденный отечественными конструированием и радиоаппаратостроением, определение как самого предмета, так и его составляющих и производных от него все еще вызывает различные мнения. Поэтому постараемся обобщить разные формулировки, не затрагивая вопросы приоритета и общности понятий, так как без основных терминов невозможно дальнейшее рассмотрение материала даже в пределах одной книги.

Конструкция — состав и взаимное расположение частей какого-ни- будь строения, сооружения, механизма, а также само строение, сооружение, машина с таким устройством [1].

Конструировать — создавать конструкцию чего-нибудь, строить [1]. Исходя из этих общих представлений можно ввести* термины, отно-

сящиеся к РЭС, предварительно дав определение самим РЭС. Радиоэлектронные средства — технические средства, основанные

на принципах радиоэлектроники и осуществляющие функции преобразования электрических сигналов, несущих информацию, с использованием электромагнитной энергии в пространстве и электронных линиях связи.

Конструкция РЭС — пространственно организованная совокупность компонентов (изделий электронной техники, несущих оснований и материалов), между которыми существуют электрические, оптические, механические, тепловые, магнитные, электромагнитные и другие связи, обеспечивающие заданные преобразования сигналов при наличии взаимных воздействий и воздействий внешней среды.

Конструирование РЭС — творчество, процесс создания новых конструкций радиоэлектронных средств, конечным результатом которого является комплект конструкторских документов для промышленного изготовления изделия.

4

-----

Поскольку современный этап конструирования РЭС связан с широким внедрением микроэлектроники, появлением новых качественных характеристик микроэлектронной аппаратуры (МЭА) и ее субъектов, появились новые термины, которые используются для описания этих новых конструкций.

Микросборка — микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию и состоящее из элементов, компонентов и (или) интегральных схем (ИС) и других электрорадиоэлементов (ЭРЭ) в различных сочетаниях, разрабатываемое и изготовляемое разработчиками конкретных РЭС для улучшения показателей миниатюризации [2]. Чаще всего микросборки выполняют в виде больших гибридных интегральных схем (БГИС). Они могут быть корпусированными и бескорпусными.

Элемент МСБ — неделимая часть микросборки, которую нельзя специфицировать и поставлять как отдельное изделие. Элементами МСБ являются пленочные резисторы, катушки и конденсаторы, выполненные по той или иной технологии на подложке БГИС.

Компонент МСБ — часть микросборки, которая специфицируется и может поставляться как отдельное изделие. Компонентами МСБ являются бескорпусные транзисторы, диоды, миниатюрные без проволочных выводов конденсаторы, тороидальные катушки индуктивности.

В процессе развития конструирования РЭС сменилось четыре поколения конструкций (разд. В 2), для каждого из которых была характерна своя особая, с общей спецификой конструкция или конструктив.

Конструктив РЭС — типовая разновидность конструкции того или иного уровня сложности аппаратуры, определяемая характерными элементной базой и способом компоновки. Примерами конструктивов разного уровня могут быть бескорпусная МСБ, функциональная ячейка III поколения, блок МЭА IV поколения.

Перейдем к классификации РЭС, которая по отдельным признакам, например по назначению, объекту и условиям эксплуатации, определена давно и достаточно строго, а по функционально-конструктивным признакам в различных источниках дается по-разному. Можно привести много примеров, где одним и тем же термином обозначаются совершенно разные по своим функциям и конструктивной сложности изделия: полупроводниковый прибор (транзистор) и измерительный прибор (вольтметр ламповый); импульсное устройство (триггер) — радиоприемное устройство (транзисторный приемник); блок конденсаторов переменной емкости — блок индикатора кругового обзора и т.д. Поэтому остановимся на классификации РЭС по следующим признакам:

по функциональной сложности, т.е. по числу и рангу функций, выполняемых изделием;

по конструктивной сложности, определяемой числом элементов конструкции и числом соединений между ними, выбранной элементной базой и способом компоновки;

по назначению; по объекту установки;

по виду сигнала и диапазону частот.

По функциональной сложности деление РЭС может быть представлено в виде следующей цепочки (сверху вниз): радиотехническая система — комплекс радиоэлектронных устройств

— радиоэлектронное устройство (РЭУ) — блок — субблок — функциональный узел.

Радиотехническая система представляет собой «совокупность сигналов в пространстве, операторов и радиоэлектронной аппаратуры,размещенных на объектах в определенных точках на поверхности или в пространстве, действующих в условиях помех и внешних возмущений»*; например, такой системой является система посадки самолета.

Комплекс радиоэлектронных устройств — совокупность РЭУ, объединенных, как правило, на одном объекте и являющихся законченной частью системы; например, наземный и бортовой комплексы радиосвязи самолета с землей.

Радиоэлектронное устройство — часть комплекса, решающая конкретную основную целевую функцию, функционально и конструктивно законченная и, главное, автономно эксплуатационная; например, телевизионный радиоприемник с антенной.

Блок — часть РЭУ, выполняющая частную целевую функцию, функционально законченная, но автономно неэксплуатационная; например,блок питания. Блок может быть конструктивно законченным, но может и входить как часть конструкции в устройство.

Субблок — часть блока, выполняющая функцию его отдельного тракта, например тракта усилителя промежуточной частоты.

Функциональный узел — единица функциональной сложности РЭС на уровне отдельного каскада электрической схемы; например, узел смесителя.

По конструктивной сложности, определяемой выражением

C= kl(k2N+k3M),

*Пестряков В.Б. Конструирование РЭА. — М.: Сов. радио, 1969.

6

где k1 — масштабный (нормирующий) коэффициент относительно конструкции прототипа; k 2, k 3 — весовые коэффициенты, учитывающие вероятности отказов элементов и соединений; N,M — число схемных элементов и соединений между ними соответственно, радиоэлектронные средства подразделяют на много- и моноблочные конструкции,функциональные ячейки (ФЯ), микросборки, микросхемы и функциональные компоненты.

Многоблочные конструкции выполняют в виде шкафов, стоек, пультов; моноблочные — в виде контейнеров или отдельных корпусированных приборов; функциональные ячейки — в виде сборок ЭРЭ и корпусированных ИС на печатных платах или сборок из МСБ на металлических рамках. Микросхемы и функциональные компоненты (оптроны,интегральные пьезофильтры, фильтры на поверхностных акустических волнах (ПАВ), джозефсоновские приборы, приборы с зарядовой связью (ПЗС) и на цилиндрических магнитных доменах (ЦМД) и др.) часто корпусируются и представляют собой изделия электронной техники. В совокупности они образуют элементную базу современных РЭС.

По назначению РЭС делят на средства: радиовещания и телевидения, радиоуправления и радиотелеметрии, радиолокации и радионавигации, радиоастрономии, радиоизмерительные, обработки данных и информации, записи и воспроизведения, медицинские и промышленные.

По объекту установки они классифицируются по трем основным категориям, в каждой из которых существуют группы, а именно: бортовые(самолетные, космические, ракетные), наземные (возимые, носимые,переносные, бытовые, стационарные) и морские (судовые, буйковые).

По виду сигнала и диапазону частот РЭС могут быть аналоговыми,цифровыми и СВЧ. В настоящее время РЭС, как правило, являются комбинированными, т.е. включающими в себя как аналоговые СВЧ-блоки, так и блоки цифровой обработки информации.

В заключение отметим, что РЭС могут иметь различные конструктивные формы в зависимости от их функциональной сложности и степени интеграции используемых ИС. Например, при высокой степени интеграции и соответствующей функциональной сложности (свыше1000 элементов) устройство может быть заключено в один объем, имеющий форму моноблока, ячейки, микросборки и даже одного кристалла. При недостаточной степени интеграции формообразование радиоустройств идет по пути создания многоблочной конструкции. Это положение отражает табл. В.1, в которой показана зависимость формообразования конструкций РЭС от степени интеграции микросхемы.

7

 

 

 

 

Таблица B.I

Ранг

Форма конструктивного исполнения при

функциональ

количестве элементов

 

ной

 

вИС

 

 

сложности

 

 

 

 

 

1000...

 

 

не более 100

100...1000

> 10000

 

10000

 

 

 

 

 

Многоблочная

Монобло

 

 

Устройство

к

МСБ

СБИС**

конструкция

 

или ФЯ

 

 

 

 

 

 

Блок

Моноблок

МСБ

БИС

Субблок

Функциональ

БИС*

ная

 

ячейка

 

 

 

Функциональ

ИС, гибридная

 

 

 

ИС,

~

~

~

ный

функциональн

узел

ый

 

 

 

 

компонент

 

 

 

* БИС — большая интегральная схема,

**СБИС — сверхбольшая интегральная схема.

Вприведенной таблице можно указать конкретные виды конструктивов: многоблочная конструкция — ЭВМ ЕС 1045, моноблок — микрокалькулятор на печатной плате «Электроника МК36», МСБ — микро-

калькулятор на стеклянной подложке с кристалл о держателями серии К145 «Электроника БЗ-04», СБИС — однокристальная ЭВМ.

В.2. Тенденции развития конструкций РЭС

Развитие конструкций РЭС, как известно, прошло уже четыре этапа.Смена каждого поколения обуславливалась сменой элементной базы, в основном активных элементов РЭУ, и, как следствие, сменой метода и правил компоновки и монтажа.

Первое поколение РЭС базировалось на ламповой технике и блочном методе компоновки и монтажа. Появление отечественных ламп относится к 1919 г. (Нижегородская радиолаборатория под руководством М.А. Бонч-Бруевича), а начало радиовещания в СССР

— к 1924 г.

Первые радиолокационные станции (РЛС) появились в 1933 г. Таким образом, можно говорить, что промышленное серийное

производство РЭС началось примерно с 1930 г., а весь период развития конструкций РЭС занимает около 60 лет. Сложность РЭС увеличивается сейчас примерно в 10 раз за каждые пять лет.

Ламповая техника также непрерывно видоизменялась: лампы стеклянной и металлической серий, пальчиковые лампы, лампы серий «дробь» и «желудь». Блочный метод компоновки заключался в выполнении конструкций крупных частей схемы в виде моноблоков, чаще

8

всего без кожухов, компонуемых в стойках и фермах и коммутируемых как внутри себя, так и между собой проволочножгутовым монтажом (рис. В.1). Основными недостатками конструкций этого поколения были малая унификация, неразвитая эксплуатационная взаимозаменяемость и, как следствие, низкая надежность. Однако при невысоком уровне сложности РЭС эти недостатки были не очень заметны. С усложнением РЭС появились требования крупносерийного производства, а именно: необходимость расчленения всей конструкции на более мелкие части и введения унификации этих частей. Это позволило упростить сборочно-монтажные и регулировочные работы, уменьшить трудоемкость и стоимость, ввести поточный метод производства и повысить надежность. Такими первыми унифицированными конструкциями были унифицированные функциональные узлы (УФУ) «Элемент-1» на печатном монтаже и лампах типа «дробь» (рис. В.2). Как видим, произошли изменения в методах компоновки (от блочного к функционально-узловому) и монтажа (от проволочно-жгутового к печатному). Сами же лампы подверглись сильной миниатюризации. Все говорило о начале перехода к новому виду поколения.

Так и произошло: в 1954 г. появилось II поколение конструкций РЭС

— промышленная транзисторная техника (изобретение транзистора относится к 1948 г.). Миниатюрные лампы были заменены на транзисторы в корпусах ТО-5, а УФУ «Элемент-1» — на УФУ «Элемент-2» (рис.В.З). Функционально-узловой метод стал доминировать во многих конструкциях РЭС, в особенности с появлением и развитием средств вычислительной техники. Ламповая техника применялась в мощных радиопередающих устройствах на магнетронах, лампах бегущей и обратной волны (ЛБВ и ЛОВ), а также еще многие годы обеспечивала промышленное производство телевизоров, где смена поколений в массовых тиражах не могла произойти в короткие сроки по техническим и организационным причинам.

В период транзисторной техники возникло новое направление в конструировании РЭС — миниатюризация аппаратуры. Уменьшились размеры и массы пассивных ЭРЭ, транзисторов и трансформаторов, катушек индуктивностей и даже электронно-лучевых трубок. Появились новые конструкции функциональных узлов: плоские и объемные модули (рис. В.4),плоские и этажерочные микромодули (рис. В. 5), отличающиеся оригинальностью конструкций и монтажа и увеличением плотности упаковки элементов в объеме с 0,1 эл/см3 до 1,5...2 эл/см3 . Однако сохранение за дискретными ЭРЭ главной роли основного конструктивного элемента с частотой отказов λ = 10-6 ч-1 не смогло существенно повлиять на надежность РЭС, и при все более увеличивающейся их сложности ве-

Рис. B.I. Многоблочная конструкция РЭС I поколения:

а — моноблок; б — стойка

Рис. В.2. Конструкция унифицированного функционального узла «Элемент-1»:

1 — печатная плата;

2 — лампа типа «дробь»;

3 — резистор; 4 — конденсатор;

5 — проволочный вывод;

6 — печатный проводник

Рис. В.4. Конструкция объемного модуля:

1 — резистор; 2 — транзистор;

3 — печатная плата;

4 — проволочный вывод

Рис. В.З. Конструкция унифицированного функционального узла «Элемент-2»:

/ — печатная плата; 2 — транзистор; 3 — резистор; 4 — конденсатор;

5 — проволочный вывод;

6 — печатный проводник

Рис. В.5. Конструкция этажерного микромодуля:

а — микроэлементы; б микромодуль после пайки;

в — микромодуль после заливки