Назаров А.С. (ред.) Конструирование радиоэлектронных средств

Подождите немного. Документ загружается.

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 перестрой-

ка высшего образования: формируются новые специальности, разраба-

тываются 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 дисцип-

лин (таких как «Механические воздействия и защита РЭС», «Тепломас-

сообмен 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 учеб-

ного пособия является завершением и обобщением всего того полезно-

го и дельного, чему учили студентов конструкторского профиля в ряде

авиационных вузов.

В книге нашли отражение многие вопросы новой техники, научно-

технического прогресса в конструировании РЭС и систематизации ин-

женерных методов расчетов. Весь процесс конструирования рассматри-

вается на базе системного подхода и в органической взаимосвязи как с

системе- и схемотехникой, так и с технологией изготовления и эксплу-

атацией 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 цен-

ные замечания, способствующие улучшению книги.

ВВЕДЕНИЕ

B.I. Терминология и классификация РЭС

Предметом рассмотрения данного учебного пособия является кон-

струирование радиоэлектронных средств (РЭС). Несмотря на долгий

путь, пройденный отечественными конструированием и радиоаппара-

тостроением, определение как самого предмета, так и его составляю-

щих и производных от него все еще вызывает различные мнения. Поэ-

тому постараемся обобщить разные формулировки, не затрагивая воп-

росы приоритета и общности понятий, так как без основных терминов

невозможно дальнейшее рассмотрение материала даже в пределах од-

ной книги.

Конструкция — состав и взаимное расположение частей какого-ни-

будь строения, сооружения, механизма, а также само строение, соору-

жение, 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 преобра-

зования электрических сигналов, несущих информацию, с использова-

нием электромагнитной энергии в пространстве и электронных линиях

связи.

Конструкция РЭС — пространственно организованная совокуп-

ность компонентов (изделий электронной техники, несущих оснований

и материалов), между которыми существуют электрические, оптиче-

ские, механические, тепловые, магнитные, электромагнитные и другие

связи, обеспечивающие заданные преобразования сигналов при нали-

чии взаимных воздействий и воздействий внешней среды.

Конструирование РЭС — творчество, процесс создания новых кон-

струкций радиоэлектронных средств, конечным результатом которого

является комплект конструкторских документов для промышленного

изготовления изделия.

-----

Поскольку современный этап конструирования РЭС связан с широ-

ким 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 опреде-

ленную функцию и состоящее из элементов, компонентов и (или) ин-

тегральных схем (ИС) и других электрорадиоэлементов (ЭРЭ) в раз-

личных сочетаниях, разрабатываемое и изготовляемое разработчиками

конкретных РЭС для улучшения показателей миниатюризации [2]. Ча-

ще всего микросборки выполняют в виде больших гибридных интег-

ральных схем (БГИС). Они могут быть корпусированными и бескорпус-

ными.

Элемент МСБ — неделимая часть микросборки, которую нельзя

специфицировать и поставлять как отдельное изделие. Элементами

МСБ являются пленочные резисторы, катушки и конденсаторы, выпол-

ненные по той или иной технологии на подложке БГИС.

Компонент МСБ — часть микросборки, которая специфицируется и

может поставляться как отдельное изделие. Компонентами МСБ явля-

ются бескорпусные транзисторы, диоды, миниатюрные без проволоч-

ных выводов конденсаторы, тороидальные катушки индуктивности.

В процессе развития конструирования РЭС сменилось четыре поко-

ления конструкций (разд. В 2), для каждого из которых была характер-

на своя особая, с общей спецификой конструкция или конструктив.

Конструктив РЭС — типовая разновидность конструкции того или

иного уровня сложности аппаратуры, определяемая характерными эле-

ментной базой и способом компоновки. Примерами конструктивов раз-

ного 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, определе-

на давно и достаточно строго, а по функционально-конструктивным

признакам в различных источниках дается по-разному. Можно приве-

сти много примеров, где одним и тем же термином обозначаются совер-

шенно разные по своим функциям и конструктивной сложности изде-

лия: полупроводниковый прибор (транзистор) и измерительный прибор

(вольтметр ламповый); импульсное устройство (триггер) — радиопри-

емное устройство (транзисторный приемник); блок конденсаторов пе-

ременной 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 конк-

ретную основную целевую функцию, функционально и

конструктивно законченная и, главное, автономно эксплуатационная;

например, телевизионный радиоприемник с антенной.

Блок — часть РЭУ, выполняющая частную целевую функцию, фун-

кционально 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 = k

N+k

M),

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

где k1 — масштабный (нормирующий) коэффициент относительно

конструкции прототипа; k

, k

— весовые коэффициенты, учитываю-

щие 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 формооб-

разования конструкций РЭС от степени интеграции микросхемы.

Таблица B.I

Ранг

функциональ

ной

сложности

РЭС

Форма конструктивного исполнения при

количестве элементов

вИС

не более 100 100...1000

1000...

10000

> 10000

Устройство

Многоблочная

конструкция

Монобло

или ФЯ

МСБ СБИС**

Блок Моноблок МСБ БИС —

Субблок

Функциональ

ная

ячейка

БИС* — —

Функциональ

ный

узел

ИС, гибридная

ИС,

функциональн

ый

компонент

~ ~ ~

* БИС — большая интегральная схема,

** СБИС — сверхбольшая интегральная схема.

В приведенной таблице можно указать конкретные виды конструк-

тивов: многоблочная конструкция — ЭВМ ЕС 1045, моноблок —

микро-

калькулятор 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 блоч-

ном 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 стек-

лянной и металлической серий, пальчиковые лампы, лампы серий

«дробь» и «желудь». Блочный метод компоновки заключался в

выполнении конструкций крупных частей схемы в виде моноблоков,

чаще

всего без кожухов, компонуемых в стойках и фермах и

коммутируемых как внутри себя, так и между собой проволочно-

жгутовым 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 упро-

стить 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 про-

мышленное 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/см

до

1,5...2 эл/см

. Однако сохранение за дискретными ЭРЭ главной роли

основного конструктивного элемента с частотой отказов λ = 10

-6

-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.З. Конструкция унифицированного

функционального узла «Элемент-2»:

/ — печатная плата; 2 — транзистор;

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.5. Конструкция этажерного

микромодуля:

а — микроэлементы;

б — микромодуль после пайки;

в — микромодуль после

заливки