где q_s – коэффициент дезинтеграции по площади (q_s =2,5 ) ,

Sэ – установочная площадь I-го радио элемента ,

N – число радио элементов .

S_пп=22см² [пункт 2.2.1.].

Из стандартных размеров печатных плат [1, стр. 108] выбираем печатную плату с размерами 40*60 мм.

Выбираем печатную плату 2-го класса точности, так как такие печатные платы наиболее просты в исполнении, надёжны в эксплуатации и имеют минимальную стоимость.

В таблице № 3.3. показаны конструктивные параметры элемента печатной платы и номинальный размер для 2-го класса точности.

Таблица № 3.3.

Толщина печатной платы равна 1 мм.

Печатная плата выполнена из стеклотекстолита СФ1-50-1.

Минимальный диаметр монтажного отверстия d_мо :

d_мо = d_в +  + 2h_r + _д,

где d_в – диаметр вывода радиоэлемента,

 = 0,4…0,6 мм – зазор между поверхностью вывода и поверхностью отверстия,

h_r = 0,05…0,06 мм – толщина гальванически осаждаемой меди,

_д =0,12 мм – погрешность диаметра отверстия.

d_мо =1,22 мм.

Из предпочтительных диаметров рассчитанного выше отверстия выбираем:

d_мо=1,3 мм.

Минимальный диаметр контактной площадки d_кп:

d_кп=2*[b_н +(d_мо/2) + _o + _кп] + _фф +1,5h_ф ,

где _o = 0,07 мм – погрешность расположения отверстия,

_кп = 0,15 мм – погрешность расположения контактной площадки,

_фф = 0,06 мм – погрешность фотокопии и фотошаблона,

h_ф = 50*10^-3 мм – толщина фольги на диэлектрическом основании.

d_кп=2,275 мм.

Минимальная ширина проводника t_пр :

t_пр = t + _фф + 1,5h_ф=0,45+0,06+1,5*50*10^-3=0,585мм.

Минимальное расстояние между проводниками S_пр :

S_пр = l_ол – (t_пр + 2_сп),

где l_ол = 0,9 мм – расстояние между осевыми линиями проводников,

_сп = 0,05 мм – погрешность смещения проводников.

S_пр = 0,9 – (0,585 + 2*0,05)=0,47мм.

3.5. Расчет размеров и разработка конструкции корпуса фазового детектора.

Корпус представляет собой металлический каркас (основание) и двух крышек, закрывающихся по периметру основания, сверху и снизу, так как мы изготавливаем не герметичный модуль.

Корпус изготавливается из сплава алюминия Д16 по технологии «штамповка-вырубка» с последующей гибкой. Толщина стенок корпуса равна 1 мм.

Корпус покрыт сплавом Н6.М6.О-Ви12, а также эмалью.

Крышка плотно закрывает корпус при помощи сделанных в корпусе вырубок прямоугольной формы, которые сделаны на длинной стороне корпуса, и выдавок в самой крышке, как показано на рисунке 2.

Печатная плата крепится внутри корпуса с помощью выдавок, сделанных в самом корпусе и припаивается к корпусу в точках где находятся выдавки.

Произведем расчет размеров корпуса фазового детектора с учётом толщины стенок корпуса, сделанных выдавок и расстояния от основания корпуса до печатной платы. Получим:

Высота корпуса – Н =L_h+2L_ст+L_осн+L_кр,

Где L_h=11мм – высота конструкции,

L_ст=0.5мм – толщина стенок корпуса,

L_осн=5мм – расстояние от нижней крышки до печатной платы,

L_кр=5мм – расстояние от верхней крышки до РЭ.

Н = 11+2*0.5+5+5 = 22мм.

Ширина корпуса – X = L_x+2L_ст+2L_выд,

Где L_x=40мм – ширина печатной платы,

L_ст=0.5мм – толщина стенок корпуса,

L_выд=1мм – толщина выдавок,

X = 40+2*0.5+2=43мм.

Длинна корпуса – Y = L_y+2L_ст+2L_выд,

Где Ly=60мм – длина печатной платы,

Y = 60+2+2=64мм.

Рис. 2.

3.6. Разработка топологии печатной платы.

На рисунке №3. показана топология печатной платы фазового детектора.

Рис. 3.

4. Оценка показателей качества конструкции.

4.1. Тепловое моделирование и расчет теплового режима конструкции.

Тепловой режим разработанной конструкции должен соответствовать требованию нормального теплового режима: температура в любой точке конструкции не должна превышать допустимой рабочей температуры наименее теплостойкого элемента . Следовательно, поверочный расчет теплового режима необходимо доводить до определения температур . Однако на практике условия нормального теплового режима конструкции приобретают иное толкование, связанное с особенностями тепловой модели конструкции.

Закономерности процессов теплообмена конструкций РЭС с окружающей средой в значительной мере определяются их структурой. Поэтому многообразие существующих конструкций можно представить классами, для каждого из которых характерна своя тепловая модель и набор показателей, необходимых для оценки теплового режима. Одним из признаков классификации может служить структура нагретой зоны конструкции.

Разрабатываемая конструкция выполнена на одной печатной плате, размещенной в корпусе, поэтому для нее может быть применена модель теплового моделирования и расчета теплового режима конструкций РЭС с источниками тепла, расположенными в плоскости.

Размещение тепловыделяющих элементов в плоскости дает возможность при оценке теплового режима ограничиться расчетом среднеповерхностной температуры нагретой зоны tз, которая с небольшой погрешностью может быть принята в качестве характеристики теплового режима элементов.

Представим конструкцию в виде тепловой модели (рис. 4), где 1 - корпус, 2 - печатная плата (нагретая зона).

При построении тепловой модели принимаются следующие допущения:

- нагретая зона является однородным анизотропным телом;

- источники тепла в нагретой зоне распределены равномерно;

-поверхности нагретой зоны и корпуса - изотермические со среднеповерхностными температурами tз и tк соответственно.

Рис. 4.

Для данной тепловой модели можно составить следующую тепловую схему (рис. 5).

Рис 5.

С поверхности нагретой зоны посредством конвективной (зк) и лучевой (зл) теплопередачи через воздушные прослойки, тепло передается на внутреннюю поверхность корпуса. За счет теплопроводности стенок (ск) тепло выводится на наружную поверхность корпуса, откуда конвекцией (кк) и излучением (кл) переносится в окружающее пространство. При малой толщине стенки ( =1.5...2мм) тепловым сопротивлением стенок корпуса, выполненного из металлических сплавов с высоким коэффициентом теплопроводности, можно пренебречь. Так как в нашем случае это условие выполняется, то тепловая схема примет вид, как показано на рисунке 6.

Рис.6.

Из тепловой схемы (рис.6) следует:

t_к = t_c + P/(_кк + _кл,

t_з = t_к + P/(_зк + _зл,

где Р=1.4*10 ^–3 Вт/см² - тепловой поток, рассеиваемый конструкцией [п.3.2.];

зк=в(Sз+Sкв)/2 - конвективно-кондуктивная тепловая проводимость между нагретой зоной и внутренней стенкой корпуса;

в = 2,68 Вт/м С - коэффициент теплопроводности воздуха для среднего значения температуры воздуха в прослойке;

Sз=а_кр*b_кр=0.04*0.06=0,0024м² - площадь поверхности нагретой зоны;

Sкв=2*(0,063*0,043+0,063*0,022+0,043*0,022)=0,015м²-площадь внутренней поверхности корпуса;

зк=2,68*(0,0024+0,015)/2=0,023 Вт/м С;

зл = лзSз - тепловая проводимость теплопередачи от нагретой зоны к внутренней стенке корпуса излучением,

где лз - коэффициент теплопередачи излучением, для условий теплообмена в ограниченном пространстве зл может быть принят равным 7 Вт/м С,

зл =7*0,0024=0,017 Вт/м С ;

кк = кSкн - тепловая проводимость от наружной поверхности корпуса к среде для конвективной теплопередачи;

где к=5 Вт/м² С - коэффициент теплопередачи, рассчитывается по номограмме [1,рис4.3.];

Sкн= Sкв=0,015м² - площадь внешней поверхности корпуса;

кк =5*0,015=0,075 Вт/м С;

кл=лSкн - тепловая проводимость от наружной стенки корпуса к среде для теплопередачи излучением;

где л=4,9 Вт/м²С - коэффициент теплопередачи излучением, рассчитывается по номограмме [1,рис4.4.];

кл=4,9*0,015=0,074 Вт/м С;

Для определения значения перегрева t используется метод последовательных приближений. Принимаем tc = 55С и задаем перегрев t = 10С Подставляя значения тепловых проводимостей в формулы для t_з и t_к, которые были написаны выше, получим:

t_к =55+(2,5*10^-3)/(0,075+0,074)=55,02 С;

t_з =55,02+(2,5*10^-3)/(0,023+0,017)=55,08 С.

Температура перегрева незначительна – не более одного градуса, следовательно охлаждающая система не понадобится.

4.2. Расчёт вибропрочности.

Конструкция считается вибропрочной, если в ней отсутствуют механические резонансы. Отсутствие в конструкциях механических резонансов характеризуется следующим соотношением частоты свободных колебаний f₀ любого элемента конструкции и верхней частоты диапазона внешних вибрационных воздействий:

.

В нашем случае = 30 Гц [пункт 1.5.7.].

Таким образом, оценка вибропрочности конструкции сводится к расчету частоты свободных колебаний f₀.

Основной расчетной моделью планарных конструкций служит прямоугольная пластина при определенных условиях на сторонах. Частота свободных колебаний основного тона прямоугольной пластины определяется по формуле:

= , Гц.

где С=47- частотная постоянная [1,прил.9],так как отношение сторон равно 1

h=1мм - толщина пластины;

а=40мм - сторона пластины [рис.7];

- поправочный коэффициент на материал пластины,

где Е=30,2/10 Па - модуль упругости материала пластины;

Е_с= 200/10 Па- модуль упругости стали;

=1,85 г/см - плотность материала пластины;

_с=7,82 г/см - плотность стали;

;

- поправочный коэффициент на нагружение пластины равномерно размещенными на ней элементами,

где m_эл=9.2г - масса элементов [пункт 2.2.1.];

m_п=V_пл*_пл - масса пластины,

где V_пл =а*а*h=4*4*0,1=1,6см³ ;