Book1 (Учебник Конструирование РЭС)

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.

4

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_l(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, 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.

7

Таблица B.I

* 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.