Book1 (Учебник Конструирование РЭС), страница 7

Уровень S₂— блок цифрового вычислителя самолета. Будем
считать, что блок сконструирован на бескорпусных МСБ с объемом 5
дм ³ и рассеивает за счет конвекции и излучения 50 Вт. На рис. 1.6 при-

Рис. 1.6. Зависимости допустимой мощности

рассеяния блока IV поколения
от объема корпуса и условий теплопередачи:

I — излучение и естественная конвекция;

2 — излучение и обдув воздуха вокруг корпуса (V= 0,1 м/с);

3 — только излучение

36

ведены ориентировочные зависимости допустимой мощности рассеяния блока IV поколения при температуре среды +60°С и перегреве корпуса относительно среды на 20°С от объема корпуса и условий теплопередачи. Как видно из графика, для заданных условий (кривая 1) такую мощность рассеивает блок с объемом не менее 7дм³ .В общемслучае можно считать, что причиной ограничения объема блока является допустимая тепловая напряженность, т.е.

V_доп ≥Р_расс /Р_{уд,расс,доп}

Уровень S₁- субблок (микросборка) приемоусилительного тракта.
В работе [9] показано, что уменьшение размеров усилительной МСБ в k _l раз приводит вначале к увеличению паразитных емкостей

(C_{пар к}/ C_{пар 0}; C_{пар к}/ C_пар0 паразитные емкости между проводниками

микросборки в первоначальном варианте, в варианте с уменьшенными размерами соответственно) и уменьшению устойчивой работы схемы до значения k₁ = 2,36, а далее

Рис. 1.7. Зависимость

относительного изменения

паразитных емкостей МСБ

от относительного уменьшения

происходит обратное (рис.
1.7). Практический вывод из это-
го: при высоте корпуса МСБ, рав-
ной 7...10 мм, уменьшение ее ли-
нейных размеров в 2—4 раза край-
не нежелательно, так как устой-
чивость усиления ухудшается в 7
раз, поэтому рекомендуемое
уменьшение должно быть не ме-
нее, чем в 8...10 раз. Иными слова-
ми, имеем ограничение на массо-
габаритные показатели МСБ для
обеспечения их устойчивой рабо-
ты. Более конкретно это означа-
ет, что возможен переход от МСБ
к минимикросборкам (разд. 3.10)
или линейным интегральным схе-
мам в виде кристаллов.

Уровень S ₀ — логические ИС, полупроводниковые генераторы крайне высоких частот.

37

Рис. 1.8. Взаимное расположение структур ИС

в сетке уровней работы переключения:

7 — биполярные ИС; 2 —КМДП ИС;

3 — р - МДП БИС; 4 — И²Л БИС

1. Логические ИС. От их
быстродействия и задержек
сигнала в линиях связи (ори-
ентировочно 0,1 нс на 1 см
проводника) в сильной степе-
ни зависят быстродействие и
производительность борто-
вых и наземных ЭВМ. С рос-
том миниатюризации конст-
рукций ФЯ и увеличением
плотности монтажа в МСБ за-
держки сигналов становятся
все более сравнимы с време-
нем переключения единично-
го логического элемента τ_э.
Выясним, от чего зависит это
время и чем оно ограничива-
ется. Во-первых, для полупро-
водниковых приборов сущест-
вует теоретический предел на

работу переключения А = Р_э τ _э = k Т_э In 2 = 2·10^-14 Дж, где р_э — мощность потребления элемента; k — постоянная Больцмана; Т_э — температура элемента, К. Реальные уровни этого показателя (рис. 1.8) на один-три порядка ниже (для биполярных транзисторных ключей А=10^-10 Дж, для комплементарных МДП-структур (КМДП)А=10^-11 Дж; для интегральной инжекционной логики (И²Л)
А = 10^-13 Дж). Объясняется это существующими уровнями технологии (предельными ее возможностями в получении минимальной ширины базы W). Из физики полупроводников известно, что р — n переход имеет нелинейные свойства лишь при напряжении U ₃₆ = k Т_э /ē > 1 В, где ē — заряд электрона. Минимально возможная ширина базы определяется электрической прочностью полупроводника (Е = 10 ⁶В/см), тогда

W_min= U _эб /Е_пр = 10^-6 см = 0,01 мкм . В этом случае максимальное быстродействие, т.е. минимальное время переключения

τ _э = W/v_m = 10 ^-12 с = 1 пс, где v_m — максимальная дрейфовая скорость носителей, равная 10⁶ см/с. Таким образом, предельная величина времени переключения равна 1 пс, а для рассматриваемых структур она на три-четыре порядка выше (для биполярных 1 не,для КМДП — 10 нс, И ²Л —

38

50 не) из-за наличия технологического барьера (ширина базы р - п-пе-
рехода в настоящее время измеряется единицами микрометров).

2. Полупроводниковые генераторы крайне высоких частот
(КВЧ). Существующие в настоящее время генераторы СВЧ на полупроводниковых приборах имеют незначительный КПД. Например, для лавинно-пролетных диодов (ЛПД) на кремнии он равен 5...10%, а на арсениде галлия — 20...30%. Такие низкие значения КПД объясняются следующим. Для каждого класса генераторов (на электровакуумных или полупроводниковых приборах) существует своя, так называемая физи-
ко-технологическая, постоянная, т.е. физический предел α =P·f ² , где
Р — генерируемая мощность,f— рабочая частота. Чем выше частота,
тем меньше генерируемая мощность и тем меньше КПД. Причем поскольку наибольшее влияние на эту постоянную оказывает скорость v_m, движения носителей заряда (V_{т ЭВП} =3-10¹⁰ мм/с и

v_mПП=10⁷мм/с) наряду с диэлектрической постоянной и напряженностью электрического поля, то и генерируемая мощность на одной и той же рабочей частоте для полупроводниковых приборов будет меньше этой величины
на три порядка.

Таким образом, при конструировании генераторов миллиметрового диапазона волн следует считаться с этим ограничением по мощности.Конкретно это выражается в том, что один мощный передатчик, например на лампе бегущей волны или магнетроне, может быть заменен в миниатюрных конструкциях на тысячу полупроводниковых генераторов со сложением мощностей в общей нагрузке: либо сложением мощностей при параллельной работе N генераторов на общие шины нагрузки,либо сложением их мощности на тройниках. Первый способ из-за трудности согласования генераторов с нагрузкой на СВЧ не применяется,так как число работающих параллельных генераторов ограничено:N≤10. В тройнике (делителе мощности, гибридном мосте) обеспечиваются равенство волновых сопротивлений в его плечах и достаточная развязка между ними (порядка 30 дБ). Число тройников, нужных для сложения мощностей N генераторов, рассчитывается по формуле n_т = lg₂N, а суммарный коэффициент передачи по мощности по формуле К р_Σ =К^nTр,

где К_P—коэффициент передачи по мощности одного тройника*. Поэтому если имеется, например, 1024 генератора

* Высоцкий Б.Ф., Войнич Б.А. Элементы инженерного расчета микроэлектронных
радиолокационных устройств. — М.: МАИ, 1971.

39

миллиметрового диапазона с выходной мощностью Р = 0,2 Вт каждый, то потребуется число тройников п _T = lg2 1024= 10, а суммарный коэффициент передачи при К_р = 0,96 будет равен

К_рΣ = 0,66. На выходе получим суммарную мощность

Р_Σ = 0,2∙1024∙ 0,66 = 135 Вт, т.е. примерно треть мощности теряется в тройниках. Поэтому число генераторов и тройников следует выбирать из условия получения достаточного коэффициента (например, порядка 0,8) и возможности размещения определенного числа генераторов в одной плоскости с микрополосковыми тройниками. Так, при λ,= 10 мм на поликоровой подложке размером 48x48 мм возможно разместить 64 излучателя АФР при n _т = 6 и К_pΣ =0,783, что вполне приемлемо как по площади и энергетике, так и по технологии изготовления, при условии, что базовая пластина для напыления ограничена размерами 48x60 мм.

1.4. Правила и принципы
микроэлектронного конструирования РЭС

Правила и принципы микроэлектронного конструирования РЭС, естественно, включают в себя все общие правила и принципы, характерные для РЭС в целом. Однако они имеют ряд особенностей. Перечислим основные правила микроэлектронного конструирования РЭС [2]:

невозможно создать новый экономически приемлемый и работоспособный вариант микроэлектронной конструкции, не пересмотрев электрическую принципиальную схему прототипа;

использование электрической принципиальной схемы обычного РЭС в микроэлектронном варианте с новой элементной базой практически полностью исключается: в лучшем случае в основу его разработки может быть положена электрическая функциональная схема, в остальных — только требования ТЗ;

при конструировании микроэлектронных средств должен быть использован принципиально новый подход к проектированию структуры РЭС;

использование ИС возможно большей степени интеграции для повышения надежности и уменьшения массы, габаритов и стоимости РЭС;

применение в конструкциях аналоговых устройств и субблоков навесных компонентов, по форме совместимых с пленарными конструкциями ИС, для уменьшения дезинтеграции по массе и объему;

замена функциональных узлов из дискретных ЭРЭ на аналоги интегральной и функциональной электроники (см. табл. В.2).

40

Наглядный пример выполнения первых трех правил был приведен в
разд. 1.2 при оптимизации конструкции бортовой РЛС. Выполнение
четвертого правила подтверждается всем ходом развития микроэлект-
роники, а именно: появлением и внедрением в конструкции РЭС интег-
ральных схем с числом элементов до 10⁶ вентилей на кристалл. При
этом надежность и стоимость БИС и СБИС в условиях эксплуатации и
их массового производства незначительно отличаются от этих показа-
телей ИС средней и малой степени интеграции, а массы и габариты
РЭС, построенных на них, в отличие от прототипов уменьшаются почти
на порядок, так как высокая интеграция позволяет все элементы, ком-
поненты и монтаж, ранее находящиеся на платах и подложках, разме-
стить на одном кристалле БИС. Уместно все же заметить, что и для
БИС существует предел интеграции, обусловленный тем, что с увели-
чением числа элементов в кристалле резко возрастает та часть его пло-
щади, которая отводится на межсоединения и периферийные выводы

от него, т.е. ,где N—число элементов; h _т — шаг трассы межсоединений, зависящий от уровня развития полупроводниковой технологии [9]. Кроме того, с увеличением площади кристалла уменьшается процент выхода годных ИС; например, при увеличении стороны кристалла цифровых ИС с 4 до 10 мм процент выхода годных падает с 12...15% до 4...5%.

Эффективность выполнения пятого правила может быть показана
на примере замены каркасной катушки индуктивности мегагерцевого
диапазона волн на интегральные пьезоэлектрические фильтры в кор-
пусе 115.15-3 с размерами 19,5x14,5x3,2 мм в условной линейке усилителя промежуточной частоты (УПЧ), конструктивно выполненной в виде пенальной формы экранированного субблока (рис. 1.9). Примем, что минимально возможный внешний диаметр каркаса катушки индуктивности D=5мм (при меньшем значении без сердечника будет очень низкая добротность). Для получения максимально возможной добротности катушки должно соблюдаться отношение l/D = 1, где l —длина намотки провода; для того чтобы экран не вносил потери более чем 20% и не приводил к расстройке контура, расстояния h _э от края намотки до экранов (сверху и снизу) должны быть не менее половины диаметра катушки. Тогда минимальная высота катушки равна h_K min = l + 2h_э=D + D= 10мм. Примем также, что в обоих вариантах толщина стенок корпуса