Book1 (Учебник Конструирование РЭС), страница 8

Δ_к=0,5мм, толщина печатной платы Δ _пп = 1 мм , а величина зазоров между компонентами Δ = 3 мм. Будем

41

Рис. 1.9. Конструкции условной линейки УПЧ: а — с каркасными катушками

индуктивности; б — на фильтрах ПАВ; 1 — каркас (экран);

2 — корпусированная микросхема; 3 — каркасная катушка индуктивности;

4 — печатная плата; 5 — фильтр ПАВ

считать, что линейка в обоих вариантах имеет лишь один ряд компо-
нентов (микросхем, катушек и фильтров), и ее ширина по габаритам
корпуса равна В = 20 мм =const . Высота корпуса в первом варианте
составит Н₁ =2 Δ_К + Δ_ПП + h _{K min} =12 мм, а во втором варианте

H₂ = 2 Δ _к + Δ _ПП + Δ _ИС+Δ ₃ = 6,5 мм, где Δ_ис—высота корпуса ИС, Δ ₃ —зазор между корпусом ИС и внутренней поверхностью стенки корпуса субблока, равный 1,3 мм. Рассчитаем по схеме рисунка для обоих вариантов длины корпусов субблока:

A₁ = 3l_x + 6 Δ + 2 Δ_к +2D = 77,5мм;

A₁ = 5l_x + 6 Δ + 2 Δ_к = 97,5 мм, где l_х = 19,5мм. Далее определим объемы конструкций для этих вариантов V₁=A₁ ∙B∙H₁ =18,6 см³ ,

V₂=A₂ ∙B∙H₂ =12,7 см³. Выигрыш в объеме за счет замены катушек на пьезофильтры составит В_V=V₁ /V₂ = 1,5. Итак, мы получили такой выигрыш только в случае замены двух катушек на два фильтра и лишь для одного канала усилительного тракта. Нетрудно подсчитать, во сколько увеличится этот выигрыш для многоканального тракта и с большим числом каскадов усиления.

К основным принципам микроэлектронного конструирования РЭС
относятся комплексная миниатюризация, мультиплексирование, мно-
гоканальность, цифровизация.

42

1.5. Комплексная миниатюризация и мультиплексирование РЭС

Под комплексной миниатюризацией в широком смысле понимают
системный подход к применению в радиоустройствах всех средств мик-
роэлектроники, включающий внедрение новых принципов создания ин-
тегральных радиоэлектронных устройств на базе СБИС и новых разра-
боток математического и аппаратного обеспечения для автоматизиро-
ванных систем проектирования, конструирования, изготовления и конт-
роля [10]. В более узком понимании комплексная миниатюризация —
это применение новой элементной базы и новых методов конструирова-
ния для всех устройств комплекса с целью выравнивания основных ка-
чественных показателей этих устройств и приближения их к макси-
мальным.

Итак, во-первых, надо провести миниатюризацию устройств, причем
не просто уменьшить геометрические размеры, а получить сверхминиа-
тюрные надежные изделия относительно небольшой стоимости на базе
микроэлектронных методов изготовления. Такой способ миниатюриза-
ции иногда называют микроминиатюризацией. Во-вторых, миниатюри-
зация должна быть комплексной, т.е. ни одно из устройств не должно
выпадать из всей совокупности устройств комплекса по основному кри-
терию предпочтения, например по массе или интенсивности отказов.
Представим себе, что из нескольких устройств бортового комплекса,
например антенны, передатчика, приемника, индикатора, блока пита-
ния, по массе (или интенсивности отказов) резко выделяется один, на-
пример блок питания на дискретных элементах. Тогда, какую бы мини-
атюризацию в других устройствах мы не проводили (применение АФР,
многоканального передатчика на ИС, микроэлектронных приемника и
индикатора), все равно масса и надежность комплекса устройств будут
определяться именно этим блоком. При первом же отказе блока пита-
ния все устройства окажутся неработоспособными, а его масса и габа-
риты будут значительно больше, чем эти характеристики остальных
миниатюрных конструкций. Поэтому, внедряя микроэлектронику и но-
вые методы компоновки, нельзя забывать ни об одном из устройств, т.е.
решать все вопросы в комплексе. Пример такого решения показан в
разд. 1.2. В-третьих, при комплексной миниатюризации надо стремиться к достижению самых высоких результатов. Поэтому одной из рекомендаций комплексной миниатюризации является то, что следует выбирать элементную базу из таких изделий электронной техники, физико-технические характеристики которых пока еще далеки от теоретического предела, но развиваются в сторону его достижения, а достигнутый уровень уже позволяет начать их применение. Разработка новой

43

элементной базы, например в технике СВЧ, должна проводиться параллельно с разработкой конструкции самого устройства. Конечным результатом внедрения комплексной миниатюризации при конструировании РЭС высокой интеграции должно быть наибольшее приближение к,идеальному конструктиву,обладающему максимальными информативными параметрами при минимальных материальных затратах на его воплощение. Например, известно, что скорость передачи информации обратно пропорциональна кубическому корню из объема конструкции:чем меньше объем, тем короче длины линий передачи информации,тем больше скорость. Поэтому только высокая интеграция ИС, наряду с функциональной электроникой может приблизить нас к идеальным конструктивам.

Принцип мультиплексирования заключается в схемотехническом и конструктивном уплотнении каналов обмена информацией и является одной из разновидностей общего принципа комплексирования устройств.

Рассмотрим возможности применения принципа мультиплексирования

на следующем примере. Пусть имеются два бортовых
радиоэлектронных устройства А и Б с цифровой обработкой сигналов Передача информации из блока А в блок Б в первом варианте (рис. 1.10, а) осуществляется с помощью набора проводниковых линий связи, длина каждой из которых равна l, а само количество линий равно М. Известны
также погонная масса одной линии связи δ, частоты отказов про-
водника λ_ПР и мест их присоединений, например пайкой (λ,_ПР). Во втором варианте (рис. 1.10, б) присутствует лишь одна мультиплексная ли-ния связи, начинающаяся с входного мультиплексирующего устройства 1 (шифратора или кодера информации) и заканчивающаяся мультиплексирующим устройством 2 (дешифратором или декодером). Оценим для этих двух вариантов главные показатели бортовых устройств— массу и интенсивность отказов:

т_а = М1δ, Λ _а = 2Мλ _п + Мλ_пр = М(2λ_п + λ_пр),
m _σ =lδ + 2m_МУ, Λ_σ = 2λ,_п + λ_пр + 2λ_му.

44

Сравнивая массы и интенсивности отказов линий, видим, что при условии т _му << т _а, λ_МУ<< λ _п ,λ _ПР второй вариант дает выигрыш в массе и надежности примерно в М раз. Возникает вопрос: почему этот принцип, известный ранее, не применялся в конструкциях прошлых лет. Ответ может быть следующим: при конструировании мультиплексирующих устройств на дискретных ЭРЭ их масса и объем были сравнимы с массой и объемом самих устройств А и Б, а надежность была во много раз хуже надежности провода и его мест пайки.

При микроэлектронном конструировании масса отдельных МСБ -
может быть порядка единиц-десятков граммов, а надежность их может быть равна или выше надежности провода и паек, так как λ_ис =λ_МСБ=10^-6 1/ч.Масса же кабельной сети (без мультиплексирования) обычно составляет до 30% от массы коммутирующих блоков при числе линий связи в десятки-сотни проводников. Оценим, хотя бы ориентировочно, выигрыш в массе при мультиплексировании. Пусть масса блоков А и Б составляет 10 кг, тогда масса кабельной сети будет примерно равна 3 кг; в сумме получим 13 кг. Во втором варианте остаются массы блоков А и Б (10 кг), масса одной линии связи (примем, что М = 100), равная 30 г, и масса кодера и декодера, равная 50 г; итого 10,08 кг. Тогда выигрыш в массе В_m=13/10,08=1,3 раза или на 30% больше, чем первоначальное значение. Если массу блоков Аи Б увеличить в два
и более раз, то выигрыш практически не изменится, так как происходит лишь исключение (правда не полное, но значительное) массы самой кабельной сети, которая и составляет эти 30%. Выигрывая в массе и надежности при использовании принципа мультиплексирования, мы проигрываем в быстродействии передачи информации, так как информация идет последовательно одна за другой по одному каналу.

1.6. Многоканальность и цифровизация в конструкциях РЭС

Принцип многоканальности появился впервые в радиотелеметрических системах в связи с большим количеством информации, которую надо было передать за очень короткое время. В настоящее время радиотелеметрические системы могут содержать до 4096 (2¹² ) каналов, а продолжительность радиосеансов связи с искусственными спутниками Земли составляет лишь 10...15 мин в пределах прямой видимости и примерно 30 мин для космических летательных аппаратов (в них время ограничено запасами энергии солнечных батарей, которую они могут выделить на этот сеанс).

45

Развитие этого принципа продолжалось в обычных радиотехниче-
ских средствах, особенно в авиационных, когда стали появляться мно-
гоканальные конструкции с «горячим» или «холодным» резервировани-
ем для повышения надежности все более усложняющихся устройств.
Третьей причиной появления многоканальных конструкций явилось
появление в бортовых и наземных комплексах РЛС антенных фазиро-
ванных решеток, питание которых осуществлялось по способу «один
канал — один излучатель» либо фидерным способом «разветвление
елочкой». Это позволило создавать многофункциональные РЛС для
обнаружения и одновременного сопровождения целей, надежность та-
ких систем была увеличена на один-два порядка по сравнению с одно-
канальными. Выигрыши были получены и в массогабаритных показате-
лях при переходе к транзисторам и особенно к микроэлектронным уз-
лам (разд. 1.2).

Наконец, в настоящее время этот принцип внедряется при создании
ЭВМ с развитой параллельной архитектурой, построенной на транс-
пьютерных микросистемах. Производительность таких ЭВМ может до-
стигать 10 млрд. опер/с при потребляемой мощности всего в 3...5 Вт,
так как тактовая частота благодаря параллельности вычислений может
быть сравнительно низкой ( ≈10 МГц).