Book3 (Конструирование РЭС (архив книг)), страница 6

б — низкочастотный соединитель; 7 — основание

Рис. 3.15. Конструкция аналогового субблока IV поколения

по «непрерывной микросхеме»:
1 — металлическое основание; 2 — микросборка;

3 —тороидальная катушка индуктивности; 4 — корпус-экран; 5 —соединитель;
6 —радиочастотный кабель; 7 — конденсатор

83

Рис. 3.16. Конструкция аналогового субблока IV поколения с фильтрами ПАВ:

1 — лапка крепления; 2 — каркас-основание; 3 — гермоввод «слезка»;

4 — микросборка; 5 — фильтр ПАВ; 6 — кожух-экран; 7 — паяный шов;

S — трубка-штенгель; 9 —высокочастотный разъем с полиэтиленовой заглушкой

Рис. 3.17. Этажерочная конструкция блока
приемопередающего устройства

IV поколения:

1 — кожух; 2 — высокочастотный разъем
с полиэтиленовой заглушкой;

3 — трубка-штенгель;
4 —низкочастотный разъем;

5 —крышка-основание;

6 — бобышка; 7 —субблоки;

8 — стяжной винт

первые каскады СВЧ-уст-
ройств, могут быть само-
стоятельными первыми ка-
скадами в обычных радио-
вещательных и телевизи-
онных приемниках, могут
объединяться и с последу-
ющими цифровыми блока-
ми обработки информации.
Поэтому говорить о какой-
либо унификации конст-
руктивных решений анало-
говых блоков РЭС не при-
ходится. Как для блоков III
поколения, так и для бло-
ков IV поколения сущест-
вуют те же самые приемы
общего корпусирования,
герметизации и защиты от
факторов внешней среды,
что и для цифровых бло-
ков. На рис. 3.17 показана
этажерочная конструкция блока приемопередающего устройства, вы-
полненная на бескорпусных МСБ.

84

3.5. Конструирование СВЧ-модулей

Спецификой конструкций объемных модулей СВЧ является прин-
цип «непрерывной микросхемы» на микрополосковых линиях, у кото-
рых общая металлизированная поверхность обратных сторон подложек
должна быть близка к идеальной («непрерывность общей земли»). На
рис. 3.18 показана конструкция модуля СВЧ, входящего в общую конст-
рукцию активной фазированной антенной решетки, т.е. представляю-
щего собой миниатюрный приемо-передатчик с фазовым электронным
управлением (сканированием) диаграммы направленности. Микросбор-
ки микрополосковых узлов (предварительного усилителя, умножителя,
усилителя мощности, смесителя, малошумящего усилителя, переклю-
чателя, фазовращателя) выполнены на поликоровых подложках тол-
щиной 0,5 мм, металлизированных с обратной стороны. Весьма важны-
ми задачами при конструировании модуля являются выбор способа за-

Рис. 3.18. Конструкция модуля СВЧ: а — разрез конструкции;
б — изометрия конструкции; 1 — высокочастотный разъем; 2 — каркас-основание;

3 — паяный шов; 4 — ребро крышки; 5 — планка каркаса;
6 — соединительная перемычка; 7 — крышка; 8 — комбинированный разъем

крепления подложек на несущем основании и вопросы стыковки МСБ
по высоте, зазору и сопряжению по ширине микрополосковых линий, а
также вопросы экранирования модуля. Выбор поликора в качестве мате-
риала подложек объясняется следующими причинами: поликор является
высокочастотным материалом и имеет малые диэлектрические потери

(tg δ ≈10^-4 ); достаточно высокое значение диэлектрической постоянной
(е = 9,6) позволяет уменьшить геометрические размеры микрополосковых
линий, которые обычно равны либо 0,5 λ_Д, , либо 0,25 λ_Д, , где λ_Д, ≈λ/√ε

λ, — длина волны в свободном пространстве; поликор обладает тепло-
проводностью в 25 раз выше, чем ситалл, что особенно важно в переда-
ющих трактах СВЧ. Микрополосковая несимметричная линия образует-
ся между верхним проводником и обратной металлизированной повер-
хностью подложки. Чем выше чистота поверхности подложек (двухсто-
ронняя полировка) и чем больше микрополосковых переходов соедине-
но сваркой, а не пайкой, тем меньше потери. Поэтому наиболее надеж-
ным способом крепления подложек к несущему основанию остается
пайка легкоплавкими припоями (ПОИн52, сплавы Розе и Вуда). Иногда
применяют клейку МСБ электропроводящими клеями («Контактол») и
смазку ЭЧЭС для приклейки самих транзисторов СВЧ, которые, одна-

Рис. 3.19. Конструкция передающего СВЧ-модуля:

1 — металлическое основание; 2 — мощный СВЧ-транзистор;

3 — брокеритовая вставка (шайба); 4 — фольговая перемычка; 5 —конденсатор;

6 — пленочная катушка индуктивности; 7 — отверстие для крепления;

8 — шлейф для подстройки; 9 — навесной ЭРЭ

86

ко, ухудшают условия теплопередачи мощности на корпус, хотя и обес-
печивают «общую землю» и лучшую ремонтопригодность. Существует
еще и третий способ крепления — прижимы подложек к основанию
фторопластовыми винтами. В любом случае поверхность контактиро-
вания подложек и корпуса должна иметь электропроводное и легко-
плавкое покрытие. Такими покрытиями являются Н5 М12.0-Ви9, Хим 0-
ВиЗ и ряд гальванопокрытий с серебром и оловом. В модулях СВЧ пере-
дающего типа, т.е. с мощными транзисторами, транзисторы припаивают
непосредственно к контактам эмиттера, базы и коллектора, размещен-
ным на брокеритовой вставке в виде таблетки, поскольку брокерит-9
имеет теплопроводность, близкую к теплопроводности металлов (рис.
3.19).

Вопросы стыковки микрополосковых узлов приобретают все боль-
шее значение с увеличением рабочих частот в гигагерцовом диапазоне
[15]. Чем качественнее и точнее обеспечивается совмещение микропо-
лосковых линий в зазоре l, в плане Δ W и по высоте Δh (рис. 3.20, а,б,в),

Рис. 3.20. Причины и погрешности геометрической стыковки в микросборках СВЧ
при зазоре между ними (а, г), при ошибке совмещения МСБ в плане (б, д) и по высоте(в,е):
1 — микросборка; 2 — соединительная перемычка; 3 — основание-поддон

87

'

тем меньше возникает паразитных отражений волн в линии, тем мень-
ше коэффициент стоячей волны К по напряжению и тем выше коэффи-
циент передачи мощности при одинаковом волновом сопротивлении
Z _в микрополосковой линии. Так, в сантиметровом диапазоне волн гео-
метрическая стыковка МСБ должна обеспечиваться с точностью
± 100 мкм, а в миллиметровом ±50 мкм (рис. 3.20, г, д, е).

3.6. Влияние объема и формы блоков РЭС
на показатели качества конструкции

В зависимости от назначения, уровня интеграции и объекта установ-
ки объем и форма блоков РЭС могут быть различными: объем обычно
меняется от одной десятой до нескольких десятков кубических деци-
метров, а форма может быть плоской, кубической, прямоугольной или
цилиндрической.

От этих двух параметров конструкций блоков в сильной степени за-
висят такие показатели качества, как допустимая удельная мощность
рассеяния (тепловая напряженность) и вибропрочность, во многом оп-
ределяемая собственной частотой конструкции. Как качественно влия-
ют первые на вторые, известно каждому конструктору: конструктив с
меньшим объемом допускает большую тепловую напряженность, чем
конструктив с большим объемом; конструктив более плоской формы
способен выдержать большую мощность рассеяния, чем куб при равен-
стве объемов, а показатели вибропрочности при этом будут намного ху-
же. Это, казалось бы, можно подтвердить и с помощью формул. Напри-
мер, удельная мощность рассеяния P_УДpacc=Р_РАСС должна зависеть обратно пропорционально от объема, и поэтому если кристалл ИС
с объемом в 1 мм способен рассеивать 40 мВт, т.е. P_{УД РАСС ИС}= 40·10³Вт/дм³ , то блок РЭС, имеющий объем 1 дм , т.е. в 10 раз
больший, должен иметь допустимую тепловую напряженность всего
0,04 Вт/дм³ . Результаты же эксперимента, приведенные в работе [16]
(см. рис. 1.6), дают значение этой величины 10 Вт/дм³, т.е. в 250 раз
больше. Значит, формальный расчет по указанной формуле нереален,
ошибочен.

Поэтому для конкретных конструкторских разработок необходимо
иметь более строгие количественные оценки этого влияния, учитываю-
щие все факторы, в том числе и форму блоков.

Оценим влияние объема блока на удельную мощность рассеяния,
считая для простоты выводов форму блока со стороной a_б кубической.

88

Изменение стороны куба в k j раз приведет к изменению его объема в

K³ j раз. Поскольку площадь поверхности куба S = 6 а² ₆ , а объем V= a³ ₆ ,
то удельная мощность рассеяния

Р _{уд.расс}=(α_к+α_л)Δt(S/V)=(α_к+α_л)Δt(6/α_б)

где а _к, а _л — коэффициенты теплопередачи конвекцией и лучеиспуска-
нием от блока в среду; Δt—перегрев корпуса блока. Если принять какой-
либо объем блока за номинальный, например V₀ =a³ ₆ и по отношению к

нему оценить изменение (вариацию) удельной мощности рассеяния В _р

при изменении (вариации) объема В_V ( в k³₁ раз) для i-го варианта, то такая
оценка может быть проведена по следующей формуле:

где а_б0, , а_бi =k₁ ,а_б0л — стороны куба для номинального объема и i-го

варианта.

С изменением стороны куба (определяющего размера) коэффи-
циент лучеиспускания не меняется; коэффициент конвекции для за-
кона степени 1/4, как показывают расчеты, меняется незначительно
(5...10%), а для закона степени 1/3 не меняется (разд. 5.3). Поэтому вы-
ражение (3.3) можно записать в виде В_р= 1/k₁. Зависимость

В_P=f(В_V), где В _v= V_i /V₀ = k³₁, построенная по точкам, представлена на рис. 3.21. Из графика видно, что при изменении объема в 10 раз в
сторону увеличения или уменьшения удельная мощность рассеяния, в
том числе и допустимая, изменяется лишь в два раза (а не в 10 раз) в
обратную сторону. Этим и объясняется ошибка в оценке возможных из-
менений допустимой тепловой напряженности по общей формуле, так
как главным фактором является не сам -объем, а отношение площади
теплопередачи к объему, т.е. S/V. Поэтому для практических расчетов
на рис. 3.22 приведена зависимость этого отношения от объемов блоков
РЭС.

Оценим количественное влияние формы блока на удельную мощ-
ность рассеяния. Для этого кубическую форму блока будем либо «вы-
тягивать» в столбик, либо «сжимать» в более плоскую (планарную)

89

Рис. 3.21. Зависимость вариации мощ- Рис. 3.22. Зависимость отношения пло-

ности рассеяния блока щади теплоотдачи блока