Назаров_Конструирование_РЭС (Конструирование Радиоэлектронных Средств), страница 16

Конструирование СВЧ-модулейСпецификой конструкций объемных модулей СВЧ является принцип «непрерывной микросхемы» на микрополосковых линиях, у которых общая металлизированная поверхность обратных сторон подложекдолжна быть близка к идеальной («непрерывность общей земли»). Нарис.

3.18 показана конструкция модуля СВЧ, входящего в общую конструкцию активной фазированной антенной решетки, т.е. представляющего собой миниатюрный приемо-передатчик с фазовым электроннымуправлением (сканированием) диаграммы направленности. Микросборки микрополосковых узлов (предварительного усилителя, умножителя,усилителя мощности, смесителя, малошумящего усилителя, переключателя, фазовращателя) выполнены на поликоровых подложках толщиной 0,5 мм, металлизированных с обратной стороны.

Весьма важными 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 разъемкрепления подложек на несущем основании и вопросы стыковки МСБпо высоте, зазору и сопряжению по ширине микрополосковых линий, атакже вопросы экранирования модуля. Выбор поликора в качестве материала подложек объясняется следующими причинами: поликор являетсявысокочастотным материалом и имеет малые диэлектрические потери(tg δ ≈10-4 ); достаточно высокое значение диэлектрической постоянной(е = 9,6) позволяет уменьшить геометрические размеры микрополосковыхлиний, которые обычно равны либо 0,5 λД, , либо 0,25 λД, , где λД, ≈λ/√ελ, — длина волны в свободном пространстве; поликор обладает теплопроводностью в 25 раз выше, чем ситалл, что особенно важно в передающих трактах СВЧ.

Микрополосковая несимметричная линияобразуется между верхним проводником и обратной металлизированной поверхностью подложки. Чем выше чистота поверхности подложек (двухсторонняя полировка) и чем больше микрополосковых переходов соединено сваркой, а не пайкой, тем меньше потери. Поэтому наиболее надежным способом крепления подложек к несущему основанию остаетсяпайка легкоплавкими припоями (ПОИн52, сплавы Розе и Вуда).

Иногдаприменяют клейку МСБ электропроводящими клеями («Контактол») исмазку 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 ЭРЭ86ко, ухудшают условия теплопередачи мощности на корпус, хотя и обеспечивают «общую землю» и лучшую ремонтопригодность. Существуетеще и третий способ крепления — прижимы подложек к основаниюфторопластовыми винтами. В любом случае поверхность контактирования подложек и корпуса должна иметь электропроводное и легкоплавкое покрытие.

Такими покрытиями являются Н5 М12.0-Ви9, Хим 0ВиЗ и ряд гальванопокрытий с серебром и оловом. В модулях СВЧ передающего типа, т.е. с мощными транзисторами, транзисторы припаиваютнепосредственно к контактам эмиттера, базы и коллектора, размещенным на брокеритовой вставке в виде таблетки, поскольку брокерит-9имеет теплопроводность, близкую к теплопроводности металлов (рис.3.19).Вопросы стыковки микрополосковых узлов приобретают все большее значение с увеличением рабочих частот в гигагерцовом диапазоне[15].

Чем качественнее и точнее обеспечивается совмещение микрополосковых 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 СВЧпри 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-поддон87'тем меньше возникает паразитных отражений волн в линии, тем меньше коэффициент стоячей волны К по напряжению и тем выше коэффициент передачи мощности при одинаковом волновом сопротивленииZ в микрополосковой линии. Так, в сантиметровом диапазоне волн геометрическая 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 РЭСна показатели качества конструкцииВ зависимости от назначения, уровня интеграции и объекта установки объем и форма блоков РЭС могут быть различными: объем обычноменяется от одной десятой до нескольких десятков кубических дециметров, а форма может быть плоской, кубической, прямоугольной илицилиндрической.От этих двух параметров конструкций блоков в сильной степени зависят такие показатели качества, как допустимая удельная мощностьрассеяния (тепловая напряженность) и вибропрочность, во многом определяемая собственной частотой конструкции.

Как качественно влияют первые на вторые, известно каждому конструктору: конструктив сменьшим объемом допускает большую тепловую напряженность, чемконструктив с большим объемом; конструктив более плоской формыспособен выдержать большую мощность рассеяния, чем куб при равенстве объемов, а показатели вибропрочности при этом будут намного хуже. Это, казалось бы, можно подтвердить и с помощью формул. Например, удельная мощность рассеяния PУДpacc=РРАСС должна зависеть обратнопропорционально от объема, и поэтому если кристалл ИСс объемом в 1 мм способен рассеивать 40 мВт, т.е.

PУД РАСС ИС= 40·103Вт/дм3 ,то блок РЭС, имеющий объем 1 дм , т.е. в 10 разбольший, должен иметь допустимую тепловую напряженность всего0,04 Вт/дм3 . Результаты же эксперимента, приведенные в работе [16](см. рис. 1.6), дают значение этой величины 10 Вт/дм3, т.е. в 250 разбольше. Значит, формальный расчет по указанной формуле нереален,ошибочен.Поэтому для конкретных конструкторских разработок необходимоиметь более строгие количественные оценки этого влияния, учитывающие все факторы, в том числе и форму блоков.Оценим влияние объема блока на удельную мощность рассеяния,считая для простоты выводов форму блока со стороной aб кубической.88Изменение стороны куба в k j раз приведет к изменению его объема вK3 j раз.

Поскольку площадь поверхности куба S = 6 а2 6 , а объем V= a3 6 ,то удельная мощность рассеянияР уд.расс=(αк+αл)Δt(S/V)=(αк+αл)Δt(6/αб)где а к, а л — коэффициенты теплопередачи конвекцией и лучеиспусканием от блока в среду; Δt—перегрев корпуса блока. Если принять какойлибо объем блока за номинальный, например V0 =a3 6 и по отношению кнему оценить изменение (вариацию) удельной мощности рассеяния В рпри изменении (вариации) объема ВV ( в k31 раз) для i-го варианта, то такаяоценка может быть проведена по следующей формуле:BP =(a K + a Л ) i ∆t 6a б0(a K + a Л ) 0 ∆t 6a бi=( a K + a Л ) i a б0( a K + a Л ) 0 a бi=(a K + a Л ) i 1( a K + a Л ) 0 k1где аб0, , абi =k1 ,аб0л — стороны куба для номинального объема и i-говарианта.С изменением стороны куба (определяющего размера) коэффициент лучеиспускания не меняется; коэффициент конвекции для закона степени 1/4, как показывают расчеты, меняется незначительно(5...10%), а для закона степени 1/3 не меняется (разд.

5.3). Поэтому выражение (3.3) можно записать в виде Вр= 1/k1. ЗависимостьВP=f(ВV), где В v= Vi /V0 = k31, построенная по точкам, представлена на рис.3.21. Из графика видно, что при изменении объема в 10 раз всторону увеличения или уменьшения удельная мощность рассеяния, втом числе и допустимая, изменяется лишь в два раза (а не в 10 раз) вобратную сторону. Этим и объясняется ошибка в оценке возможных изменений допустимой тепловой напряженности по общей формуле, таккак главным фактором является не сам -объем, а отношение площадитеплопередачи к объему, т.е.

S/V. Поэтому для практических расчетовна рис. 3.22 приведена зависимость этого отношения от объемов блоковРЭС.Оценим количественное влияние формы блока на удельную мощность рассеяния. Для этого кубическую форму блока будем либо «вытягивать» в столбик, либо «сжимать» в более плоскую (планарную)89Рис. 3.21.

Зависимость вариации мощности рассеяния блокаот вариации его объемаРис. 3.22. Зависимость отношения площади теплоотдачи блокак его объему от объема блокапластину. Второй случай на практике более реален, причем пластина может иметь как квадратную, так и прямоугольную формы. Для простоты выводов выберем квадратную форму плоскогоблока — панель. Введем понятиекоэффициентапланарности,отРис. 3.23. К определениюкоэффициента планарностиражающего степень плоскостиконструкции блокаконструкции,какk2=a6/h',гдеа 6 — сторона куба, h ' — высота панели (рис. 3.23). При этом объемыкуба и панели равны. Откуда a6S0 = h'St и k2 = Si/S0 .

ПосколькуS,- > S 0, то при увеличении коэффициента планарности должна возрасти допустимая мощность рассеяния в блоке, так как с большей площади теплоотдачи в среду может быть передана большая мощность рассеяния.Оценим эт о к олич еств енн о. Обозначим ув еличени е ст ор оныверхней грани панели через k3 = a6 /а б .