Назаров_Конструирование_РЭС (Конструирование Радиоэлектронных Средств), страница 7

Объясняется это существующими уровнямитехнологии (предельными ее возможностями в полученииминимальной ширины базы W). Из физики полупроводниковизвестно, что р — n переход имеет нелинейные свойства лишь принапряжении U 36 = k Тэ /ē > 1 В, где ē — заряд электрона.Минимально возможная ширина базы определяется электрическойпрочностью полупроводника (Е = 10 6В/см), тогдаWmin= U эб /Епр = 10-6 см = 0,01 мкм . В этом случае максимальноебыстродействие, т.е. минимальное время переключенияτ э = W/vm = 10 -12 с = 1 пс, где vm — максимальная дрейфоваяскорость носителей, равная 106 см/с. Таким образом, предельнаявеличина времени переключения равна 1 пс, а для рассматриваемыхструктур она на три-четыре порядка выше (для биполярных 1 не,дляКМДП — 10 нс, И 2Л —3850 не) из-за наличия технологического барьера (ширина базы р - п-перехода в настоящее время измеряется единицами микрометров).2.

Полупроводниковые генераторы крайне высоких частот(КВЧ). Существующие в настоящее время генераторы СВЧ наполупроводниковых приборах имеют незначительный КПД.Например, для лавинно-пролетных диодов (ЛПД) на кремнии онравен 5...10%, а на арсениде галлия — 20...30%. Такие низкиезначения КПД объясняются следующим. Для каждого классагенераторов (на электровакуумных или полупроводниковыхприборах)существуетсвоя,такназываемаяфизико-технологическая, постоянная, т.е. физический предел α =P·f 2 , гдеР — генерируемая мощность,f— рабочая частота.

Чем выше частота,тем меньше генерируемая мощность и тем меньше КПД. Причемпоскольку наибольшее влияние на эту постоянную оказываетскорость VM, движения носителей заряда (Vт ЭВП =3-1010 мм/с иvmПП=107мм/с) наряду с диэлектрической постоянной инапряженностью электрического поля, то и генерируемаямощность на одной и той же рабочей частоте дляполупроводниковых приборов будет меньше этой величинына три порядка.Такимобразом,приконструированиигенераторовмиллиметрового диапазона волн следует считаться с этимограничением по мощности.Конкретно это выражается в том, чтоодин мощный передатчик, например на лампе бегущей волны илимагнетроне, может быть заменен в миниатюрных конструкцияхна тысячу полупроводниковых генераторов со сложениеммощностей в общей нагрузке: либо сложением мощностей припараллельной работе N генераторов на общие шины нагрузки,либосложением их мощности на тройниках. Первый способ из-затрудности согласования генераторов с нагрузкой на СВЧ неприменяется,так как число работающих параллельныхгенераторов ограничено: N≤10.

В тройнике (делителе мощности,гибридноммосте)обеспечиваютсяравенствоволновыхсопротивлений в его плечах и достаточная развязка между ними(порядка 30 дБ). Число тройников, нужных для сложения мощностейN генераторов, рассчитывается по формуле nт = lg2N, а суммарныйкоэффициент передачи по мощности по формуле К рΣ =КnTр,где КP—коэффициент передачи по мощности одного тройника*.Поэтому если имеется, например, 1024 генератора* Высоцкий Б.Ф., Войнич Б.А. Элементы инженерного расчетамикроэлектронныхрадиолокационных устройств.

— М.: МАИ, 1971.39миллиметрового диапазона с выходной мощностью Р = 0,2 Вткаждый, то потребуется число тройников п T = lg2 1024= 10, асуммарный коэффициент передачи при Кр = 0,96 будет равенКрΣ = 0,66. На выходе получим суммарную мощностьРΣ = 0,2∙1024∙ 0,66 = 135 Вт, т.е. примерно треть мощноститеряется в тройниках. Поэтому число генераторов и тройниковследуетвыбиратьизусловияполучениядостаточногокоэффициента (например, порядка 0,8) и возможности размещенияопределенного числа генераторов в одной плоскости смикрополосковыми тройниками. Так, при λ,= 10 мм на поликоровойподложке размером 48x48 мм возможно разместить 64 излучателяАФР при n т = 6 и КpΣ =0,783, что вполне приемлемо как поплощади и энергетике, так и по технологии изготовления, приусловии, что базовая пластина для напыления ограничена размерами48x60 мм.1.4. Правила и принципымикроэлектронного конструирования РЭСПравила и принципы микроэлектронного конструирования РЭС,естественно, включают в себя все общие правила и принципы,характерные для РЭС в целом.

Однако они имеют рядособенностей. Перечислим основные правила микроэлектронногоконструирования РЭС [2]:невозможно создать новый экономически приемлемый иработоспособный вариант микроэлектронной конструкции, непересмотрев электрическую принципиальную схему прототипа;использование электрической принципиальнойсхемыобычного РЭС в микроэлектронном варианте с новой элементнойбазой практически полностью исключается: в лучшем случае воснову его разработки может быть положена электрическаяфункциональная схема, в остальных — только требования ТЗ;при конструировании микроэлектронных средств должен бытьиспользован принципиально новый подход к проектированиюструктуры РЭС;использование ИС возможно большей степени интеграции дляповышения надежности и уменьшения массы, габаритов истоимости РЭС;применение в конструкциях аналоговых устройств и субблоковнавесных компонентов, по форме совместимых с пленарнымиконструкциями ИС, для уменьшения дезинтеграции по массе иобъему;замена функциональных узлов из дискретных ЭРЭ на аналогиинтегральной и функциональной электроники (см.

табл. В.2).40Наглядный пример выполнения первых трех правил был приведен вразд. 1.2 при оптимизации конструкции бортовой РЛС. Выполнениечетвертого правила подтверждается всем ходом развития микроэлектроники, а именно: появлением и внедрением в конструкции РЭС интегральных схем с числом элементов до 106 вентилей на кристалл. Приэтом надежность и стоимость БИС и СБИС в условиях эксплуатации иих массового производства незначительно отличаются от этих показателей ИС средней и малой степени интеграции, а массы и габаритыРЭС, построенных на них, в отличие от прототипов уменьшаются почтина порядок, так как высокая интеграция позволяет все элементы, компоненты и монтаж, ранее находящиеся на платах и подложках, разместить на одном кристалле БИС. Уместно все же заметить, что и дляБИС существует предел интеграции, обусловленный тем, что с увеличением числа элементов в кристалле резко возрастает та часть его площади, которая отводится на межсоединения и периферийные выводыот него, т.е.

S M =4 43N hT ,где N—число элементов; h т — шаг3трассы межсоединений, зависящий от уровня развитияполупроводниковой технологии [9]. Кроме того, с увеличениемплощади кристалла уменьшается процент выхода годных ИС;например, при увеличении стороны кристалла цифровых ИС с 4 до 10мм процент выхода годных падает с 12...15% до 4...5%.Эффективность выполнения пятого правила может быть показанана примере замены каркасной катушки индуктивности мегагерцевогодиапазона волн на интегральные пьезоэлектрические фильтры в корпусе 115.15-3 с размерами 19,5x14,5x3,2 мм в условной линейкеусилителя промежуточной частоты (УПЧ), конструктивно выполненнойв виде пенальной формы экранированного субблока (рис.

1.9).Примем, что минимально возможный внешний диаметр каркасакатушки индуктивности D=5мм (при меньшем значении безсердечника будет очень низкая добротность). Для получениямаксимально возможной добротности катушки должно соблюдатьсяотношение l/D = 1, где l —длина намотки провода; для того чтобыэкран не вносил потери более чем 20% и не приводил к расстройкеконтура, расстояния h э от края намотки до экранов (сверху и снизу)должны быть не менее половины диаметра катушки. Тогдаминимальная высота катушки равна hK min = l + 2hэ=D + D= 10мм.Примем также, что в обоих вариантах толщина стенок корпусаΔ к =0,5мм , толщина печатной платы Δ пп = 1 мм , а величиназазоров между компонентами Δ = 3 мм.

Будем41Рис. 1.9. Конструкции условной линейки УПЧ: а — с каркаснымикатушкамииндуктивности; б — на фильтрах ПАВ; 1 — каркас (экран);2 — корпусированная микросхема; 3 — каркасная катушка индуктивности;4 — печатная плата; 5 — фильтр ПАВсчитать, что линейка в обоих вариантах имеет лишь один ряд компонентов (микросхем, катушек и фильтров), и ее ширина по габаритамкорпуса равна В = 20 мм =const . Высота корпуса в первом вариантесоставит Н1 =2 ΔК + ΔПП + h K min =12 мм, а во втором вариантеH2 = 2 Δ к + Δ ПП + Δ ИС+Δ 3 = 6,5 мм, где Δис—высота корпуса ИС,Δ 3 —зазор между корпусом ИС и внутренней поверхностью стенкикорпуса субблока, равный 1,3 мм. Рассчитаем по схеме рисунка дляобоих вариантов длины корпусов субблока:A1 = 3lx + 6 Δ + 2 Δк +2D = 77,5мм;A1 = 5lx + 6 Δ + 2 Δк = 97,5 мм, где lх = 19,5мм.

Далее определимобъемы конструкций для этих вариантов V1=A1 ∙B∙H1 =18,6 см3 ,V2=A2 ∙B∙H2 =12,7 см3. Выигрыш в объеме за счет замены катушекна пьезофильтры составит ВV=V1 /V2 = 1,5. Итак, мы получилитакой выигрыш только в случае замены двух катушек на два фильтраи лишь для одного канала усилительного тракта. Нетрудноподсчитать, во сколько увеличится этот выигрыш длямногоканального тракта и с большим числом каскадов усиления.К основным принципам микроэлектронного конструирования РЭСотносятся комплексная миниатюризация, мультиплексирование, многоканальность, цифровизация.421.5. Комплексная миниатюризация и мультиплексированиеРЭСПод комплексной миниатюризацией в широком смысле понимаютсистемный подход к применению в радиоустройствах всех средств микроэлектроники, включающий внедрение новых принципов создания интегральных радиоэлектронных устройств на базе СБИС и новых разработок математического и аппаратного обеспечения для автоматизированных систем проектирования, конструирования, изготовления и контроля [10].