Book1 (563546), страница 7

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 7)

Ввиду того что уменьшение суммарной массы т и интенсивности отказов Λ приемопередатчика способствует повышению его качества, лучший вариант определяется по меньшему значению комплексного показателя.Таким образом, выбирается третий вариант приемопередатчика.

1.3. Ограничения на показатели качества конструкций РЭС

Часть показателей качества по тем или иным причинам может быть переведена в состав ограничений. Каковы же эти причины и какие из показателей качества чаще всего могут попасть в группу ограничений?Рассмотрим некоторые примеры конструкций РЭС разного уровня иерархии системы, начиная с верхнего.

Уровень 5 д — составляющие подсистемы самолета. К ним отно-
сятся планер, двигатель, топливо, полезная нагрузка и бортовое радио- и электрооборудование (РЭО). Масса самолета состоит из суммы масс его составляющих, т.е. т _сам = т _пл + m_ДВ + т _т + т _н + m _рэо . Разделив обе части уравнения на массу самолета, получим так называемое «уравнение существования самолета»: 1 =μ_пл + μ_дв + μ_т + μ_н+ μ_рэо ,где μ_i=m_i/m_сам m_i,- составляющая масса самолета.

34

В табл. 1.2 по зарубежным и отечественным [8] рекламным данным приведены технические характеристики и доли составляющих массы условных тяжелого, среднего и легкого самолетов.

Таблица 1.2

По приведенным данным можно определить в конкретных случаях допустимые массы на РЭО, при которых для самолетов существует возможность подняться в воздух. Любое перераспределение масс составляющих самолета может быть пересчитано в изменения его технических характеристик с помощью формул, приведенных в [8].

Уровень S_3π— антенное устройство РЛС самолета. Размещение

антенны зеркального типа (вращающегося параболоида) в носу самолета определяется ее средним сечением (миделем), а следовательно, определяет ее площадь раскрыва S _А = π D² /4 или диаметр раскрыва D.

Ометаемый объем «зеркала» равен V₃ = 0,25D . Мощность излучения
Р_изл антенны прямо пропорциональная площади раскрыва, а максимальная дальность обнаружения цели

где Р_изл, Р_min— мощности излучаемого и принимаемого сигналов;
G — коэффициент усиления антенны; λ, — длина волны; σ — «эффективная площадь» цели.

35

Таким образом, при заданном тактическом показателе R _max объем, занимаемый антенной, должен иметь ограничение «не менее», что не всегда возможно. И в этом случае на помощь приходит микроэлектроника, а именно: применение плоской антенной фазированной решетки (АФР) с V_афр = (0,01... 0,04) D³ или получение в 6...25 раз меньшего объема по сравнению с зеркальным типом. Такой значительный выигрыш можно использовать следующим образом: АФР может быть отодвинута ближе к кабине летчика, так как освобождается место от двигателя, редуктора и карданной системы параболической антенны, при этом площадь ее раскрыва увеличивается, мощность — также увеличивается, и в конечном итоге увеличивается максимальная дальность обнаружения.

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.

Характеристики

Список файлов учебной работы