Разработка конструкции антенного модуля СВЧ

Розробка конструкції антенного модуля НВУ Введение Сверхвысокие частоты получают все более широкое применение, т.к. есть возможность реализации в антеннах СВЧ характеристик, влияющих на внешние показатели качества всей радиосистемы.В диапазоне СВЧ антенны могут создавать остронаправленное излучение с лучом шириной до долей градуса и усиливать сигнал в десятки и сотни тысяч раз. Это позволяет использовать антенну не только для излучения и приема радианов на большие расстояния, но и для пеленгации, борьбы с помехами и других задач.

Широко используются микроэлектронные устройства СВЧ, полосковые и микрополосковые линии передачи, в том числе выполненные на них фазовращатели, коммутаторы, вентили и т.д. Фазированные антенные решетки – наиболее эффективные и перспективные антенные системы, т.к. позволяют осуществлять быстрый обзор пространства, многофункциональный режим работы, комплексирование радиосредств, адаптацию к конкретной радиообстановке, предварительную обработку сверх высококачественных сигналов и т.д. Для работы антенной фазированной возникла необходимость в разработки интегрального модуля СВЧ, работающего в приемно-передающем режиме.

Поэтому целью дипломного проекта является разработка модуля СВЧ, работающего в приемно–передающем режиме в составе фазированной антенной решетки, с использованием микрополосковой технологии и полосковых устройств СВЧ. 1. Анализ технического задания 1.1 Исходные данные Электрические: - схема электрическая принципиальная устройства высокочастотного ГКИЮ433375,001ПЭ3; - перечень элементов ГКИЮ433375,001ПЭ3; - высокое сопротивление Ом; - обратное напряжение источника питания по выводам Х8….Х13 минус 27В; - верхняя частота диапазона в котором должны отсутствовать резонансные частоты Гц. Конструктивные: - конструктивно модуль выполнить в виде герметичного корпуса; - тип корпуса – чашечный; - схема электрическая принципиальная устройства высокочастотного должна быть реализована на двух платах; - платы установить по обе стороны корпуса; - крепление плат к корпусу осуществить механическим прижимом; - выводы Х8….Х14 должны обладать способностью к пайке с использованием бескислотных фиосов; - масса блока не должна превышать 380г; - габаритные размеры блока мм; - меры защиты от воздействия статического электричества по ОСТ11.073.062 – 84. Степень жесткости – 2. Технологические: - тип производства – мелкосерийное (до 10 штук в год); - метод изготовления печатных плат – тонкопленочная технология; - метод формирования рисунка печатных плат фотоштография; - длину и ширину печатных проводников выполнить с точностью до мм; - применить запретное покрытие печатных проводников платы – золото; - плату со стороны экрана металлизировать; Эксплутационные: - гарантийный срок хранения – 2740сут. - гарантийный срок эксплуатации – 1825; - гарантийная наработка – 625сут; - температура окружающей среды при хранении и эксплуатации – от минус 30 до 50 ; - степень герметизации модуля должна обеспечивать его работоспособность в течении всего срока службы; - климатическое исполнение – УХЛ по ГОСТ; - модули должны быть стойкими к воздействию механических факторов, установленных в таблице 1.1 Таблица 1.1 –Механические и климатические факторы. Воздействующий фактор и его характеристики.

Значение характеристики воздействующего фактора Механические факторы: Синусоидальная вибрация: - диапазон частот, Гц; - амплитуда ускорения мс (д); Акустический шум: - диапазон частоты, Гц; - уровень звукового давления; (относительно Па), дБ; Механический удар одиночного действия: - пиковое ударное ускорение мс (д); - длительность действия, мс 1-500 50(5) 30 200(20) 5-10 Воздействующий фактор и его характеристики. Значение характеристики воздействующего фактора Климатические факторы: Атмосферное пониженное давление: - рабочее, Па (мм. рт. ст.); - предельное, Па (мм. рт. ст.); Пониженная температура среды: - рабочая, ; - предельная ; Смена температур: - от предельной повышенной температуры ; -от предельно пониженной температуры; Пониженная относительная влажность при температуре 20 %; Степень жесткости по ГОСТ81 Атмосферные конденсированния осадки (роса, иней) минус 50 минус 60 60 минус 60 98 ІІІ + 1.2 Обеспечение технических требований. Конструктивно модуль должен выполнен в виде корпуса, в котором должна размещаться устройство высокочастотное и крышки.

Устройство высокочастотное должно соответствовать схеме электрической принципиальной ГКИЮ 433375001Э3. Конструкцию корпуса выбрать такой, чтобы в нем свободно размещались платы, был доступ к элементам, требующим регулировки.

Навесные элементы перед установкой на плату должны пройти входной контроль электрических параметров.

Необходимо обеспечить герметизацию всего модуля.

В конструкции корпуса предусмотреть защиту от внутренних и внешних источников помех.

Тонкопленочная технология изготовления плат должна обеспечить все требования, предъявляемые рисунку печатных плат. 2. Назначение и принцип действия интегрального модуля Разрабатываемый модуль СВЧ представляет собой – передающее устройство и предназначен для работы в составе фазированной антенной решетки.

Фазирующая система формирует необходимое фазовое распределение возбуждающих сигналов.

Она состоит из набора управляемых фазовращателей, которые обеспечивают управление положением диаграммы направленности.

Распределительная система построена на основе делителей мощности. При использовании фазированных антенных решеток в радиолокационных комплексах и устройствах радиосвязи с подвижными объектами возникает необходимость оперативно управлять формы диаграммы направленности, то есть перемешать луч в пространстве. Наибольшее распространение получило и используется в данном модуле электронное сканирование с помощью управляемых фазовращателей.Согласно схемы электрической принципиальной ГКИЮ 433375001Э3, после поступления сигнала на входы Х1, Х2 прохождения его по коаксиально – полосковому переходу, он поступает на кольцевой делитель мощности, где происходит суммирования мощностей СВЧ сигнала, если к плечам делителя поступили два синфазных сигнала.

После сигнала поступает на управляемый фазоврщатель, который реализуется в полосковом в микрополосковом варианте на плате.Через циркулятор, который работает только по часовой стрелке, сигнал поступает на проходной фазовращатель, представляющий собой согласованный по входу многополосных. После этого сигнал по выходу Х3 излучается.

Так как модуль работает в приемно – передающем режиме, то возможен другой вариант работы модуля по каналам «Х3» - «Х4, Х5» и «Х6,Х7». В этом случае сигнал поступает на вход Х3, а излучается через управляемые фазовращатели, которые устанавливают необходимую фазу излучения, по выходам Х7, Х4, Х5, Х6. 3. Особенности конструирования модуля СВЧ 3.1 Модульный принцип конструирования в радиоэлектронной аппаратуре модулем называют типовой функциональный узел, предназначенный для сборки в общую компоновку, имеющий габаритный и присоединительные размеры, обеспечивающие взаимозаменяемость модулей данного типа. Модульная конструкция обеспечивает достаточную механическую прочность, электромагнитную экранировку и защиту от окружающей среды.

Конструктор решает сколько функций должен выполнить модуль. исходя из принципов миниатюризации и увеличения степени интеграции, топологию схемы модуля целесообразно выполнять на одной диэлектрической подложки.

В таком многофункциональном модуле уменьшается число соединений отдельных узлов, что упрощает технологию изготовления и увеличивает надежность.Однако недостатками такого многофункционального модуля является: - низкая преемственность разработок, поскольку возможности стандартизации в этом случае ограничено; - испытание, настройка элементов схемы и выявления причин брака существенно осложняются из – за трудностей измерения параметров отдельных элементов, входящих в сложную интегральную схему (ИС) СВЧ; - размещение на одной подложке большого числа элементов, что приводит к многочисленным паразитным связям, а из – за большой площадки подложки возрастают размеры корпуса, что увеличивает вероятность паразитных резонансов корпуса; - изготовление крупных керамических подложек фотолитография по большим площадям обычно дают пониженный выход горных изделий. Для решений вышесказанных проблем часто используют компромиссный метод конструирования.

Конструкция сложного интегрального модуля при этом представляет собой сборку из ряда функциональных модулей или отдельных плат, установленных в сменных отсеках корпуса, разделенных экранирующими.

Такое разделение модуля на отдельные узлы позволяет проводить испытание и наладку их перед сборкой.При этом возможны стандартизация отдельных узлов, используемых в схеме. 3.2 Корпуса модулей СВЧ Корпус предназначен для предохранения интегральной схемы от воздействия окружающей среды, экранировки от внешних электромагнитных полей, теплоотвода, а также крепление подложки и других элементов схемы и т.д. Конструкция корпуса представляет собой металлический короб.

Его дно, крышки и стенки чаще всего имеют прямоугольную форму, что обусловлено конфигурацией стандартных подложек и удобством присоединения переходов. По типу конструкции корпуса подразделяют на рамочные, коробчатые, пенальные, пластинчатые.Коробчатый корпус часто используется в экстремальных условиях, так как его легко изготовить фрезерованием, а наличие боковых стенок позволяет располагать на них коаксиальные переходы фланцевой и соосной конструкции.

При серийном изготовлении можно использовать литье, штамповку, прессование из пластмассы и металлизацию гальвано – пластических способом.Плата в корпусе крепится либо механическим прижимом ко дну с помощью винтов или других элементов, либо припайкой металлизированной экранированной стороны платы ко дну корпуса.

Недостатки корпуса: сложность размещения навесных компонентов, сложность припайки платы ко дну корпуса и соответственно смены платы при ремонте. Рамочные корпуса в основном используются в узлах несимметричных или симметричных полосковых линиях, компланарных и щелевых линиях.Конструкция позволяет осуществить одно и двухъярусные расположение плат. Достоинство корпусов – в их технологичности дешевизне, простоте сборки, удобстве расположения навесных компонентов с обеих сторон платы, относительной легкости смены платы при ремонте.

К недостаткам относят довольно большую (по сравнению с другими типами) протяжность швов, которые необходимо герметизировать. Конструкция пенального корпуса позволяет осуществлять одно и двухъярусное расположение плат. Корпуса удобны для серийного производства. Достоинство корпусов: возможность предварительного контроля и подстройки схем на НПЛ перед установкой в пенал, уменьшена длина шва, которой необходимо герметизировать.Недостатки: возможность расположения СВЧ переходов только двух стенках корпуса, сложность ремонтных работ, для проведения которых требуется разгерметизация шва и полная разборка корпуса.

Пластинчатые корпуса используют в устройствах на СПЛ. Существует много вариантов конструкции данного корпуса, отличающихся в основном материалами, используемыми для создания пластин (обкладок). Достоинства пластинчатых корпусов – в их конструктивной простоте, что упрощают их серийный выпуск и облегчают сборку и ремонт.

Эта конструкция более предпочтительна для негерметизированных узлов. Недостатки: относительная сложность герметизации, зависимость узла от равномерности прижима плат друг к другу т.е. от качества механической сборки.При выборе материала корпуса руководствуются требованиями уменьшения массы, снижения стоимости изготовления, соответствия температурного коэффициента линейного расширения материала корпуса и подложки, возможность пайки и хорошей теплопроводности и т.д. Для корпусов применяют латунь, сплавы алюминия, титан, ковар и др. Свойства материалов корпуса приведены в таблице 3.1 [1]: Таблица 3.1 – Свойства материалов корпусов Материал (ГОСТ) Плотность, КТЛР 11 (при 0 ) Титановый сплав ВТ 1-0 ГОСТ 1980 – 74 Титановый сплав ВТ 5-1 ГОСТ 19807 – 74 Алюминиевый сплав В-95 ГОСТ 4784-74 Алюминиевый сплав Ал-2 ГОСТ 2685-63 Медь М 1 Сплав 29НК (ковар) ГОСТ 10994-74 Латунь Л-63 ГОСТ 15527-70 Алюминиевый сплав Д-16 ГОСТ4784-74 4,52 4,52 2,85 2,65 8,94 8,20 8,43 2,78 8,2 8,3…8,9 24,0 21,1…23,3 16,6…17,1 4,0…5,2 20,6 22,0 Согласно технологическому заданию тип корпуса разрабатываемого модуля – коробчатой (чашечной). Плата устанавливается в корпус и крепится механическими пружинами ко дну с помощью винтов.

Плата крепится металлизированной экранной стороной ко дну корпуса через термокомпенсирующие прокладки из металлической сетки, чтобы снизить напряжение, возникающие из–за материалов корпуса и подложек.

Максимальный размер корпуса ограниченный возможностью возбуждения в прямоугольном резонансе, в котором является внутренняя полость корпуса.

Максимальный размер корпуса приведен в исходных данных. 3.3 Плата модулей СВЧ К платам предъявляют требования по внешнему виду, электрическим параметром, устойчивости при климатических или механических воздействиях и надежности. По внешнему виду проводящий рисунок должен быть четким, без рваных краев, вздутий, отслоенный, разрывов, протравов, темных пятен, загрязнений и окислов.На поверхностях проводящего рисунка не должно быть технологических повреждений и посторонних включений. элементы печатного контакта должны обеспечивать правильность монтажных соединений (соответствие целей технической документации, целостность электрических соединений, отсутствие коротких замыканий). Контактные площадки металлизированные отверстия должны обладать способностью равномерно смачиваться припоем при воздействии его на плату в течение 3с. Печатные платы должны сохранить конструкцию, внешний вид и электрические параметры в пределах норм, а также соответствовать техническим условиям на изделие в рабочем режиме в течение гарантированного срока службы.

Надежность печатных схем влияет на надежность модуля.

Она проверяется в составе модуля и определяется минимальным значением вероятности безотказной работы. Каждая плата имеет маркировку с указателем индекса или чертежного номера платы, а также дату изготовления и штамп ОТК о приемке.Плата выполняет функцию основания на котором формируются пленочные элементы. В зависимости от назначения платы выбирают материалом основания.

Характеристики некоторых материалов, использованных для некоторых материалов, используемых для печатных полосковых плат, приведены в таблице 3.2 [2]. Для микрополоскрвых плат требуется материал, обладающий высоким (диэлектрическая пронициаимость) малыми потерями, постоянством в широком диапазоне частот и температур, высокой степени частоты, малой пористостью, высокой теплопроводностью, низкой стоимостью. Таблица 3.2 - Электрофизическое механические характеристики материалов плат.