Файл: 2. расчетно теоретическая часть 1 Проектирование усилительного модуля.rtf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 23.11.2023
Просмотров: 137
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
СОДЕРЖАНИЕ
3 с помощью грузика и охлаждали до комнатной температуры.
Оценку надежности паяных соединений проводили путем термоциклирования: охлаждения в жидком азоте до –1960С за 1-2 минуты – нагрев до +1000С на электроплитке за 3-5 минут. Паяные соединения подвергали испытанию на влагоустойчивость в течении 21 суток при t = 400С и относительной влажности 95…98%.
Более подробно этот способ будет описан в технологическом разделе дипломной работы.
3.6 Оптимизация размеров корпуса модуля
Поскольку составляющая массы корпуса в общем массе модуля велика, то в работе проведены работы с целью максимального снижения массы корпуса. Во-первых, было показано, что толщина стенок корпуса может быть снижена до 2 мм, а в местах подключения к модулю СВЧ - разъемов сделаны расширения до 5 мм для возможности посадки в эти места коаксиально-микрополосковых переходов типа ТС 2.236.061 с внешним диаметром 6 мм (М6). Во–вторых, ширина микрополосковых плат была уменьшена до размеров L = 9 мм.
В-третьих, высота корпуса была снижена до 4 мм, поскольку ширина внутренней части корпуса составляет 7 мм, то получившийся волновод является запредельным, т. е. в нем не распространяются « паразитные» типы волн.
3.7 Герметизация СВЧ модуля
Надежность микросхем в процессе работы и при хранении в значительной степени определяется герметичностью корпуса микросборок. Герметизацию проводят для полной изоляции элементов микросхемы и электрических соединений от контакта с окружающей средой, всегда содержащей влагу и другие химически активные компоненты, способные вызвать постепенные отказы. Окружающий воздух практически всегда представляет собой паровоздушную смесь. Проникая к активным частям микросхемы, влага растворяет газы и загрязнения и образует в условиях электрических полей электролитические пары. В свою очередь, это приводит к возникновению отказов, выражающихся в шунтирующих утечках, коротких замыканиях и обрывах.
Воздействие на изделие одного и тем более одновременно нескольких климатических факторов очень усложняет проблему обеспечения его высокой надежности. Поэтому повышение надежности РЭА неразрывно связано с разработкой эффективных способов ее герметизации.
При выборе и разработке способа герметизации обычно решаются две задачи, а именно: обеспечивается защита РЭА от дестабилизирующего воздействия климатических факторов атмосферы и одновременно исключается возможное дестабилизирующее влияние самого герметизирующего материала или материалов конструкционных элементов на изделие.
Наиболее распространенным методом герметизации СВЧ модулей в металлических толстостенных корпусах является пайка их элементов (крышек и оснований) с помощью низкотемпературных припоев с применением жидких флюсов. При этом откачка и наполнение внутриприборного объема инертным газом осуществляется индивидуально для каждой микросборки на откачных постах через специально предусмотренную в каждом модуле откачную трубочку (штенгель), которая впоследствии герметизируется (пережимается механически, запаивается, сваривается и т. д.). 23.
Указанный вид герметизации универсальный. Однако, как показала практика, это нестабильный и трудоемкий процесс, имеющий ряд недостатков, и, прежде всего, из-за наличия штенгеля. Штенгельная откачка, как правило, трудоемкая операция.
Наиболее перспективным методом герметизации СВЧ модулей является микроплазменная сварка плавлением. При этом герметизация модуля совмещена с бесштенгельной откачкой и наполнением инертным газом в едином технологическом процессе, который предусматривает эвакуацию воздуха из внутреннего объема модуля, его наполнение инертным газом с последующей герметизацией методом сварки.
Откачка и наполнение объема проводятся одновременно в подколпачном устройстве модернизированной установки типа УКСМ-3М через специально предусмотренные между крышкой и корпусом откачные отверстия, впоследствии заваренные при герметизации последнего шва модуля до вскрытия камеры установки.
Экспериментально было установлено, что наиболее удобной формой откачных отверстий является прямоугольная проточка на торцевой поверхности основания корпуса с размерами 2х2х0,3 мм, которая при соединении корпуса с крышкой образует прямоугольное отверстие. Выбранная форма и размеры проточки позволяют проводить качественную сварку кромок элементов корпуса с последующим вскрытием модуля и повторной ее герметизации сваркой.
3.8 Оптимизация времени бесштенгельной откачки
С целью определения количества откачных отверстий и уточнения их геометрических размеров проведем оценку основных характеристик, определяющих время установления равновесного давления (пропускной способности откачного отверстия), быстроты и длительности откачки. Рассмотрим схему откачной системы, приведенную на рис. 16. Откачиваемый объем 1 соединенен с вакуумным насосом 3
с помощью вакуумопровода 2, имеющего длину L и диаметр d. Допустим, что температура откачиваемого газа постоянная, а вакуумная система не натекает и внутри нее нет газовыделения. Поскольку площадь оптимального прямоугольного отверстия 2 х 0,3 = 0,6 мм2, то эквивалентное ему по площади круглое отверстие будет иметь диаметр d = 0,87 мм. Длина трубопровода равна толщине стенки корпуса L = 2 мм. Откачка воздуха из объема 1 производится от атмосферного давления (760 мм рт. ст. до 10-1 мм рт. ст.) с помощью форвакуумного насоса ВН-461М с быстродействием Sн = 0,86 л/с с предельным вакуумом 10-3 мм рт. ст.
Средняя длина свободного пути молекул газа обратно пропорциональна молекулярной концентрации газа N1:
,
где - диаметр молекулы, см;
Т – абсолютная температура газа, 0С;
С – постоянная, зависящая от рода газа.
При постоянной температуре:
,
где Р – давление, 1 – коэффициент, численно равный длине свободного пути молекул газа при давлении, равном единице.
Для воздуха при Т = 200С, 1 = 4,7210-5 м, а Р1 будет изменяться от Р1 = 7,6 102 мм рт. ст. до Р1 = 10-1 мм рт. ст. Среднее давление в трубопроводе будет составлять Р1/2. Следовательно Р = 3,8 102, а Р = 0,05. Поэтому
Отношения /d составляют:
При /d 510-3 режим течения будет вязкий, а при /d 1 – молекулярный.
Определим пропускную способность трубопровода для молекулярного режима, которая равна:
Длительность откачки определяется зависимостью:
При UM SH формула упрощается:
Отсюда,
Для V = 20 см3 имеем:
Зависимость t от V изображена на рис. 17.
3.9 Конструкция модуля
Для построения модуля выбрана 5-каскадная схема из балансных и небалансных каскадов, выполненных на единой поликоровой подложке и одиночные балансные каскады, настраиваемые по минимуму шума и по максимуму мощности для входных и выходных каскадов (рис. 18).
В модуле применяются миниатюрные разделительные конденсаторы на основе окиси кремния, в цепи питания истока. Конденсаторы выделяют малые потери вплоть до 17 ГГц. Поликоровые платы припаиваются на коваровые или титановые основания. Основание покрыто никелем - 6 мкм и олово-висмутом - 3 мкм и спаяно с микросхемами припоем ПОС-61 при t = 2000С.
Каждая плата проверяется по параметрам в держателе для микросхемы. Конструкция основания позволяет независимо от пайки обеспечить хорошее заземление по СВЧ.
Конструктивно модуль состоит из платы (ограничителя), однокаскадная плата, настроенная по минимальному коэффициенту шума и 5 – каскадный усилитель платы. Если 5 – каскадная плата позволяет получить требуемые параметры, то возможна компоновка модуля без однокаскадной платы (ограничительная плата, 5 – каскадная плата, 50 – омная линия). Все платы укрепляются винтами в корпусе. Выводы питания и СВЧ – выводы впаиваются в корпус при t = 1500С припоем ПОС-61. Герметичный СВЧ – вывод, применяемый в модуле, обеспечивает КСВН, не более 1,4 во всем диапазоне частот.
Отдельные платы и СВЧ – выводы соединены через золотые лепестки сваркой. С экранированной стороны все платы соединены между собой лепестками, которые припаиваются к основанию микросхемы, а крайние платы– к корпусу. Выводы питания размещаются в нижней части корпуса. Для нормальной работы усилителя напряжение между стоком и истоком транзистора должно быть +2,5 В. Напряжение +9 В подается на сток транзистора через микросхему, которая обеспечивает стабильное напряжение 2 %. Собранный модуль проверяется и настраивается по основным параметрам: коэффициент усиления, КСВН, неравномерность КУ.
В усилительных каскадах использовались полевые транзисторы типа «Полет» и «Созвездие». Транзистор является арсенид – галлиевым транзистором с каналом n-типа, с барьером Шотки. Для усиления КУ необходимо использовать несколько усилительных каскадов. Основная трудность каскадирования состоит в опасности самовозбуждения усилителей на частоте, где коэффициент устойчивости К I. Поэтому при каскадировании усилительных каскадов необходимо принимать специальные меры для уменьшения обратной связи между транзисторами.
3.10 Характеристики усилительного модуля
3.10. 1 Защитное устройство на ограничительных диодах
Для увеличения предельно допустимой входной мощности в модуле применяется защитное устройство на ограничительных диодах типа «Параграф», параллельно включенных в 50-омную линию, выполненную на поликоровой подложке толщиной 0,5 мм. Микроплата ограничительного устройства имеет определенные размеры. При малом сигнале выбранная схема согласования позволяет получить потери не более 0,8 дБ (рис.19). Ограничение составляет 15 дБ при уровне непрерывной входной мощности 2 Вт.
Для лучшего согласования целесообразно производить отбор диодов с величиной емкости не менее 0,35 пФ и с резким увеличением на диод U=0,4 Вт, что обеспечивает лучшие ограничивающие свойства.
Разработанный ограничитель на диодах исследован на воздействие импульсной мощности 15 Вт при длительных импульсах 1 мкс и частоте повторений 10 ГГц. Как следует из результатов исследования, время восстановления после воздействия импульса составляет 100-200нс.
3.10.2 Температурная зависимость КУ усилительного модуля
Температурная устойчивость усилителя была проверена в диапазоне температур –600С +850С. Результаты исследования приведены на рис. 20, Из него следует, что при изменении температуры от –600С до +850С КУ изменяется на 6 дБ.
3.10.3Надежность модуля
Модуль отвечает требованиям, предъявляемым к аппаратуре наземного и бортового, самолетного применения. Надежность прибора обеспечивается надежностью его узлов и деталей, малым количеством навесных элементов.
3.11 Вывод
1. На основании разработанной в предыдущем разделе топологии каскада усилителя предложена ГИС, состоящая из двух поликоровых плат, на которых размещены пассивные элементы каскада (планарные резисторы и навесные емкости), соединенные между собой золотыми проволочками. Платы разнесены на металлическом основании, а в зазоре между ними устанавливаются кристаллы полевых транзисторов и навесные емкости. Такая конструкция позволяет сравнительно просто осуществить сборку каскада и обеспечить необходимый тепловой режим выходных каскадов модуля.
2. Обоснован выбор типа корпуса для усилительного модуля. Из трех рассмотренных типов (пенального, чашечного, рамочного) выбран рамочный корпус, позволяющий, в частности, за счет двухстороннего монтажа достичь высокой степени интеграции, упростить сборку, монтаж, ремонт и реставрацию модуля.
Оценку надежности паяных соединений проводили путем термоциклирования: охлаждения в жидком азоте до –1960С за 1-2 минуты – нагрев до +1000С на электроплитке за 3-5 минут. Паяные соединения подвергали испытанию на влагоустойчивость в течении 21 суток при t = 400С и относительной влажности 95…98%.
Более подробно этот способ будет описан в технологическом разделе дипломной работы.
3.6 Оптимизация размеров корпуса модуля
Поскольку составляющая массы корпуса в общем массе модуля велика, то в работе проведены работы с целью максимального снижения массы корпуса. Во-первых, было показано, что толщина стенок корпуса может быть снижена до 2 мм, а в местах подключения к модулю СВЧ - разъемов сделаны расширения до 5 мм для возможности посадки в эти места коаксиально-микрополосковых переходов типа ТС 2.236.061 с внешним диаметром 6 мм (М6). Во–вторых, ширина микрополосковых плат была уменьшена до размеров L = 9 мм.
В-третьих, высота корпуса была снижена до 4 мм, поскольку ширина внутренней части корпуса составляет 7 мм, то получившийся волновод является запредельным, т. е. в нем не распространяются « паразитные» типы волн.
3.7 Герметизация СВЧ модуля
Надежность микросхем в процессе работы и при хранении в значительной степени определяется герметичностью корпуса микросборок. Герметизацию проводят для полной изоляции элементов микросхемы и электрических соединений от контакта с окружающей средой, всегда содержащей влагу и другие химически активные компоненты, способные вызвать постепенные отказы. Окружающий воздух практически всегда представляет собой паровоздушную смесь. Проникая к активным частям микросхемы, влага растворяет газы и загрязнения и образует в условиях электрических полей электролитические пары. В свою очередь, это приводит к возникновению отказов, выражающихся в шунтирующих утечках, коротких замыканиях и обрывах.
Воздействие на изделие одного и тем более одновременно нескольких климатических факторов очень усложняет проблему обеспечения его высокой надежности. Поэтому повышение надежности РЭА неразрывно связано с разработкой эффективных способов ее герметизации.
При выборе и разработке способа герметизации обычно решаются две задачи, а именно: обеспечивается защита РЭА от дестабилизирующего воздействия климатических факторов атмосферы и одновременно исключается возможное дестабилизирующее влияние самого герметизирующего материала или материалов конструкционных элементов на изделие.
Наиболее распространенным методом герметизации СВЧ модулей в металлических толстостенных корпусах является пайка их элементов (крышек и оснований) с помощью низкотемпературных припоев с применением жидких флюсов. При этом откачка и наполнение внутриприборного объема инертным газом осуществляется индивидуально для каждой микросборки на откачных постах через специально предусмотренную в каждом модуле откачную трубочку (штенгель), которая впоследствии герметизируется (пережимается механически, запаивается, сваривается и т. д.). 23.
Указанный вид герметизации универсальный. Однако, как показала практика, это нестабильный и трудоемкий процесс, имеющий ряд недостатков, и, прежде всего, из-за наличия штенгеля. Штенгельная откачка, как правило, трудоемкая операция.
Наиболее перспективным методом герметизации СВЧ модулей является микроплазменная сварка плавлением. При этом герметизация модуля совмещена с бесштенгельной откачкой и наполнением инертным газом в едином технологическом процессе, который предусматривает эвакуацию воздуха из внутреннего объема модуля, его наполнение инертным газом с последующей герметизацией методом сварки.
Откачка и наполнение объема проводятся одновременно в подколпачном устройстве модернизированной установки типа УКСМ-3М через специально предусмотренные между крышкой и корпусом откачные отверстия, впоследствии заваренные при герметизации последнего шва модуля до вскрытия камеры установки.
Экспериментально было установлено, что наиболее удобной формой откачных отверстий является прямоугольная проточка на торцевой поверхности основания корпуса с размерами 2х2х0,3 мм, которая при соединении корпуса с крышкой образует прямоугольное отверстие. Выбранная форма и размеры проточки позволяют проводить качественную сварку кромок элементов корпуса с последующим вскрытием модуля и повторной ее герметизации сваркой.
3.8 Оптимизация времени бесштенгельной откачки
С целью определения количества откачных отверстий и уточнения их геометрических размеров проведем оценку основных характеристик, определяющих время установления равновесного давления (пропускной способности откачного отверстия), быстроты и длительности откачки. Рассмотрим схему откачной системы, приведенную на рис. 16. Откачиваемый объем 1 соединенен с вакуумным насосом 3
с помощью вакуумопровода 2, имеющего длину L и диаметр d. Допустим, что температура откачиваемого газа постоянная, а вакуумная система не натекает и внутри нее нет газовыделения. Поскольку площадь оптимального прямоугольного отверстия 2 х 0,3 = 0,6 мм2, то эквивалентное ему по площади круглое отверстие будет иметь диаметр d = 0,87 мм. Длина трубопровода равна толщине стенки корпуса L = 2 мм. Откачка воздуха из объема 1 производится от атмосферного давления (760 мм рт. ст. до 10-1 мм рт. ст.) с помощью форвакуумного насоса ВН-461М с быстродействием Sн = 0,86 л/с с предельным вакуумом 10-3 мм рт. ст.
Средняя длина свободного пути молекул газа обратно пропорциональна молекулярной концентрации газа N1:
,где - диаметр молекулы, см;
Т – абсолютная температура газа, 0С;
С – постоянная, зависящая от рода газа.При постоянной температуре:
,где Р – давление,
1 – коэффициент, численно равный длине свободного пути молекул газа при давлении, равном единице. Для воздуха при Т = 200С, 1 = 4,7210-5 м, а Р1 будет изменяться от Р1 = 7,6 102 мм рт. ст. до Р1 = 10-1 мм рт. ст. Среднее давление в трубопроводе будет составлять Р1/2. Следовательно Р = 3,8 102, а Р = 0,05. Поэтому
Отношения /d составляют:
При /d 510-3 режим течения будет вязкий, а при /d 1 – молекулярный.
Определим пропускную способность трубопровода для молекулярного режима, которая равна:
Длительность откачки определяется зависимостью:
При UM SH формула упрощается:
Отсюда,
Для V = 20 см3 имеем:
Зависимость t от V изображена на рис. 17.
3.9 Конструкция модуля
Для построения модуля выбрана 5-каскадная схема из балансных и небалансных каскадов, выполненных на единой поликоровой подложке и одиночные балансные каскады, настраиваемые по минимуму шума и по максимуму мощности для входных и выходных каскадов (рис. 18).
В модуле применяются миниатюрные разделительные конденсаторы на основе окиси кремния, в цепи питания истока. Конденсаторы выделяют малые потери вплоть до 17 ГГц. Поликоровые платы припаиваются на коваровые или титановые основания. Основание покрыто никелем - 6 мкм и олово-висмутом - 3 мкм и спаяно с микросхемами припоем ПОС-61 при t = 2000С.
Каждая плата проверяется по параметрам в держателе для микросхемы. Конструкция основания позволяет независимо от пайки обеспечить хорошее заземление по СВЧ.
Конструктивно модуль состоит из платы (ограничителя), однокаскадная плата, настроенная по минимальному коэффициенту шума и 5 – каскадный усилитель платы. Если 5 – каскадная плата позволяет получить требуемые параметры, то возможна компоновка модуля без однокаскадной платы (ограничительная плата, 5 – каскадная плата, 50 – омная линия). Все платы укрепляются винтами в корпусе. Выводы питания и СВЧ – выводы впаиваются в корпус при t = 1500С припоем ПОС-61. Герметичный СВЧ – вывод, применяемый в модуле, обеспечивает КСВН, не более 1,4 во всем диапазоне частот.
Отдельные платы и СВЧ – выводы соединены через золотые лепестки сваркой. С экранированной стороны все платы соединены между собой лепестками, которые припаиваются к основанию микросхемы, а крайние платы– к корпусу. Выводы питания размещаются в нижней части корпуса. Для нормальной работы усилителя напряжение между стоком и истоком транзистора должно быть +2,5 В. Напряжение +9 В подается на сток транзистора через микросхему, которая обеспечивает стабильное напряжение 2 %. Собранный модуль проверяется и настраивается по основным параметрам: коэффициент усиления, КСВН, неравномерность КУ.
В усилительных каскадах использовались полевые транзисторы типа «Полет» и «Созвездие». Транзистор является арсенид – галлиевым транзистором с каналом n-типа, с барьером Шотки. Для усиления КУ необходимо использовать несколько усилительных каскадов. Основная трудность каскадирования состоит в опасности самовозбуждения усилителей на частоте, где коэффициент устойчивости К I. Поэтому при каскадировании усилительных каскадов необходимо принимать специальные меры для уменьшения обратной связи между транзисторами.
3.10 Характеристики усилительного модуля
3.10. 1 Защитное устройство на ограничительных диодах
Для увеличения предельно допустимой входной мощности в модуле применяется защитное устройство на ограничительных диодах типа «Параграф», параллельно включенных в 50-омную линию, выполненную на поликоровой подложке толщиной 0,5 мм. Микроплата ограничительного устройства имеет определенные размеры. При малом сигнале выбранная схема согласования позволяет получить потери не более 0,8 дБ (рис.19). Ограничение составляет 15 дБ при уровне непрерывной входной мощности 2 Вт.
Для лучшего согласования целесообразно производить отбор диодов с величиной емкости не менее 0,35 пФ и с резким увеличением на диод U=0,4 Вт, что обеспечивает лучшие ограничивающие свойства.
Разработанный ограничитель на диодах исследован на воздействие импульсной мощности 15 Вт при длительных импульсах 1 мкс и частоте повторений 10 ГГц. Как следует из результатов исследования, время восстановления после воздействия импульса составляет 100-200нс.
3.10.2 Температурная зависимость КУ усилительного модуля
Температурная устойчивость усилителя была проверена в диапазоне температур –600С +850С. Результаты исследования приведены на рис. 20, Из него следует, что при изменении температуры от –600С до +850С КУ изменяется на 6 дБ.
3.10.3Надежность модуля
Модуль отвечает требованиям, предъявляемым к аппаратуре наземного и бортового, самолетного применения. Надежность прибора обеспечивается надежностью его узлов и деталей, малым количеством навесных элементов.
3.11 Вывод
1. На основании разработанной в предыдущем разделе топологии каскада усилителя предложена ГИС, состоящая из двух поликоровых плат, на которых размещены пассивные элементы каскада (планарные резисторы и навесные емкости), соединенные между собой золотыми проволочками. Платы разнесены на металлическом основании, а в зазоре между ними устанавливаются кристаллы полевых транзисторов и навесные емкости. Такая конструкция позволяет сравнительно просто осуществить сборку каскада и обеспечить необходимый тепловой режим выходных каскадов модуля.
2. Обоснован выбор типа корпуса для усилительного модуля. Из трех рассмотренных типов (пенального, чашечного, рамочного) выбран рамочный корпус, позволяющий, в частности, за счет двухстороннего монтажа достичь высокой степени интеграции, упростить сборку, монтаж, ремонт и реставрацию модуля.