1. Классификация РЭА т Н D, ff

Рис. 1.1. Функциональнал схема приемника прямого усиления (а) с указанием различ. ной природы сигнала, несущего информацию ! . . . 4, и упрощенная схема усилителя низкой частоты (6) в виде совокупности отдельных преобразователей

сигналов, преимущественно электромагнитной природы. В свою очередь она разделяется на:

- определенные упорядоченные статические структуры материалов, запомнивших воздействия при изготовлении элементов конструкции (шестерни, резисторы, микросхемы и т. п.), - собственно конструктивные и схемные элементы,

- определенные статические или динамические связи, определяемые компоновкой и связями элементов конструкции, электромонтажные, механические и др.,

- специальные каналы, с помощью которых осуществляются эффекты энерго- массопереноса (обмена) со средой или специальными устройствами (ввода-вывода, теплообмена, экранирования и т. п.), а также человеком-оператором.

Особенности конструкции РЭА определяются областью ее использования (объектом-носителем), схемотехническим назначением, используемыми элементной и конструктивной базами.

1,2. ОБЛАСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЭА [2 ... 5]

Области использования и объекты-носители РЭА определяют параметры конкретного микроклимата в месте расположения РЭА. Легче всего обеспечить нормальную работу РЭА в отапливаемых помещениях в стационарных условиях. Стационарная и переносная РЭА, предназначенная для работы на поверхности зем-

ли, должна иметь в конструкции защитные корпуса с уплотнением и элементную базу, обеспечивающую нормальную работу при воздействии климатических факторов.

Возимая РЭА для наземных транспортных средств подвергается воздействию вибраций, ударов и ускорений, Возможно воздействие пыли, паров бензина и масел.

Корабельная РЭА требует использования влагонепроницаемых корпусов и уплотнения осей органов управления.

Самолетная и вертолетная РЭА должна работать при пониженном атмосферном давлении, воздействии росы и инея, тумана, вибраций, ударов и других воздействий, определяемых конструкцией самолета и вертолета. Наиболее тяжелыми могут быть условия работы ракетной и космической РЭА.

Поэтому при разработке конструкции РЭА необходимо знание особенностей объектов-носителей и климатических условий местности эксплуатирования РЭА, которые оказывают существенное влияние иа конструктивно-компоновочные параметры РЭА, на выбор материалов элементной и конструктивной базы.

1.3. НАЗНАЧЕНИЕ РЭА [2]

В настоящее время РЭА используется для связи, управления, навигации, различных научных иссле-доваиин и в производстве. Суть ее работы и определяющие факторы следующие.

1.3. Назначение РЭА

Радио-, оптическая и проводная связь - передача радиосигналов от одного абонента к другому по радио, оптическим или проводным линиям связи. Должна обеспечивать много-канальность, беспоисковое вхождение в связь, помехозащищенность от атмосферных и искусственных помех. При наличии промежуточных приемопередающих устройств получают радиорелейные линии связи.

Радиовещание и телевидение - передача речевых, музыкальных и визуальных ознакомительных или развлекательных сообщений большим группам людей. Должны обеспечивать достаточную дальность действия, число каналов и высокое качество воспроизведения сигналов (моно-, стерео- или квадрофоническое для акустических, черно-белое, цветное и объемное для визуальных). Могут использоваться для специальных целей в условиях работы промышленных, зрелищных, медицинских и других организаций (диспетчерские устройства связи, промышленное и медицинское телевидение, специальные звуковые эффекты и т. п.).

Радиоуправление - управление по эфиру или проводам с помощью радиосигналов промышленными, научными или военными объектами. Должно обеспечить простоту, точность и скрытность управления.

Радиотелеметрия - получение информации о работе и состоянии объектов и людей с помощью специальных промежуточных преобразователей и линий связи. Аппаратура должна обеспечивать точность, быстродействие и быть (особенно для малогабаритных объектов) малогабаритной и экономичной.

Радиометеорология - получение информации, в основном, с помощью специально оснащенных ИСЗ (например, Метеор , Нимбус ) и наземных комплексов об облачности, температуре, различных образованиях и других факторах на поверхности Земли, определяющих погоду. Должна обеспечивать точность и своевременность получения метеоинформации.

Радиолокация - определение координат и характеристик объекта активными (источники импульсного или непрерывного излучения в со-

ставе РЛС) или пассивными (источ ник радио- или теплового излучения сам объект) методами. Должна обеспечивать точность и достоверность работы, особенно в условиях пассивных или активных помех.

Радионавигация - особо точное определение координат объекта с помощью специальных источников радиоизлучения с точно известными координатами (например, береговые радиовещательные или специальные станции). Обеспечивает большую точность (особенно на больших расстояниях) по сравнению с радиолокацией.

Радиоастрономия - получение информации о космических объектах с помощью приема и анализа их радиоизлучения. Так как ширина радиоокна в атмосфере намного больше оптического, то и количество информации тоже намного больше. Должна обеспечивать наивысшую чувствительность и широкополос-ность системы, ибо ими определяется количество получаемой информации.

Медицинская радиоэлектроника - использование методов и средств радиоэлектроники в биомедицинских исследованиях, в качестве электронных стимуляторов деятельности отдельных органов человека, в создании протезов и диагностических систем. Должна обеспечивать высокую эффективность при минимальном нежелательном воздействии на организм и простом обслуживании.

Радиоизмерения - создание и использование специальных устройств для измерения или имитации различных сигналов, преимущественно электромагнитной природы. Должны обеспечивать требуемую точность, стабильность, уровень и быстродействие во всех научных исследованиях, для которых предназначены измерительные приборы или комплексы, включая, в частности, наручные электронные часы, средства комплексного контроля и другие подобные устройства. Должны проводиться с минимальным влиянием на параметры контролируемой цепи.

Устройства обработки данных - обычно являются частью более сложных радиосистем или систем автоматизированного управления (АСУ), но могут быть выполнены и в виде

1. Классифихация РЭА

1.4. Схемотехническая (элементная) база РЭА

самостоятельных систем вида электронных цифровых, аналоговых иликлавишных вычислительных машин (ЦЭВМ или просто ЭВМ, АЭВМ и ЭКВМ). Должны обеспечивать простоту ввода и вывода данных, точность, бесшумность и надежность работы.

Устройства записи и воспроизведения сигналов - приспособления для записи и воспроизведения акустических, визуальных и специальных сигналов на проволочных, ленточных, дисковых, плоских ферромагнитных (магнитная запись), оптических (в том числе голографиче-ская запись) и других по форме и физической природе носителях (в виде магнитофонов, радиол, ЗУ ит. п.). Должны обеспечивать в первую очередь требуемое качество и простоту управления. Для специальных устройств (например, ЗУ) могут предъявляться требования разного быстродействия при записи и воспроизведении.

Устройства энергетического характера - приспособления для непосредственного воздействия на свойства материалов или объект управления (некоторые устройства квантовой электроники, используемые в технологии микросхем, высокочастотная закалка, аппаратура физиотерапии, специальные выходные устройства управления и т. п.). Должны обеспечивать избирательное энергетическое воздействие в соответствии с назначением. Их часто (как и некоторые электромеханические и фотооптические устройства) не включают в радиоэлектронику.

Рассмотрение характерных областей использования радиоэлектроники показывает, что она, в основном, предназначена для решения разнообразных информационных задач. Этим определяется как математический аппарат радиоинженера, так и используемые им физические модели.

1.4. СХЕМОТЕХНИЧЕСКАЯ (ЭЛЕМЕНТНАЯ) БАЗА РЭА f2 ... 4]

Антенны применяются для излучения и приема энергии электромагнитных колебаний в диапазоне ча-

стот 10* ... 10 Гц. Чтобы повысить эффективность работы антенн (направленность, чувствительность), необходимо иметь размеры антенн значительно больше рабочей длины волны, поэтому в диапазоне частот 10* ... 10 Гц даже при объемах антенн ~ 10° м эффективная площадь антенн оказывается незначительной, а диаграммы направленности весьма широкими. В диапазоне частот 10* ... Ю Гц возможно формирование весьма узких диаграмм направленности, что повышает дальность действия РЭА. Для малогабаритной переносной аппаратуры применяют малогабаритные магнитные и штыревые антенны, качество которых зависит от размеров антенн (особенно это касается наружных антенн).

Элементы антенных трактов используются для передачи энергии от приемных или передающих антенн (излучателей) к входным устройствам или резонансным контурам различного типа приемников или передатчиков либо обратно. В диапазоне частот 10* ... 10 Гц в качестве таковых используют специальные экранированные гибкие высокочастотные кабели и коаксиальные линии, на более высоких частотах - специальные коаксиальные кабели и коаксиальные линии, в диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн - волноводы, в оптическом диапазоне - световоды. Кроме того, элементы антенных трактов используются для коммутации, согласования элементов с разным волновым сопротивлением, в виде фильтрующих и переходных элементов с различными электрическими и механическими (например, вращающиеся соединения) свойствами.

Резонансные контуры служат для создания резонансных эффектов тока (последовательный контур) или напряжения (параллельный контур). Могут быть выполнены из комбинаций индуктивностей и емкостей (дискретные элементы колебательных контуров в диапазоне частот 10* ... ... 1№ Гц), в виде контуров переходного типа (дециметровый диапазон), в виде объемных резонаторов (сантиметровый и миллиметровый диапазоны). Колебательные контуры из дискретных элементов и переходно-

го типа часто требуют использования внешних экранов, которые увеличивают объем контура в 3 ... 4 раза (при приемлемом уменьшении добротности контура).

Резисторы применяются для снижения напряжения, силы тока, стабилизации режимов и сопротивлений нагрузки. Могут быть металлопле-ночные, композиционные, объемные и проволочные, что определяется схемными требованиями и условиями эксплуатации. В микросхемах резисторы выполняются в виде пленочных или объемных элементов на подложке или в толще кристалла. Являются основными источниками тепловыделений в РЭА.

Конденсаторы используются для разделения цепей по постоянному току (бумажные, пленочные и, частично, электролитические), в частотно-задающих цепях (керамические, слюдяные), в блокирующих и накопительных. Тепловые потери, как правило, столь незначительны, что ими при решении конструкторских задач можно пренебречь. Высоковольтные конденсаторы требуют увеличения объема пространства при компоновке из-за увеличения градиента потенциала и приближения его значений к пробойньги. Конденсаторы переменной емкости требуют особой формы пластин для обеспечения заданных функциональных связей емкости с перемещением ротора и, в ряде случаев, весьма точных механизмов привода и качества их выполнения (особенно в измерительных устройствах).

Индуктивные элементы применяются для образования резонансных контуров и трансформаторов (как в высокочастотных цепях, так и в силовых и цепях управления). Выполняются в виде отдельных катушек индуктивности или их разнообразных комбинаций. Для уменьшения габаритов используют различные ферромагнитные сердечники из ферритов, никелевых сплавов, трансформаторной стали. При наличии постоянного тока подмагничива-ния часто используют сердечник с воздушным зазором.

Электронные лампы служат для преобразования энергии анодных источников питания в энергию выходных сигналов с помощью управления

электронным газом в цепях управляющих сеток. Для формирования потока электронного газа требуют наличия накальных цепей, обладающих весьма низкими энергетическими характеристиками за счет многократных преобразований энергии накальных источников питания в энергию электронного газа. Могут иметь два (катод и анод) или больше основных электродов (комбинированные лампы). Влияние выходных цепей на входные цепи очень слабое, что важно для работы ряда электронных схем. Лампы в каскадах преобразования и усиления маломощных сигналов высокой и низкой частоты практически всю энергию питания (анодных и накальных цепей) обращают в тепло, мощные генераторные лампы и лампы выходных каскадов усилителей могут иметь к. п. д. по анодным цепям до 0,5 и несколько выше.

Полупроводниковые приборы предназначены для тех же целей, что и электронные лампы. Отличаются большей экономичностью (за счет отсутствия цепей накала), могут быть в виде многоэлектродных композиций (в том числе и с дискретными миниатюрными резисторами и конденсаторами), образующих широкий класс различных микросхем, либо в виде дискретных элементов типа диодов и транзисторов. Влияние выходной цепи на входную весьма велико, что часто является причиной существенного усложнения схемы устройства. Весьма малогабаритны, прочны, обладают большим сроком службы.

Входные и выходные преобразователи служат для преобразования механических (ларингофоны, звукосниматели), акустических (микрофоны), магнитных (записывающие магнитофонные головки) или оптических (фотопреобразователи, иконоскопы) сигналов в электрические и наоборот (рекордеры, телефоны и громкоговорители, воспроизводящие магнитные головки, кинескопы и люминесцентные устройства). Это обширный и расширяющийся класс преобразователей, используемых в современной РЭА. Ларингофоны преобразуют механические колебания голосовых связок в электрические сигналы, источником механических ко-

Поиолетя РЭА I I Ш Ж 1

Систем Аппарат

Бло/<

Узел

Элемент

Дис/temme 7

Степень интеграции элементов в и С

Рис. 1.2. Относительная доля участия радиоинженера-схемотехника и инженера-разработчика интегральных микросхем а проектировании элементов, узлов, блоков, аппаратов и систем РЭА. Раньше при разработке дискретных электрорадиоэлементов радиоинженер н разработчик радиодеталей имели одинаковый вес, теперь это равенство сохраняется только на уровне систем РЭА 5-го поколения

лебаннй иглы головки звукоснимателя является звуковая бороздка моно- или стереофонического характера. Микрофоны преобразовывают акустические колебания воздуха (и мембраны микрофона), записывающие магнитные головки - изменение намагниченности носителя, фотопреобразователи и иконоскопы - изменение яркости и цветности. В телефонах и громкоговорителях, воспроизводящих магнитных головках, кинескопах и люминесцентных индикаторах - преобразование обратного характера.

Коммутационные устройства применяются для легкоразъемного соединения и разъединения электрических цепей. Выполняются в виде электрических разъемов, тумблеров, кнопок, переключателей (механический привод управления коммутацией), реле, контакторов, магнитных контактов (электрическое управление). Используются для внутренних электрических соединений модулей и узлов РЭА друг с другом и с печатной платой-основанием, внешних электрических соединений РЭА в целом и различных видов коммутации. Габариты тем больше, чем выше напряжение

1. Классификация РЭА

коммутации или разрывная мощность контактов.

Электрические контакты служат для электрического соединения выводов элементов схемы друг с другом. Выполняются в виде соединительных проводников, монтажных жгутов, многожильных и высокочастотных кабелей, плоских гибких кабелей (шлейфов), печатных плат. Проводники, полученные методом осаждения, менее надежны. Наименее надежным элементом электрического соединения является стык двух проводников в виде пайки, сварки, накрутки. Весьма сложно выполнять особо гибкие надежные соединения.

В настоящее время особенности конструкции РЭА характеризуют степенью интеграции схемных элементов, полагая для общности нулевой степень интеграции РЭА на дискретных элементах.

Степень интеграции схемных элементов в конструкциях РЭА принято оценивать номером поколения от О до 5, начиная с использования дискретных электровакуумных или полупроводниковых приборов, резисторов, конденсаторов и других ЭРЭ и кончая устройствами молекулярной электроники (рис. 1.2).

РЭА нулевого поколения - набор дискретных элементов, схема соединений которых выполняется радиоинженером, определяющим и функциональную, и принципиальную схему РЭА. Конструктивно выполняются на общих или отдельных модулированных платах, преимущественно с печатным монтажом и с разнообразным расположением в объеме РЭА.

РЭА 1 и 2 поколений - набор микросхем (иногда с дополнительными дискретными элементами), имеющих степень интеграции 1 ... 2 (10 ... 10 элементов в корпусе). В этом случае схемотехническое решение на уровне функционального узла определяется в основном разработчиком интегральной микросхемы (ИС), который оказывает влияние и на схемотехническое решение блока. Радиоинженер, в основном, определяет схемотехнику РЭА только от уровня блока и выше. Конструктивно РЭА выполняется в виде плоских листов - плат с ИС в виде этажероч-ных, книжных, веерных и т. п. конструкций.

1.5. Конструктивная база

РЭА 3 и 4 поколений - набор микросхем (практически без дополнительных дискретных элементов), имеющих степень интеграции 3 ... 4(№ ... 10 элементов в одном корпусе). Схемотехника узла и, в основном, блока - в руках разработчика ИС. Радиоинженер определяет схемотехнику только на уровне аппарата и системы в целом. Конструктивно выполнение аналогично РЭА 2 и 3 поколений с жесткой унификацией размерно-параметрических рядов по классам изделий.

РЭА 5 поколения - функциональная или системная микроэлектроника, когда в одном корпусе ИС может быть свыше 10 элементов. Схемотехника блока и, в основном, аппарата - в руках разработчика ИС. Радиоинженер определяет только системотехнику сложной системы. Конструктивное выполнение определяется либо в каждом частном случае (например, ЭКВМ, в которой составными элементами являются БИС, клавиатура, индикатор и корпус), либо для унифицированных размерно-параметрических рядов несущих конструкций широкого профиля.

При дальнейшем повышении степени интеграции и повышении плотности компоновки ИС в РЭА необходимо в каждом случае учитывать выпуск изделия (массовость) и возможную стоимость его, выбирать рациональную степень интеграции в ИС (чем она выше, тем больше будет типоразмеров ИС и затруднительнее выпуск), рассчитывать на ранних стадиях проектирования тепловые режимы РЭА (чем выше плотность компоновки ИС в РЭА, тем больше объем, сложность и Энергопотребление систем обеспечения тепловых режимов), предусматривать новое технологическое оснащение для выполнения соединений на разных уровнях (число точек соединений может доходить до 10 ... 10 )

1.5. КОНСТРУКТИВНАЯ БАЗА [2...5]

Конструктивной базой называют совокупность механических элементов конструкции РЭА, обеспечивающих механическую прочность и защиту от дестабилизирующих воздей-

ствий, а также механическое управление РЭА. Так же как и для элементной базы в конструктивной базе принято различать иерархические уровни от низшего в виде печатной платы или панели (которые могут быть не только конструктивным элементом, но и полем электрических соединений) до сложных размерно-параметрических рядов корпусов изделий.

Механические устройства управления выполняются в виде кнопок, рычагов (головок тумблеров) и ручек, с помощью которых обеспечивается плавное или скачкообразное вращательное и поступательное перемещение рабочих органов регуляторов (резисторов, конденсаторов и т. п.). В ряде случаев механические устройства управления выполняются в виде ножных педалей.

Электромеханические устройства служат для электрического управления механизмами РЭА и для повышения их динамичности. Включают в себя электродвигатели различных типов, сельсины, электромагнитные муфты и т. п. устройства, используемые в механизмах настройки, антенных приводах, механизмах протяжки, знакопечатающих и др.

Механизмы применяют для механического перемещения рабочих элементов устройств настройки и других отсчетных приспособлений, облучателей и антенных зеркал, дисковых и пленочных носителей информации, механических устройств ввода и вывода. Очень часто включают в себя разнообразные электромеханические устройства.

Несущие конструкции предназначены для механического закрепления, защиты и обеспечения доступности схемных элементов при сборке и эксплуатации РЭА. Выполняются в виде шкафов, кожухов, блоков, плат, специальных направляющих и т. п. устройств. Нередко выполняются в виде модулированных элементов, являющихся основой размерно-параметрических типовых рядов изделий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Брон О. Б. Электромагнитное поле как вид материи, - М.; ГЭИ, 1962.