Патент на изобретение №2172080
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) РАДИОЭЛЕКТРОННЫЙ БЛОК
(57) Реферат: Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано при конструировании радиоэлектронных блоков, осуществляющих прием и обработку сигналов спутниковых радионавигационных систем. Технический результат – устранение паразитных наводок и наведенных помех в условиях, когда на многослойной печатной плате радиоэлектронного блока размещаются электрорадиоэлементы различной степени интеграции, работающие с аналоговыми и цифровыми сигналами в диапазоне частот от тысяч мегагерц до единиц герц, при этом для питания радиоэлектронного блока используется один внешний источник питания. Радиоэлектронный блок содержит многослойную печатную плату с числом проводящих слоев N  6, в которой на наружных первом и N-м проводящих слоях размещены печатные проводники, контактные площадки и электрорадиоэлементы, сгруппированные по М зонам. Первая из М зон – зона функционального размещения аналоговых электрорадиоэлементов, последующие М-1 зон – зоны функционального размещения цифровых электрорадиоэлементов. Земляные плоскости первой зоны расположены в двух внутренних проводящих слоях – втором и (N-1)-м, соседствующих с наружными первым и N-м проводящими слоями. Земляные плоскости третьей и последующих зон расположены в одном из внутренних проводящих слоев, соседствующем с первым или N-м наружным проводящим слоем. Земляные плоскости третьей и последующих зон связаны по печати друг с другом и расположенной в этом же проводящем слое земляной плоскостью первой зоны. Между вторым и (N-1)-м проводящими слоями в i-м проводящем слое располагаются проводники питания первой зоны, а в j-м проводящем слое, где j i, располагаются плоскости цифрового питания третьей и последующих зон. Электрические связи между зонами осуществляются посредством печатных проводников, расположенных преимущественно на наружном проводящем слое, соседствующем с внутренним проводящим слоем, в котором расположены земляные плоскости всех зон. Межслойные соединения печатных проводников осуществляются посредством металлизированных отверстий межслойных соединений. Плоскости цифрового питания третьей и последующих зон и земляная плоскость последней зоны электрически связаны с размещенными на одном из наружных проводящих слоев соответственно контактными элементами “Питание” и “Земля” – элементами подвода напряжения питания от внешнего источника питания. С контактными элементами “Питание” и “Земля” непосредственно связаны выводы первого элемента для фильтрации питания. Проводники питания второй зоны, в которой осуществляется преобразование в цифровой вид аналоговых сигналов, поступающих из первой зоны, размещены в том же проводящем слое, что и проводники питания первой зоны. Проводники питания второй зоны выполнены в виде печатных проводников, расходящихся из общей точки, электрически связанной с выходным выводом второго элемента для фильтрации питания, который размещен на наружном проводящем слое в одной из последующих зон и связан другими своими выводами – входным и земляным – соответственно с плоскостью цифрового питания и земляной плоскостью зоны своего размещения. Проводники питания первой зоны выполнены в виде печатных проводников, расходящихся из общей точки, электрически связанной с выходным выводом третьего элемента для фильтрации питания, который размещен на наружном проводящем слое во второй зоне и связан другими своими выводами – входным и земляным – соответственно с выходным выводом второго элемента для фильтрации питания и земляной плоскостью второй зоны. 5 з.п.ф-лы, 10 ил.
Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано при конструировании радиоэлектронных блоков, осуществляющих прием и обработку сигналов спутниковых радионавигационных систем (СРНС) “ГЛОНАСС” и “GPS” в целях определения местоположения по сигналам СРНС, определения точного времени, осуществления временной синхронизации, выделения служебной информации, относящейся к функционированию СРНС. Особенностью конструирования радиоэлектронных блоков, осуществляющих прием и обработку сигналов СРНС, является необходимость использования в них разнородных функциональных узлов – различных аналоговых сверхвысокочастотных и высокочастотных схем, реализующих процессы приема и частотного преобразования широкополосных шумоподобных радиосигналов СРНС, а также различных цифровых устройств – корреляторов, синтезаторов, синхронизаторов, процессоров, реализующих процессы корреляционного поиска, слежения и цифровой обработки принимаемых сигналов [1, c. 112, рис. 47; с. 126, рис. 64]. При этом, при практической реализации таких радиоэлектронных блоков могут использоваться электрорадиоэлементы, имеющие различную степень интеграции, например дискретные электрорадиоэлементы, микросхемы малой, средней и большой степени интеграции. В связи с объединением в рамках одной конструкции указанных разнородных функциональных узлов и элементов, к тому же работающих с сигналами, существенно отличающимися по частоте, возникает задача обеспечить их электромагнитную совместимость, исключить взаимное влияние друг на друга и уменьшить уровень паразитных наводок и наведенных помех. Одним из известных путей конструкторского решения этой задачи является разработка многоблочных (многоплатных) конструкций, где на отдельных печатных платах группируются электрорадиоэлементы, относящиеся к близким (однородным) функциональным группам, которые характеризуются близкими по виду и частоте сигналами, как например в известных конструкциях [1, с. 112, рис. 47], [2]. При этом проблемы уменьшения паразитных наводок и наведенных помех решаются достаточно простыми техническими средствами, основанными на межплатном экранировании. Очевидно, однако, что такой путь связан с увеличением массогабаритных характеристик разрабатываемых конструкций. В тех случаях, когда массогабаритные характеристики важны, разрабатываются моноблочные конструкции, объединяющие в рамках одного радиоэлектронного блока разнородные функциональные узлы и элементы, как например в радиоэлектронном блоке навигационного приемника-процессора сигналов СРНС, описанном в [1, с. 132, рис. 69]. Для решения возникающих при этом проблем, связанных с паразитными наводками и наведенными помехами, могут использоваться известные конструкторские приемы, заключающиеся, в частности, в установке дополнительных внешних согласующих элементов, связывающих элементы печатной платы с корпусом блока, как например в [3], в особом размещении сигнальных проводников на печатной плате, как например в [4], [5, с. 112-115], в особом расположении земляных проводников и проводников питания, как например в [5, с. 113-114]. Достигаемый при этом результат уменьшения паразитных наводок и наведенных помех тем выше, чем меньше разница между частотами сигналов, обрабатываемых в блоке, и чем выше степень интеграции электрорадиоэлементов блока. Типичным примером конструкторского решения задачи уменьшения паразитных наводок и наведенных помех при реализации радиоэлектронного блока на одной многослойной печатной плате является радиоэлектронный блок, описанный в [6, с. 258-261, рис. 12.2]. Этот радиоэлектронный блок содержит многослойную печатную плату с числом проводящих слоев N 6, в которой на наружных первом и N-м проводящих слоях печатной платы размещены контактные площадки и электрорадиоэлементы, а сигнальные печатные проводники, проводники питания и земляные проводники расположены во внутренних проводящих слоях печатной платы. При этом земляные проводники (проводники потенциалов “Земля”) и проводники питания (проводники потенциалов “Питание”) расположены в разных внутренних проводящих слоях печатной платы, например в четвертом и пятом слоях соответственно для случая десятислойной (N = 10) печатной платы. Земляные проводники и проводники питания при этом выполнены в виде металлизированных земляных плоскостей и плоскостей питания с окнами вокруг металлизированных отверстий межслойных соединений, не связанных электрически с этими плоскостями. Такая конструкция радиоэлектронного блока позволяет решить задачу уменьшения паразитных наводок и наведенных помех в условиях, когда в радиоэлектронном блоке используются однородные электрорадиоэлементы, работающие с сигналами, близкими по частоте, как например в случае цифровой ЭВМ.
Наиболее близким к заявляемому радиоэлектронному блоку является радиоэлектронный блок, описанный в [7], в котором решается задача устранения паразитных наводок и наведенных помех в условиях, когда на одной многослойной печатной плате, например плате навигационного приемника-процессора сигналов СРНС, размещаются разнородные функциональные элементы различной степени интеграции, реализующие процессы обработки сигналов на частотах от тысяч мегагерц на входе блока до единиц герц на выходе блока.
Радиоэлектронный блок, описанный в [7], принят в качестве прототипа. Радиоэлектронный блок-прототип содержит многослойную печатную плату с числом проводящих слоев N 6, в которой на наружных первом и N-м проводящих слоях размещены печатные проводники, контактные площадки и электрорадиоэлементы, а земляные проводники и проводники питания расположены в разных внутренних проводящих слоях печатной платы.
Электрорадиоэлементы, размещенные на печатной плате, сгруппированы по М функциональным зонам, первая из которых является зоной функционального размещения аналоговых электрорадиоэлементов, а последующие М-1 зон – зонами функционального размещения цифровых электрорадиоэлементов.
Земляные проводники функциональных зон выполнены в виде металлизированных земляных плоскостей, расположенных на печатной плате в соответствии с расположением этих зон.
Земляные плоскости первой зоны, т.е. зоны функционального размещения аналоговых электрорадиоэлементов, расположены в двух внутренних проводящих слоях печатной платы – втором и (N-1)-м проводящих слоях, соседствующих с наружными первым и N-м проводящими слоями. Земляные плоскости всех последующих М-1 зон, т. е. зон функционального размещения цифровых электрорадиоэлементов, расположены в одном из внутренних проводящих слоев печатной платы, соседствующем с первым или N-м наружным проводящим слоем. Земляные плоскости М-1 зон связаны печатными перемычками друг с другом, а также с расположенной в том же проводящем слое земляной плоскостью первой зоны.
Проводники питания функциональных зон выполнены в виде металлизированных плоскостей питания и расположены в соответствии с расположением функциональных зон во внутренних проводящих слоях печатной платы, свободных от земляных плоскостей, т.е. между вторым и (N-2) проводящими слоями. При этом проводники питания первой зоны размещены в i-м проводящем слое печатной платы, свободном от размещения проводников питания других зон, например в слое, соседствующем с вторым или (N-1)-м проводящим слоем, а проводники питания остальных зон расположены в j-м проводящем слое, где i j.
Электрические связи между функциональными зонами осуществляются посредством сигнальных печатных проводников связи, расположенных на наружном проводящем слое печатной платы, соседствующем с внутренним проводящем слоем, в котором расположены земляные плоскости всех функциональных зон. Расположение печатных проводников связи на указанном наружном проводящем слое является преимущественным и предпочтительным. Расположение проводников связи в этом слое позволяет реализовать в наибольшей степени эффект их защитной экранировки земляными проводниками (земляными перемычками), располагающимися под сигнальными проводниками, и максимально минимизировать длину возвратного (обратного) земляного участка для возвратного контура цепи прохождения сигнала по проводнику связи. В блоке-прототипе в качестве таких экранирующих земляных проводников выступают, в частности, земляные перемычки шириной не менее 1 мм, связывающие между собой земляные плоскости функциональных зон.
Межслойные соединения печатных проводников осуществляются посредством металлизированных отверстий межслойных соединений. В случае, когда металлизированные отверстия межслойных соединений, не связанные электрически с земляными плоскостями или плоскостями питания, проходят через эти плоскости, в этих плоскостях выполняются соответствующие окна, лишенные металлизации.
В блоке-прототипе реализован принцип раздельного (по функциональным зонам) электропитания. Для осуществления этого в каждой из М зон на одном из наружных проводящих слоев печатной платы выполнены связанные с соответствующими плоскостями питания этих зон контактные элементы для подключения к внешним источникам питания.
Конструкция блока-прототипа обеспечивает возможность реализации, в частности, навигационного приемника-процессора, работающего по сигналам СРНС “ГЛОНАСС” и “GPS”. При этом сигналы, обрабатываемые в первой функциональной зоне печатной платы, представляют собой аналоговые широкополосные шумоподобные радиосигналы СРНС с частотами от 1200 МГц до 1700 МГц. Эти сигналы преобразуются в первой функциональной зоне печатной платы с понижением несущей частоты до десятков мегагерц. Далее эти сигналы в соответствующих функциональных зонах печатной платы подвергаются многоканальной корреляционной обработке, обработке в цифровом процессоре и преобразованию в интерфейсных элементах. Сигналы опорных и гетеродинных частот, используемые при обработке и преобразовании сигналов СРНС в блоке-прототипе, формируются в соответствующей функциональной зоне.
Таким образом, в блоке-прототипе сигналы СРНС в процессе своей обработки переходят от одной функциональной зоны печатной платы к другой, претерпевая изменения по частоте от тысяч мегагерц на входе первой функциональной зоны (зоны размещения аналоговых электрорадиоэлементов) до единиц герц на выходе последней функциональной зоны (зоны размещения интерфейсных электрорадиоэлементов). Переход сигналов от одной функциональной зоны к другой осуществляется по сигнальным проводникам связи, экранирование которых осуществляется посредством расположенных под ними участков земляных плоскостей и земляных перемычек, связывающих земляные плоскости между собой. Ширина земляных печатных перемычек (не менее 1 мм) выбрана из условия минимизации потерь в возвратных контурах цепей прохождения сигналов и снижения их восприимчивости к воздействию излучений и перекрестных помех за счет исключения неоптимальных токовых путей, обладающих дополнительной индуктивностью. На минимизацию потерь в возвратных контурах цепей прохождения сигналов, а также цепей распределения питания положительно влияет указанное выполнение металлизированных земляных плоскостей и металлизированных плоскостей питания каждой из функциональных зон, за счет которого обеспечивается формирование наиболее оптимальных возвратных цепей, соответствующих сигнальным цепям, исключается образование паразитных токовых контуров, характеризуемых паразитными индуктивностями и восприимчивостью к помехам. Все это позволяет в блоке-прототипе решить задачу устранения паразитных наводок и наведенных помех в условиях, когда на многослойной печатной плате блока размещаются разнородные электрорадиоэлементы различной степени интеграции, работающие с разнородными сигналами (аналоговыми и цифровыми) в диапазоне частот от тысяч мегагерц на входе блока до единиц герц на выходе блока.
Особенностью блока-прототипа является то, что достижение требуемого результата по устранению паразитных наводок и наведенных помех, реализуемое за счет рассмотренных выше конструктивных мер, обеспечивается лишь при использовании раздельного (по функциональным зонам) электропитания. Однако требование раздельного электропитания приводит к необходимости разработки и применения отдельных источников питания, обеспечивающих необходимый для работы блока набор питающих напряжений, что сужает область возможного применения блока- прототипа.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение паразитных наводок и наведенных помех в условиях, когда на многослойной печатной плате радиоэлектронного блока размещаются разнородные функциональные элементы различной степени интеграции, работающие с разнородными сигналами (аналоговыми и цифровыми) различных частот (от тысяч мегагерц на входе до единиц герц на выходе), при этом для питания радиоэлектронного блока используется один внешний источник питания.
Решение поставленной задачи позволяет конструировать малогабаритную радиоэлектронную аппаратуру для широкого круга потребителей, осуществляющую прием и обработку сигналов СРНС “ГЛОНАСС” и “GPS” в целях определения местоположения и точного времени, осуществления временной синхронизации и выделения служебной информации, относящейся к функционированию СРНС. В частности, решение поставленной задачи позволяет конструировать малогабаритные (карманные) потребительские навигационные приемники-процессоры сигналов СРНС “ГЛОНАСС” и “GPS”, предназначенные для массового применения.
Сущность изобретения заключается в том, что в радиоэлектронном блоке, содержащем многослойную печатную плату с числом проводящих слоев N 6, в которой на наружных первом и М-м проводящих слоях размещены печатные проводники, контактные площадки и электрорадиоэлементы, сгруппированные по М зонам, первая из которых является зоной функционального размещения аналоговых электрорадиоэлементов, а также высокочастотного соединителя для подключения приемной антенны, а последующие М-1 зон являются зонами функционального размещения цифровых электрорадиоэлементов, причем земляные плоскости первой зоны расположены в двух внутренних проводящих слоях – втором и (N-1)-м проводящих слоях, соседствующих с наружными первым и N-м проводящими слоями, земляные плоскости всех последующих М-1 зон расположены в одном из внутренних проводящих слоев, соседствующем с первым или N-м наружным проводящим слоем, земляные плоскости М-1 зон связаны земляными печатными проводниками друг с другом и с расположенной в этом же проводящем слое земляной плоскостью первой зоны, при этом i-й проводящий слой, в котором располагаются проводники питания первой зоны, и j-й проводящий слой, в котором располагаются выполненные в виде плоскостей цифрового питания проводники питания третьей и последующих зон, где j i, расположены между вторым и (N-1)-м проводящими слоями, электрические связи между М зонами осуществляются посредством печатных проводников, расположенных преимущественно на наружном проводящем слое, соседствующем с внутренним проводящим слоем, в котором расположены земляные плоскости всех М зон, а межслойные соединения печатных проводников осуществляются посредством металлизированных отверстий межслойных соединений, плоскости цифрового питания третьей и последующих зон и земляная плоскость последней M-й зоны электрически связаны с размещенными на одном из наружных проводящих слоев соответственно контактными элементами “Питание” и “Земля” – элементами подвода напряжения питания к многослойной печатной плате от внешнего источника питания, при этом с контактными элементами “Питание” и “Земля” непосредственно связаны выводы первого элемента для фильтрации питания, проводники питания второй зоны, в которой осуществляется преобразование в цифровой вид аналоговых сигналов, поступающих из первой зоны, размещены в том же проводящем слое, что и проводники питания первой зоны, при этом проводники питания второй зоны выполнены в виде печатных проводников, расходящихся из общей точки, электрически связанной с выходным выводом второго элемента для фильтрации питания, который размещен на наружном проводящем слое в одной из последующих М-2 зон при количестве зон М не менее пяти и связан другими своими выводами – входным и земляным – соответственно с плоскостью цифрового питания и земляной плоскостью зоны своего размещения, а проводники питания первой зоны выполнены в виде печатных проводников, расходящихся из общей точки, электрически связанной с выходным выводом третьего элемента для фильтрации питания, который размещен на наружном проводящем слое во втором зоне и связан другими своими выводами – входным и земляным – соответственно с выходным выводом второго элемента для фильтрации питания и земляной плоскостью второй зоны.
В частных случаях реализации заявляемого радиоэлектронного блока земляные плоскости третьей и последующих зон функционального размещения цифровых электрорадиоэлементов конструктивно объединены в общую для этих зон земляную плоскость, плоскости цифрового питания третьей и последующих зон функционального размещения цифровых электрорадиоэлементов конструктивно объединены в общую для этих зон плоскость цифрового питания, первый элемент для фильтрации питания выполнен в виде фильтрующего конденсатора, второй элемент для фильтрации питания выполнен в виде проходного конденсатора, а третий элемент для фильтрации питания выполнен в виде проходного фильтра, реализующего функцию T-образного LC фильтра.
Сущность изобретения, его реализуемость и возможность промышленного применения поясняются на примере конструкции радиоэлектронного блока навигационного приемника-процессора сигналов СРНС “ГЛОНАСС” и “GPS”, реализованного на многослойной печатной плате с шестью проводящими слоями (N = 6), что проиллюстрировано на чертежах, представленных на фиг. 1 – 10.
На фиг. 1 представлен вид в разрезе шестислойной печатной платы в рассматриваемом примере реализации (расположение печатных проводников и металлизированных отверстий межслойных соединений – условное);на фиг. 2 – пример, иллюстрирующий в рассматриваемом примере реализации группировку электрорадиоэлементов, смонтированных в наружном первом проводящем слое в пяти последовательно расположенных зонах (вид со стороны электрорадиоэлементов первого проводящего слоя, печатные проводники условно не показаны); на фиг. 3 – пример, иллюстрирующий в рассматриваемом примере реализации группировку электрорадиоэлементов, смонтированных в наружном шестом проводящем слое в пяти последовательно расположенных зонах (вид со стороны первого проводящего слоя, слои условно прозрачные, печатные проводники условно не показаны); на фиг. 4 – пример рисунка печати наружного первого проводящего слоя в рассматриваемом примере реализации; на фиг. 5 – пример рисунка печати внутреннего второго проводящего слоя в рассматриваемом примере реализации (вид со стороны первого проводящего слоя, слои условно прозрачные); на фиг. 6 – пример рисунка печати внутреннего третьего проводящего слоя в рассматриваемом примере реализации (вид со стороны первого проводящего слоя, слои условно прозрачные); на фиг. 7 – пример рисунка печати внутреннего четвертого проводящего слоя в рассматриваемом примере реализации (вид со стороны первого проводящего слоя, слои условно прозрачные); на фиг. 8 – пример рисунка печати внутреннего пятого проводящего слоя в рассматриваемом примере реализации (вид со стороны первого проводящего слоя, слои условно прозрачные); на фиг. 9 – пример рисунка печати наружного шестого проводящего слоя в рассматриваемом примере реализации (вид со стороны первого проводящего слоя, слои условно прозрачные); на фиг. 10 – пример, иллюстрирующий в рассматриваемом примере реализации взаимное положение и связи по печати в наружном первом проводящем слое элементов для фильтрации питания (элементы условно прозрачные). Заявляемый радиоэлектронный блок (фиг. 1 – 10) содержит многослойную печатную плату 1 с числом проводящих слоев N 6. В рассматриваемом примере реализации, имеющем практическое применение, многослойная печатная плата 1 выполнена шестислойной, т.е. имеет N = 6 проводящих слоев. Наружный первый проводящий слой 2 образует лицевую сторону шестислойной печатной платы, а наружный шестой проводящий слой 3 – тыльную сторону. Внутренние проводящие слои, а именно второй проводящий слой 4, третий проводящий слой 5, четвертый проводящий слой 6 и пятый проводящий слой 7, отделены друг от друга и от наружных проводящих слоев 2 и 3 изолирующими слоями 8 (фиг. 1).
В наружных проводящих слоях 2 и 3 (фиг. 1-4, 9) размещены контактные площадки 9, печатные проводники 10, электрорадиоэлементы 11, а также высокочастотный соединитель 12 для подключения приемной антенны и низкочастотные соединители 13 для подключения внешних устройств, в том числе внешнего источника питания.
Электрорадиоэлементы 11 смонтированы на многослойной печатной плате 1 по технологии поверхностного монтажа, что позволяет в максимальной степени микроминиатюризировать монтаж [8, с. 107].
Во внутренних проводящих слоях 4 – 7 размещены только печатные проводники (фиг. 5 – 8).
Межслойные соединения печатных проводников осуществляются посредством соответствующих металлизированных отверстий 14 межслойных соединений (на фиг. 1 выполнение металлизированных отверстий 14 показано условно). В случае, когда металлизированные отверстия межслойных соединений должны проходить через печатные проводники без электрического контакта с ними, в этих проводниках выполняются соответствующие окна, лишенные металлизации.
В рассматриваемом примере реализации радиоэлектронного блока – навигационном приемнике-процессоре сигналов СРНС – электрорадиоэлементы 11 сгруппированы последовательно по М = 5 зонам 15, 16, 17, 18, 19 (фиг. 2, 3).
Первая зона 15 является зоной функционального размещения аналоговых электрорадиоэлементов, осуществляющих преобразование входных аналоговых сигналов СРНС с понижением несущей частоты. В этой же зоне размещен и высокочастотный соединитель 12 (фиг. 2), предназначенный для подключения приемной антенны.
За счет соответствующей топологии, а также с помощью электрорадиоэлементов 11 в первой зоне 15 выполнены полосовые микрополосковые СВЧ фильтры, малошумящий СВЧ усилитель, полосовые фильтры на поверхностно акустических волнах, смесители, а также синтезаторы и формирователи тактовой и гетеродинных частот и опорный генератор. Электрорадиоэлементы первой зоны 15 представлены дискретными электрорадиоэлементами, электрорадиоэлементами низкой степени интеграции, например аналогичными микросхемам типа MGA-87563 фирмы HEWLETT-PACKARD (США) или MAAM 12021 М/A COM фирмы MOTOROLA (США) (малошумящие СВЧ усилители), а также электрорадиоэлементами средней степени интеграции, например аналогичными микросхемам типа LMX2330ATM фирмы MOTOROLA (США) (цифровой синтезатор), UPC2753 фирмы NEC (США) (преобразователь сигнала – усилитель), MC13142D фирмы Motorola (США) (смеситель), TXO255AR 10,00 MHz, 3V фирмы RAKON (США) (опорный генератор). Все указанные электрорадиоэлементы предназначены для поверхностного монтажа.
Последующие вторая 16, третья 17, четвертая 18 и пятая 19 зоны являются зонами функционального размещения цифровых электрорадиоэлементов.
Вторая зона 16 является зоной, где осуществляется преобразование в цифровой вид аналоговых сигналов СРНС, поступающих из первой зоны 15. В состав электрорадиоэлементов второй зоны 16 входят, например, компараторы средней степени интеграции, аналогичные микросхемам типа MAX962ESA фирмы MAXIM (США), предназначенным для поверхностного монтажа.
Третья зона 17 соответствует зоне размещения электрорадиоэлементов, осуществляющих многоканальное корреляционное преобразование сигналов СРНС. Преимущественно это электрорадиоэлементы сверхвысокой степени интеграции, аналогичные, например, цифровым корреляторам типа 1836ВЖ1, 1836ВЖ1-01 (Россия) или ASIC фирмы SAMSUNG (Корея), предназначенным для поверхностного монтажа.
Четвертая зона 18 соответствует зоне размещения элементов цифрового процессора. Преимущественно это электрорадиоэлементы сверхвысокой степени интеграции, аналогичные, например, цифровым процессорам типа TMC320C203P, TMS320 LC203PZA фирмы TEXAS INSTRUMENTS (США), а также электрорадиоэлементы большой степени интеграции, аналогичные, например, постоянным запоминающим устройствам типа KM616V1002AT-15 фирмы SAMSUNG (Корея). Все указанные электрорадиоэлементы предназначены для поверхностного монтажа.
Пятая зона 19 соответствует зоне размещения интерфейсных электрорадиоэлементов. Преимущественно это электрорадиоэлементы средней степени интеграции, аналогичные, например, микросхемам типа MAX3223EAP фирмы MAXIM (США), предназначенным для поверхностного монтажа. В пятой зоне 19 размещаются также низкочастотные соединители 13 (фиг. 2), предназначенные для подключения внешних устройств. На фиг. 2 показан вариант реализации радиоэлектронного блока с двумя низкочастотными соединителями 13, один из которых, расположенный вдоль длинной стороны многослойной печатной платы 1, используется для подключения контрольной и тестирующей аппаратуры.
Первой зоне 15 соответствуют на многослойной печатной плате 1 две земляные плоскости 20 и 21, которые расположены в двух внутренних проводящих слоях, соседствующих с наружными проводящими слоями. В рассматриваемом примере реализации радиоэлектронного блока на шестислойной (N = 6) печатной плате земляная плоскость 20 расположена во втором проводящем слое 4 (фиг, 5), соседствующем с первым наружным проводящим слоем 2, а земляная плоскость 21 – в пятом проводящем слое 7 (фиг. 8), соседствующем с наружным проводящим слоем 3.
Земляная плоскость 22 второй зоны 16 и земляные плоскости 23 последующих зон 17-19 функционального размещения цифровых электрорадиоэлементов расположены в одном из внутренних проводящих слоев, соседствующем с наружным проводящим слоем. В рассматриваемом примере реализации земляные плоскости 22, 23 второй и последующих зон расположены во втором проводящем слое 4, соседствующем с наружным проводящим слоем 2, т.е. в том же проводящем слое, что и земляная плоскость 20 первой зоны 15 (фиг. 5). Земляные плоскости 20, 22 и 23 всех пяти зон 15-19, расположенные во втором проводящем слое 4, связаны между собой (конструктивно и электрически) с помощью земляных печатных проводников. В рассматриваемом примере, имеющем преимущественное практическое применение, земляные плоскости 23 третьей 17, четвертой 18 и пятой 19 зон конструктивно объединены в общую земляную плоскость, которая связана с земляной плоскостью 22 второй зоны 16 с помощью земляных печатных проводников 24 (фиг. 5). Аналогично земляная плоскость 22 второй зоны 16 связана с земляной плоскостью 20 первой зоны 15 с помощью земляных печатных проводников 25 (фиг. 5). Ширина земляных печатных проводников 24, 25 обычно не менее 1 мм.
Проводники питания 26 первой зоны 15, выполненные в заявляемом блоке в виде печатных проводников, расходящихся из общей точки 27, и проводники питания 28 второй зоны 16, выполненные в виде печатных проводников, расходящихся из общей точки 29, располагаются в одном (i-м) проводящем слое между вторым 4 и пятым 7 проводящими слоями. В рассматриваемом примере реализации проводники питания 26 и 28 располагаются в третьем (i = 3) проводящем слое 5 (фиг. 6).
Проводники питания третьей 17, четвертой 18 и пятой 19 зон, выполненные в виде плоскостей 30 цифрового питания, располагаются в j-м проводящем слое (j i) между вторым 4 и пятым 7 проводящими слоями, например, как показано на фиг. 7, в четвертом (j = 4) проводящем слое 6. В рассматриваемом случае, имеющем преимущественное практическое применение, плоскости 30 цифрового питания третьей 17, четвертой 18 и пятой 19 зон конструктивно объединены в общую плоскость цифрового питания (фиг. 7).
Электрические связи между зонами 15-19 осуществляются посредством печатных проводников, расположенных преимущественно на наружном проводящем слое, соседствующем с внутренним проводящим слоем, в котором расположены земляные плоскости всех зон. В рассматриваемом примере реализации эти связи выполняются соответствующими печатными проводниками 10, расположенными в наружном первом проводящем слое 2 (фиг. 4), соседствующем с внутренним вторым проводящим слоем 4, в котором расположены земляные плоскости 20, 22, 23 всех пяти зон 15 – 19 (фиг. 5).
Заявляемый блок, в отличие от блока-прототипа, предназначен для работы в условиях питания от одного внешнего источника питания. Для реализации этого в заявляемом блоке предусмотрены следующие конструктивные и схемотехнические меры.
Плоскости 30 цифрового питания (фиг. 7) и земляная плоскость 23 (фиг. 5) последней (пятой) зоны 19 электрически связаны с размещенными на одном из наружных проводящих слоев (в рассматриваемом случае на наружном проводящем слое 2) контактными элементами 31 “Питание” и 32 “Земля” (фиг. 4), служащими элементами подвода к многослойной печатной плате 1 напряжения питания от внешнего источника питания. В рассматриваемом примере реализации радиоэлектронного блока контактные элементы 31 “Питание” и 32 “Земля” представляют собой контактные площадки, связанные посредством печатных проводников (фиг. 4) с соответствующими выводами соответствующего низкочастотного соединителя 13, предназначенными для подключения внешнего источника питания.
С контактным элементом 31 “Питание” непосредственно связан первый вывод 33 первого элемента 34 для фильтрации питания. Элемент 34 установлен на наружном проводящем слое 2 в пятой зоне 19 (фиг. 2, 10) и непосредственно связан другим своим выводом 35 с контактным элементом 32 “Земля”. Элемент 34 для фильтрации питания выполняется преимущественно в виде фильтрующего конденсатора [8, с. 259]. Практически, в качестве фильтрующего конденсатора, реализующего первый элемент 34 для фильтрации питания, может использоваться, например, фильтрующий конденсатор, аналогичный фильтрующему конденсатору ECS-6,3V-15  F 20% ECS-HOJC156R фирмы PANASONIC (Япония), предназначенному для поверхностного монтажа.
Общая точка 29 проводников питания 28 второй зоны 16 (фиг. 6) электрически связана (посредством соответствующего отверстия межслойного соединения и печатного проводника наружного проводящего слоя 2) с выходным выводом 36 второго элемента 37 для фильтрации питания (фиг. 10). Элемент 37 для фильтрации питания размещен на наружном проводящем слое 2 в одной из трех последних зон – в рассматриваемом примере реализации в третьей зоне 17 (фиг. 2, 10). Элемент 37 для фильтрации питания связан своими входным 38 и земляным 39 выводами соответственно с плоскостью цифрового питания 30 и земляной плоскостью 23 третьей зоны 17. Элемент 37 для фильтрации питания выполняется преимущественно в виде проходного конденсатора – конденсатора, реализующего функцию T- образного RC или LC фильтра [8, с. 259]. Примерами проходных конденсаторов являются известные проходные конденсаторы КТП-44, К73-21 (Россия), предназначенные для объемного монтажа [8, с. 259]. Практически в заявляемом радиоэлектронном блоке в качестве проходного конденсатора, реализующего второй элемент 37 для фильтрации питания, могут использоваться проходные конденсаторы, аналогичные по функции и конструктивному выполнению проходным конденсаторам NFM41R10C233 фирмы MURATA (США), предназначенным для поверхностного монтажа.
Общая точка 27 проводников питания 26 первой зоны 15 (фиг. 6) электрически связана (посредством соответствующего печатного проводника третьего проводящего слоя 5 и отверстия межслойного соединения) с выходным выводом 40 третьего элемента 41 для фильтрации питания. Элемент 41 для фильтрации питания размещен на наружном проводящем слое 2 во второй зоне 16 (фиг. 2, 10) и связан своими входным 42 и земляным 43 выводами соответственно с выходным выводом 36 второго элемента 37 для фильтрации питания и земляной плоскостью 22 второй зоны 16. Элемент 41 для фильтрации питания выполняется преимущественно в виде проходного фильтра, реализующего функцию T-образного LC фильтра [8, с. 259 – 261, рис. 6.10, 6.11]. Примерами проходных фильтров являются известные проходные фильтры Б14, Б23 (Россия), предназначенные для объемного монтажа [8, с. 259 – 260, рис.6.11]. Практически в заявляемом радиоэлектронном блоке в качестве проходного фильтра, реализующего третий элемент 41 для фильтрации питания, могут использоваться, например, проходные фильтры, аналогичные по функции и конструктивному выполнению проходным фильтрам NFM61T20T472 фирмы MURATA (США), предназначенным для поверхностного монтажа.
Работа заявляемого радиоэлектронного блока – приемника- процессора сигналов СРНС – в рассматриваемом примере реализации осуществляется следующим образом.
К высокочастотному соединителю 12 подключается приемная антенна, а к низкочастотным соединителям 13 – внешний источник питания и другие необходимые для работы радиоэлектронного блока внешние устройства, например пульт управления, средства регистрации и контроля данных и др. (на фиг. 1 – 10 не показаны).
После включения внешнего источника питания на контактные элементы 31 “Питание” и 32 “Земля” с соответствующих выводов соответствующего соединителя 13 поступают необходимые для питания радиоэлектронного блока потенциалы “Питание” и “Земля”.
Поступающее от внешнего источника питания напряжение питания радиоэлектронного блока в самом начале своего распределения по зонам 19-15 многослойной печатной платы 1 фильтруется от высокочастотных составляющих и наводок с помощью первого элемента 34 для фильтрации питания (фильтрующего конденсатора), непосредственно связанного с контактными элементами 31 и 32. Элемент 34 для фильтрации питания осуществляет замыкание высокочастотных составляющих входного напряжения питания на “землю” источника питания, предотвращая тем самым распространение высокочастотных наводок, обусловленных входным питанием, на функциональные узлы и электрорадиоэлементы радиоэлектронного блока.
Отфильтрованное таким образом входное напряжение питания далее распределяется по зонам 19-15 многослойной печатной платы 1 следующим образом.
На объединенные между собой плоскости 30 цифрового питания и объединенные между собой земляные плоскости 23 пятой 19, четвертой 18 и третьей 17 зон потенциалы “Питание” и “Земля” поступают непосредственно с контактных элементов 31 и 32.
На общую точку 29 проводников питания 28 второй зоны 16 питание поступает с выходного вывода 36 второго элемента 37 для фильтрации питания – проходного конденсатора, который установлен в третьей зоне 17 и связан входным выводом 38 и земляным выводом 39 соответственно с плоскостью 30 цифрового питания и земляной плоскостью 23 третьей зоны 17. Второй элемент 37 для фильтрации питания фильтрует на земляную плоскость 23 третьей зоны 17 высокочастотные составляющие напряжения питания, поступающего с плоскости цифрового питания 30 третьей зоны 17 к общей точке 29 проводников питания 28 второй зоны 16, а также препятствует обратному проникновению низкочастотных составляющих питания из второй зоны 16 в третью 17 и последующие 18 и 19 зоны. Таким образом, напряжение питания, поступающее во вторую зону 16, проходит через два барьера фильтрации, образованные элементами 34 и 37 для фильтрации питания, что обеспечивает достаточную развязку по питанию электрорадиоэлементов, осуществляющих во второй зоне 16 аналого-цифровое преобразование сигналов СРНС. При этом внутри самой зоны 16 подключение проводников питания 28 к общей точке 29, связанной с выходным выводом 36 второго элемента 37 для фильтрации питания, обеспечивает минимизацию взаимного влияния электрорадиоэлементов второй зоны 16 друг на друга по цепям питания.
На общую точку 27 проводников питания 26 первой зоны 15 питание поступает с выходного вывода 40 третьего элемента 41 для фильтрации питания – проходного фильтра, который установлен во второй зоне 16 и связан входным выводом 42 и земляным выводом 43 соответственно с выходным выводом 36 второго элемента 37 для фильтрации питания и земляной плоскостью 22 второй зоны 16. Третий элемент 41 для фильтрации питания фильтрует на земляную плоскость 22 второй зоны 16 высокочастотные составляющие, имеющиеся в напряжении питания второй зоны 16. Таким образом, напряжение питания, поступающее в первую зону 15, проходит через три барьеpa фильтрации, образованные элементами 34, 37 и 41 для фильтрации питания, что обеспечивает эффективную развязку по питанию наиболее чувствительных к наводкам аналоговым электрорадиоэлементов первой зоны 15. При этом внутри самой зоны 15 предложенное подключение проводников питания 26 к одной общей точке 27, связан ной с выходным выводом 40 третьего элемента 41 для фильтрации питания, обеспечивает минимизацию взаимного влияния электрорадиоэлементов первой зоны 15 друг на друга по цепям питания.
Таким образом, в рассматриваемых условиях, когда для питания радиоэлектронного блока применен один внешний источник питания, в пределах многослойной печатной платы 1 фактически организовано раздельное питание трех участков – участка первой зоны 15, участка второй зоны 16 и участка, включающего зоны 17-19.
Запитываемые рассмотренным образом электрорадиоэлементы зон 15 – 19 осуществляют функциональное преобразование сигналов СРНС и формирование выходных сигналов, несущих навигационную информацию, информацию о времени, а также служебную информацию СРНС. При этом входные сигналы, представляющие собой аналоговые широкополосные шумоподобные радиосигналы СРНС “ГЛОНАСС” и “GPS” с частотами в диапазоне от 1200 МГц до 1700 МГц, поступают через высокочастотный соединитель 12 в первую зону 15, где подвергаются усилению, фильтрации от помех и частотному преобразованию с понижением несущей частоты до десятков мегагерц. При преобразовании используются гетеродинные сигналы, формируемые синтезаторами частот, также расположенными в первой зоне 15. Далее аналоговые сигналы СРНС поступают во вторую зону 16, где осуществляется их преобразование в цифровой вид. При этом используются тактовые и опорные сигналы, формируемые соответствующими функциональными узлами и электрорадиоэлементами, находящимися в первой зоне 15. Цифровые сигналы, сформированные во второй зоне 16, далее поступают в третью зону 17, где осуществляется многоканальная корреляционная обработка. Затем сигналы поступают в четвертую зону 18, где обрабатываются в цифровом процессоре. После этого сигналы поступают в пятую зону 19, где преобразуются в интерфейсных электрорадиоэлементах. Необходимые при этом опорные и тактовые сигналы поступают из первой зоны 15.
Таким образом сигналы СРНС в процессе своей обработки последовательно переходят от одной зоны к другой, претерпевая при этом изменения по частоте от тысяч мегагерц на входе первой зоны 15 (зоны размещения аналоговых электрорадиоэлементов) до единиц герц на выходе пятой зоны 19 (зоны размещения интерфейсных электрорадиоэлементов). Переход сигналов от одной зоны к другой осуществляется посредством расположенных преимущественно на наружном проводящем слое 2 печатных проводников, экранируемых земляными печатными проводниками 25, 24 и земляными плоскостями 20, 22, 23 второго проводящего слоя 4. Указанная экранировка обеспечивает минимизации потерь в возвратных контурах цепей прохождения сигналов и снижения их восприимчивости к воздействию излучений и перекрестных помех за счет исключения неоптимальных токовых путей, обладающих дополнительной индуктивностью. Указанная экранировка в совокупности с рассмотренными выше конструктивными мерами – определенным выполнением и расположением проводников питания 26, 28 первой и второй зон 15 и 16, плоскостей 30 питания третьей – пятой зон 17- 19, земляных плоскостей 20 – 23 зон 15 – 19, а также определенным расположением и определенным подключением элементов 34, 37, 41 для фильтрации питания – обеспечивает в заявляемом радиоэлектронном блоке достижение требуемого технического результата по устранению паразитных наводок и наведенных помех в заданных условиях, когда на многослойной печатной плате радиоэлектронного блока размещаются разнородные электрорадиоэлементы различной степени интеграции, работающие с разнородными сигналами (аналоговыми и цифровыми) различных частот (от тысяч мегагерц на входе радиоэлектронного блока до единиц герц на выходе), при этом для питания радиоэлектронного блока используется один внешний источник питания. На достигаемый результат положительно влияет и то, что за счет предложенного размещения и выполнения земляных плоскостей, плоскостей и проводников питания в заявляемом радиоэлектронном блоке обеспечивается формирование оптимальных возвратных цепей, соответствующих сигнальным цепям и цепям питания, исключается образование паразитных токовых контуров, характеризуемых паразитными индуктивностями и восприимчивостью к помехам, а также достигается минимально возможное сопротивление по постоянному току и обеспечивается оптимальная фильтрация и требуемый уровень питающего напряжения во всех зонах.
Таким образом, совокупность предложенных конструктивных мер позволяет в заявляемом радиоэлектронном блоке решить поставленную техническую задачу устранения паразитных наводок и наведенных помех в условиях, когда на многослойной печатной плате радиоэлектронного блока размещаются разнородные электрорадиоэлементы различной степени интеграции, работающие с разнородными – аналоговыми и цифровыми – сигналами в диапазоне частот от тысяч мегагерц на входе радиоэлектронного блока до единиц герц на выходе, при этом для питания радиоэлектронного блока используется один внешний источник питания.
Эксперименты, проведенные над радиоэлектронными блоками заявляемой конструкции, показали, что устранение паразитных наводок и наведенных помех, требуемое из условий обеспечения работоспособности радиоэлектронных блоков, наблюдается при обработке сигналов СРНС “ГЛОНАСС” и “GPS” в различных их сочетаниях и во всех рабочих диапазонах частот в условиях использования для питания радиоэлектронных блоков одного внешнего источника питания. Это обуславливает перспективность использования заявляемой конструкции как базовой при разработке малогабаритной аппаратуры потребителей сигналов СРНС различного класса и назначения, в том числе аппаратуры, предназначенной для массового потребителя.
Из рассмотренного следует, что заявляемый радиоэлектронный блок технически осуществим, промышленно реализуем, решает поставленную техническую задачу по устранению паразитных наводок и наведенных помех в заданных условиях размещения на одной многослойной печатной плате электрорадиоэлементов различной степени интеграции, работающих с сигналами частот от тысяч мегагерц до единиц герц, при использовании для питания радиоэлектронного блока одного внешнего источника питания. Совокупность указанных положительных свойств обуславливает перспективность использования заявляемого радиоэлектронного блока при конструировании аппаратуры потребителей сигналов СРНС различною класса и назначения.
Источники информации1. Бортовые устройства спутниковой радионавигации / /И.В.Кудрявцев, И.Н. Мищенко, А.И.Волынкин и др. Под ред. В.С.Шебшаевича. М., Транспорт, 1988. 2. Свидетельство РФ на полезную модель N 2157, G 06 T 11/20, опубл. 16.05.96. 3. Авторское свидетельство СССР N 1826853, H 05 K 5/00, опубл. 20.11.96. 4. Патент РФ N 2047947, H 05 K 1/02, опубл. 10.11.95. 5. Лунд П. Прецизионные печатные платы. Конструирование и производство. М., Энергоатомиздат, 1983. 6. Майоров С.А. и др. Электронные вычислительные машины. Справочник по конструированию. Под ред. С.А.Майорова. М., Сов. радио, 1975. 7. Патент РФ N 2125775, H 05 K 1/00, 3/46, опубл. 27.01.99 (прототип). 8. Конструирование радиоэлектронных средств. / Под ред. А.С.Назарова, М. , Издательство МАИ, 1996. Формула изобретения
6, в которой на наружных первом и N-м проводящих слоях размещены печатные проводники, контактные площадки и электрорадиоэлементы, сгруппированные по М зонам, первая из которых является зоной функционального размещения аналоговых электрорадиоэлементов, а также высокочастотного соединителя для подключения приемной антенны, а последующие М-1 зон являются зонами функционального размещения цифровых электрорадиоэлементов, причем земляные плоскости первой зоны расположены в двух внутренних проводящих слоях – втором и (N-1)-м проводящих слоях, соседствующих с наружными первым и N-м проводящими слоями, земляные плоскости всех последующих М-1 зон расположены в одном из внутренних проводящих слоев, соседствующем с первым или N-м наружным проводящим слоем, земляные плоскости М-1 зон связаны земляными печатными проводниками друг с другом и с расположенной в этом же проводящем слое земляной плоскостью первой зоны, при этом i-й проводящий слой, в котором располагаются проводники питания первой зоны, и j-й проводящий слой, в котором располагаются выполненные в виде плоскостей цифрового питания проводники питания третьей и последующих зон, где ji, расположены между вторым и (N-1)-м проводящими слоями, электрические связи между М зонами осуществляются посредством печатных проводников, расположенных преимущественно на наружном проводящем слое, соседствующем с внутренним проводящим слоем, в котором расположены земляные плоскости всех М зон, а межслойные соединения печатных проводников осуществляются посредством металлизированных отверстий межслойных соединений, отличающийся тем, что плоскости цифрового питания третьей и последующих зон и земляная плоскость последней М-й зоны электрически связаны с размещенными на одном из наружных проводящих слоев соответственно контактными элементами “Питание” и “Земля” – элементами подвода напряжения питания к многослойной печатной плате от внешнего источника питания, при этом с контактными элементами “Питание” и “Земля” непосредственно связаны выводы первого элемента для фильтрации питания, проводники питания второй зоны, в которой осуществляется преобразование в цифровой вид аналоговых сигналов, поступающих из первой зоны, размещены в том же проводящем слое, что и проводники питания первой зоны, при этом проводники питания второй зоны выполнены в виде печатных проводников, расходящихся из общей точки, электрически связанной с выходным выводом второго элемента для фильтрации питания, который размещен на наружном проводящем слое в одной из последующих М-2 зон при количестве зон М не менее пяти и связан другими своими выводами – входным и земляным – соответственно с плоскостью цифрового питания и земляной плоскостью зоны своего размещения, а проводники питания первой зоны выполнены в виде печатных проводников, расходящихся из общей точки, электрически связанной с выходным выводом третьего элемента для фильтрации питания, который размещен на наружном проводящем слое во второй зоне и связан другими своими выводами – входным и земляным – соответственно с выходным выводом второго элемента для фильтрации питания и земляной плоскостью второй зоны.
2. Радиоэлектронный блок по п.1, отличающийся тем, что земляные плоскости третьей и последующих зон функционального размещения цифровых электрорадиоэлементов конструктивно объединены в общую для этих зон земляную плоскость.
3. Радиоэлектронный блок по п.1, отличающийся тем, что плоскости цифрового питания третьей и последующих зон функционального размещения цифровых электрорадиоэлементов конструктивно объединены в общую для этих зон плоскость цифрового питания.
4. Радиоэлектронный блок по п.1, отличающийся тем, что первый элемент для фильтрации питания выполнен в виде фильтрующего конденсатора.
5. Радиоэлектронный блок по п.1, отличающийся тем, что второй элемент для фильтрации питания выполнен в виде проходного конденсатора.
6. Радиоэлектронный блок по п.1, отличающийся тем, что третий элемент для фильтрации питания выполнен в виде проходного фильтра, реализующего функцию Т-образного LC фильтра.
РИСУНКИ
PC4A – Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение
Номер и год публикации бюллетеня: 5-2004
(73) Патентообладатель:
(73) Патентообладатель:
Дата и номер государственной регистрации перехода исключительного права: 19.01.2004 № 18181
Извещение опубликовано: 20.02.2004
|
||||||||||||||||||||||||||
