Особенности структурного состава радиотехнических систем

Реферат Особенности структурного состава РТС Элементную базу радиосистем образуют активные и пассивные элементы, интегральные микросхемы различной степени интеграции и функциональные компоненты.

Основные активные элементы, применяемые в устройствах, работающих в диапазоне радиоволн, уже упоминались в подразд. 1.4: ламповые и полупроводниковые диоды и триоды, диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды (ЛПД), магнетроны, клистроны, ЛБВ, мазеры. Основными пассивными элементами являются резисторы, конденсаторы, индуктивные катушки, трансформаторы, коаксиальные и полосковые линии, объемные резонаторы.

Интегральные микросхемы (ИС) могут совершать сложные преобразования сигналов, так как включают в себя большое число активных и пассивных элементов, каждый из которых выполняет различные элементарные функции (например, простейшие логические операции).

В соответствии с ГОСТ 17 021–98 интегральной микросхемой называется «микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов) и (или) кристаллов, которые с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматриваются как единое целое». При этом под элементом ИС понимают часть ИС, реализующую функцию какого-либо электрорадиоэлемента (диода, транзистора, резистора, конденсатора и т. п.), которая не может быть выделена из ИС и поставляться как самостоятельное изделие. Если же часть ИС может поставляться отдельно, то она называется компонентом. Кристаллом интегральной микросхемы называется часть полупроводниковой пластины, в объеме и на поверхности которой сформированы элементы микросхемы, межэлементные соединения и контактные площадки.

Если ИС содержит кроме элементов также компоненты и (или) кристаллы, то она называется гибридной интегральной микросхемой (ГИС).

Интегральные микросхемы (полупроводниковые и гибридные) предназначены обычно для универсальной применения. Микросборки аналогичны по структуре ГИС и предназначены для частного применения. Они могут состоять из нескольких ИС и разнообразных дискретных компонентов.

Важными характеристиками ИС являются плотность упаковки и степень интеграции, которые непрерывно возрастают. Под плотностью упаковки ИС понимается отношение числа элементов и компонентов ИС к ее объему. В современных ИС плотность упаковки достигает 109 элементов и более в 1 см³. Степень интеграции ИС определяется количественно как ближайшее большее целое число от десятичного логарифма числа ее элементов (на пример, если ИС содержит 5· 103 элементов, то она имеет 4-ю степень интеграции). ИС большой степени интеграции (4-й и 5-й) называют большими интегральными схемами (БИС). В конце прошлого века в СССР были предложены следующие названия микросхем в зависимости от степени интеграции (указано количество элементов для цифровых схем):

— малая интегральная схема (МИС) — до 100 элементов в кристалле;

— средняя интегральная схема (СИС) — до 1000 элементов в кристалле;

— большая интегральная схема (БИС) — до 10 000 элементов в кристалле;

— сверхбольшая интегральная схема (СБИС) — до 1 миллиона элементов в кристалле;

— ультрабольшая интегральная схема (УБИС) — до 1 миллиарда элементов в кристалле;

— гигабольшая интегральная схема (ГБИС) — более 1 миллиарда элементов в кристалле.

В настоящее время название ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Pentium 4 содержат пока несколько сотен миллионов транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10 000, относят к классу СБИС, считая УБИС его подклассом.

По виду обрабатываемой информации ИС делят на цифровые (логические), аналоговые и аналого-цифровые. Аналоговые микросхемы — входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания. Цифровые микросхемы — входные и выходные сигналы могут иметь два значения: логический ноль или логическая единица, каждому из которых соответствует определённый диапазон напряжения. Например, для микросхем ТТЛ-логики при питании +5 В диапазон напряжения 0…0,4 В соответствует логическому нулю, а диапазон 2,4…5 В соответствует логической единице. Для микросхем ЭСЛ-логики при питании ?5,2 В: логическая единица — это ?0,8???1,03 В, а логический ноль — это ?1,6???1,75 В. Аналого-цифровые микросхемы совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов. По мере развития технологий получают всё большее распространение. Весьма важную роль сегодня играют микропроцессоры, т. е. цифровые БИС с программируемой логикой действия.

Функциональный компонент (прибор), представляющий собой конструктивно целое изделие, выполняет сложные функции не за счет большого числа функционально разделимых элементов, а за счет использования соответствующих физических явлений. Примерами функциональных компонентов являются многие из рассматриваемых ниже акустои оптоэлектронных приборов, некоторые типы приборов с зарядовой связью (ПЗС) и др.

Элементную базу устройств оптического диапазона волн составляют источники и приемники оптического излучения, модуляторы, оптические и оптоэлектронные преобразователи и световоды.

Основными источниками когерентного оптического излучения являются лазеры, работающие в режиме непрерывного или импульсного излучения. Они способны отдавать среднюю мощность до 104 Вт и мощность в импульсе 1012 Вт при КПД от 0,1 до 10—30% (в зависимости от типа лазера и режима его работы). Главными недостатками большинства типов современных лазеров являются сравнительно большие масса и габариты и недостаточно большой срок службы). Источники некогерентного оптического излучения более разнообразны: накальные и газоразрядные источники, полупроводниковые светодиоды и др. Светодиоды способны давать лишь малые мощности излучения, но зато обладают достаточно большим быстродействием и могут быть в интегральном исполнении.

Основными видами приемников оптического излучения являются фотодиоды, фототранзисторы и фоторезисторы они также допускают интегральное микроисполнение.

Для амплитудной модуляции оптического излучения обычно используют физические явления, приводящие к повороту плоскости поляризации излучения (например, электрооптические эффекты Керра или Поккельса), а для частотной модуляции — пьезоэффект или магнитострикционный эффект, позволяющий изменять оптическую длину резонатора. Однако осуществление достаточно широкополосной модуляции (например, с частотами шип более 100 МГц) является одной из главных нерешенных проблем оптоэлектроники.

Основными видами оптических преобразователей являются оптические линзы и зеркала. При прохождении через такой преобразователь сигнал сохраняет свою оптическую природу во всех «сечениях» преобразователя. В отличии от этого оптоэлектронные преобразователи различных типов совершают преобразование оптического сигнала в электрический (прямое преобразование), или обратное преобразование, или оба вида преобразований. Например, существуют такие ОЭП, в которых преобразования осуществляются по цепочке оптическое излучение — электронный поток в вакууме — оптическое излучение (для первого преобразования используется фотокатод, а для второго — люминесцентный экран). Такой преобразователь может усиливать оптические сигналы (например, если после образования электронного потока усилить его многократным использованием вторичной эмиссии электронов), осуществлять модуляцию (управляя напряжением, «разгоняющим» электронный поток) и т. д.

Важным классом оптоэлектронных приборов вообще и оптоэлектронных преобразователей в частности являются так называемые оптроны (оптронные пары), являющиеся комбинацией соответствующим образов взаимодействующих источника оптического излучения и его приемника, светодиода и фоторезистора или фотодиода. Существуют два типа оптронов: с внутреннеей электрической и внутренней оптической связью. Оптрон первого типа осуществляет преобразования по цепочке оптический сигнал — электрический сигнал —оптический сигнал. Он может быть использован, например, для преобразования невидимого оптического излучения (чаще всего ИК излучения) в видимое. Оптрон второго типа производит преобразования по цепочке электрический сигнал — оптический сигнал — электрический сигнал (например, электрический сигнал вызывает свечение светодиода, воспринимаемое фотодиодом, преобразующим падающий на него световой поток в электрический сигнал). Оптрон этого типа имеет самые разнообразные применения: преобразование электрических сигналов, их генерация, усиление, переключение, гальваническая развязка и др. По разнообразию и важности применений такой оптрон можно сравнить с транзистором. Он, как и транзистор, при применении соответствующих элементов (например, фотои светодиодов) допускает интегральное микроисполнение.

Весьма важными новыми пассивными элементами оптоэлектроники являются световоды. Световод, подобно электрическому кабелю, может содержать как одну, так и несколько жил (иногда даже несколько десятков или сотен). Обычно каждая жила представляет собой тонкое (диаметром порядка нескольких микрометров) оптически прозрачное волокно, изолированное от других волокон соответствующим покрытием. Оптическое излучение проходит через такое волокно путем многократного полного внутреннего отражения от его стенок. Основными проблемами волоконной оптики являются эффективный ввод в волокно оптического сигнала, его вывод и обеспечение малого затухания при распространении вдоль волокна. В лучших современных образцах затухание в волокне сравнительно небольшое — 1 дБ/км и менее, однако такие световоды относительно дороги. В доступных для массового применения конструкциях затухание составляет несколько единиц или даже десятков децибел на километр. В настоящее время оптоволокно может быть использовано как средство для дальней связи и построения компьютерной сети, вследствие своей гибкости, позволяющей даже завязывать кабель в узел. Несмотря на то, что волокна могут быть сделаны из прозрачного пластичного оптоволокна или кварцевого волокна, волокна, использующиеся для передачи информации на большие расстояния, всегда сделаны из кварцевого стекла, из-за низкого оптического ослабления электромагнитного излучения. В связи используются многомодовые и одномодовые оптоволокна; мультимодовое оптоволокно обычно используется на небольших расстояниях (до 500 м), а одномодовое оптоволокно — на длинных дистанциях. Из-за строгого допуска между одномодовым оптоволокном, передатчиком, приемником, усилителем и другими одномодовыми компонентами, их использование обычно дороже, чем применение мультимодовых компонентов.

Из приведенного выше далеко не полного перечня, элементов оптоэлектроники видно, что они отличаются большим разнообразием и большими возможностями, несмотря на то, что эта отрасль радиоэлектроники является одной из самых молодых. Бурное развитие оптоэлектроники связано со следующими замечательными свойствами оптического диапазона и работающих в этом диапазоне устройств и систем.

1. Пропускная способность оптического диапазона (даже без ультрафиолетового поддиапазона) на несколько порядков больше пропускной способности всего диапазона радиоволн (включая миллиметровые волны). Это обеспечивает передачу (извлечение) за заданное время значительного большего количества информации, а при данном количестве информации большее быстродействие.

2. Информация, переносимая видимой частью оптического спектра излучения, может восприниматься человеком с помощью органов зрения непосредственно, т. е. без каких-либо специальных предварительных преобразований. Зрение же обеспечивает человеку восприятие о 90% всей поступающей к нему информации.

3. В оптическом диапазоне радиопередающие и радиоустройства могут иметь весьма узкие диаграммы направленности излучения и приема.

4. Оптические локационные устройства и системы обеспечивают более высокие точности измерения угловых координат, дальностей и радиальных скоростей объектов и других параметров их движения.

5. Приемные устройства в интегральном микроисполнении могут иметь большое число независимых каналов (~105 и более). Эта особенность оптического диапазон; полностью реализуется при применении голографических методов извлечения и обработки информации.

6. Оптоэлектронные устройства способны осуществлять несравненно более разнообразные, преобразования сигналов, чем электрические элементы. Во-первых, это обусловлено сравнительной простотой преобразования оптического сигнала в электрический и наоборот. Во-вторых, на оптических участках таких преобразователей носителем информации является не одномерный сигнал (функция времени), а многомерный (функция времени и пространственных координат), и управлять им можно не по одной координате (времени или частоте), а по нескольким (например, можно осуществлять не только временную и частотную, но и пространственную и поляризационную селекцию).

7. Световоды, носителями сигналов в которых являются фотоны, а не электроны, практически не подвержены мешающему действию внешних электрических и магнитных полей. Кроме того, фотоны в отличие от электронов электрически нейтральны и, следовательно, отсутствует мешающее взаимодействие внутри потока оптического излучения.

8. Применение оптронов с внутренней оптической связью позволяет осуществлять гальваническую развязку между входом и выходом.

9. Можно достаточно просто осуществлять соединения без механических контактов.

Однако на современном этапе развития оптоэлектронным устройствам и системам свойственны и существенные недостатки. Важнейшими из них являются следующие.

1. Уменьшение дальности действия вследствие сильного затухания оптического излучения в атмосфере. Эту трудность не всегда можно преодолеть применением какого-либо вида канализации оптического излучения (например, по волоконным световодам).

2. Сложность поиска когерентных оптических сигналов по угловым координатам и частоте.

3. Возможность создать в настоящее время эффективные устройства оптического излучения и приема лишь сравнительно узкой части оптического диапазона волн — от 0,4 до 10 мкм, причем в наибольшей степени освоен еще более узкий диапазон — от 0,4 до 1,2 мкм. Правда, освоенный участок диапазона является важнейшим, так как охватывает всю видимую часть спектра и ту часть невидимого спектра, на которой большинство естественных источников создает наиболее интенсивное излучение. Кроме того, этот участок в пределах оптического диапазона является самым коротковолновым (кроме ультрафиолетового поддиапазона) и, следовательно обеспечивает наибольшую пропускную способность при передаче (извлечении) информации.

4. Реализация в настоящее время огромной принципиально возможной пропускной способности оптического диапазона волн всего на сотые доли процента из-за ограниченности быстродействия модуляторов и демодуляторов оптического излучения (большинство этих устройств имеет инерционность более 10₁₀ с, т. е. спектр воспроизводимых частот модуляции менее 10 ГГц).

5. Появление в оптическом диапазоне дополнительного источника шума — квантового шума, понижающего чувствительность приема сигналов.

6. Наибольшие возможности (в частности, возможность применения голографических методов) дает когерентное оптическое излучение. Однако масса, габариты и стоимость основных источников когерентного излучения — лазеров — для некоторых применений еще недостаточно малы, а надежность и КПД недостаточно высоки.

Некоторые из этих недостатков являются временными и будут устранены в процессе дальнейшего развития оптоэлектроники. Другие недостатки принципиальны, их преодолевают, используя комбинированные системы, включающие устройства оптического и радиодиапазонов, т. е. радиооптические системы. В целом возможности, предоставляемые оптоэлектроникой, уже в настоящее время весьма велики, что и стимулирует ее бурное развитие.

Всю большую роль приобретает применение акустоэлектрониых элементов и узлов. Давно и широко известны такие акустоэлектронные элементы, как кварцевые резонаторы и линии задержки, основанные на пьезоэлектрическом эффекте (прямом и обратном). Кроме того, в последние годы начинают применяться приборы на поверхностных акустических волнах (ПАВ), в которых используется взаимодействие этих волн с потоком электронов. Эти приборы могут осуществлять усиление электрических сигналов, задержку во времени и другие функции. Они допускают интегральное микроисполнение и на сравнительно невысоких частотах (до 10—100 МГц) при решении некоторых задач превосходят по совокупности показателей другие приборы.

Особенно перспективны комбинированные акустоэлектронные системы, акустическая (обычно ультразвуковая) часть которых предназначена для преодоления основного ограничения, связанного с применением электромагнитных колебаний, — большого затухания эти колебаний в некоторых средах.

Физические явления, лежащие в основе действия различных радиоэлектронных приборов, весьма разнообразны и насчитывают сотни видов. Используются явления в твердых телах, жидких кристаллах, жидкостях и газах. Особенно разнообразны явления в твердых телах — в однослойных структурах (металл, диэлектрик, полупроводник), двухслойных (металл1 — металл2, диэлектрик1 — диэлектрик2, полупроводник1 — полупроводник2, металл — диэлектрик, металл — полупроводник, диэлектрик — полупроводник), трехслойных (металл — диэлектрик — металл, металл — диэлектрик — полупроводник и т. д.) и многослойных (практически неограниченное число комбинаций). В табл. 1 указаны некоторые важнейшие физические явления и основные типы элементов, приборов и устройств, основанные на их использовании.

Рассмотрим основные конструктивно-технологические особенности современных радиоизделий, обусловленные необходимостью уменьшения их массы и габаритов, повышения надежности и снижения стоимости.

Наиболее эффективным средством уменьшения массы и габаритов, а также повышения надежности являются микроминиатюризация на основе применения интегральной (групповой) технологии изготовления, позволяющей в едином технологическом цикле изготовить изделие (или большое число однотипных изделий), способное выполнять сложные функции (ИС, функциональный компонент).

радиоволна диапазон микросхема оптический Таблица 1

Область радиоэлектроники, которая решает задачи микроминиатюризации аппаратуры, называется микроэлектроникой. Она включает два основных направления — интегральную и функциональную микроэлектронику. В настоящее время наибольшее развитие получила интегральная микроэлектроника, связанная с исследованием, производством и применением ИС. Однако в последние годы начала интенсивно развиваться функциональная микроэлектроника, в задачи которой входит исследование, производство и применение функциональных компонентов. Возможности интегральной микроэлектроники наиболее ценны для цифровой техники (поскольку в цифровой технике весьма сложные преобразования могут быть сведены к совокупности простейших операций), а функциональной — для аналоговой. Поэтому развитие обоих направлений весьма важно и перспективно.

В современной маломощной радиоаппаратуре нередко основную часть ее объема и массы составляют не ИС, микросборки и функциональные компоненты, а соединения между ними. Это не только увеличивает массу и объем аппаратуры, но и ухудшает ее надежность. Поэтому весьма важным для уменьшения массы и габаритов аппаратуры и повышения ее надежности являются увеличение степени интеграции микросхем, разработка функциональных компонентов, выполняющих более общие функции (повышение степени интеграции функции), и применение бескорпусного монтажа. Бескорпусным называют такой монтаж, при котором в герметизированный корпус помещают совокупность большого числа изделий (кристаллов, ИС, микросборок, функциональных, компонентов). Основным недостатком бескорпусного монтажа является трудность (иногда даже невозможность) применения изделий, унифицированных не только в данном предприятии, но и в масштабе всей страны (так как унифицированное изделие для обеспечения гарантированных значений его характеристик должно быть, как правило, корпусированным). Отсутствие же спецификации (стандартизации) изделий увеличивает сроки и стоимость разработки и производства аппаратуры. Поэтому в зависимости от типа и назначения радиоаппаратуры применяют, как бескорпусной, так и корпусной монтаж.

Бурное развитие интегральной микроэлектроники привело к существенным изменениям принципов построения и способов изготовления радиосистем и к улучшению их характеристик. Отметим основные из этих изменений.

1. В интегральном микроисполнении активные элементы (диоды, транзисторы) выполнять проще, чем пассивные (индуктивности, конденсаторы, резисторы). Поэтому все большее распространение получают устройства, в которых удается уменьшить число пассивных элементов даже за счет значительного увеличения числа активных (например, применением активных фильтров).

2. В интегральном микроисполнении все пассивные элементы изготовляются в едином технологическом цикле. Поэтому при изменении внешних условий (температуры, влажности, давления и др.) параметры этих элементов изменяются примерно одинаково (в процентном отношении) и в одном и том же направлении (например, в направлении увеличения). Поэтому для узкополосных устройств оказываются более целесообразными такие схемы, в которых резонансная частота и полоса пропускания зависят от отношения сопротивлений и емкостей (например, от R2/R1, C2/Cl или R2C2/R1C1), а не от их абсолютных значений или произведений.

3. Малые габариты и высокая надежность микроэлементов позволяют исключить из радиоаппаратуры все, или почти все механические перемещения и большинство механических контактов, что резко повышает ее надежность. Например, в большинстве случаев целесообразно заменить механическое сканирование электронным, механические регуляторы и переключатели напряжений электронными, механическую настройку частоты и переключение диапазонов электронным управлением синтезаторами частоты и т. д. Применение БИС и бескорпусного монтажа позволяет свести до минимума механические разъемы.

4. Невозможность микроминиатюризации генераторов больших мощностей делает целесообразным применение фазированных антенных решеток (ФАР), обеспечивающих сложение мощностей в эфире. Так как системы с ФАР способны осуществлять электронное сканирование (обзор) пространства и допускают выход из строя 10—20% каналов без существенного ухудшения характеристик, понятно, почёму в последние годы такие системы получили большое распространение.

5. В интегральном микроисполнении реализовать цифровые устройства во многих случаях удобнее, чем аналоговые. Например, в одном кристалле объемом менее 0,1 см³ можно разместить микропроцессор, содержащий несколько сот тысяч активных элементов (диодов и транзисторов) и осуществляющий сложные и разнообразные цифровые операции. Получить столь же существенно (в 106 раз и более) уменьшение объема устройств, надежно выполняющих весьма сложные аналоговые операции, в настоящее время не удается. Это вызвало бурное развитие цифровых вычислительных устройств и их интенсивное внедрение в радиоэлектронные системы и устройства. Чем больше потоки извлекаемой или передаваемой информации, тем большие преимущества дает применение цифровой обработки и тем большим оказывается выигрыш в массе, габаритах и надежности системы. Это, в свою очередь, стимулирует разработку много функциональных радиосистем, выполняющих одновременно несколько различных функций извлечения, обработки и передачи информации. Такая система может со держать большое число различных аналоговых СВЧ и оптических устройств в сочетании с единой универсальной ЭВМ, осуществляющей совокупность всех операции вторичной обработки информации, часть операций первичной обработки и электронное управление и коммутацию внутри системы.

6. Внедрение интегральной технологии позволили резко повысить надежность радиосистем, так как дало возможность:

— свести до минимума основные источники ненадежности — механические, контакты и перемещения;

— резко уменьшить число необходимых технологических операций в процессе изготовления аппаратуры;

— заключить активные и пассивные элементы в корпус, что уменьшает влияние на них внешних (температуры, влажности и др.);

— заменить менее стабильные аналоговые операции более стабильными цифровыми;

— применить различные способы повышения надежности путем введения аппаратурной избыточности (резервирования, многоканальности и т. д.).

7. Значительное уменьшение массы и габаритов аппаратуры и повышение ее надежности позволили решать в бортовых условиях (при размещении аппаратуры летательных аппаратах) такие сложные задачи, раньше решить было невозможно или нецелесообразно. Например, оказалось возможным и целесообразным размещать на борту универсальные ЭВМ и высокостабильные эталоны частоты и времени, что позволило разгрузить от передачи дополнительной информации радиолинии борт — Земля и Земля — борт (применяя иные принципы построения систем) и тем самым улучшить качественные показатели систем.

8. Развитие микроэлектроники способствовало чрезвычайно резкому усложнению радиосистем и увеличению на много порядков числа содержащихся в них активных и пассивных элементов, что вызвано следующими основными обстоятельствами:

— замена какого-либо механического управления электронным, аналоговой обработки цифровой и введение аппаратурной избыточности требуют введения большего числа соответствующих электронных элементов;

— упомянутая выше тенденция к построению многофункциональных систем, свидетельствует о появлении более сложных систем;

— благодаря успехам микроэлектроники стало возможно решать новые, значительно более сложные задачи, требующие соответствующего усложнения аппаратуры;

— успехи микроэлектроники не только стимулировались ростом потребностей в более сложной аппаратуре, но и обеспечили возможность удовлетворения этих потребностей.

9. При микроминиатюризации аппаратуры решающее значение приобретает проблема теплоотвода, поэтому особенно важным становится повышение КПД устройств.

10. Становится целесообразным применять для каждого блока автономный вторичный источник питания, так как при этом уменьшаются паразитные обратные связи через источник питания и число соединительных контактов.

Эти и другие особенности современной элементной базы необходимо принимать во внимание при проектировании радиосистем.

1. Лобач В. Т., Дятлов А. П. и др.

Введение

в специальность. Учебное пособие № 1466. —Таганрог: ТРТУ, 2008.

2. Дятлов А. П. Оптимизация РСПОИ. —Таганрог: ТРТУ, 2010.

3. Дятлов А. П., Бессонов И. В. Прохождение детерминированных процессов через типовые радиозвенья. —Таганрог: ТРТУ, 2010.

4. Гуткин Л. С. Проектирование радиосистем и радиоустройств. —М.: Радиосвязь, 2006.

5. Окунев Ю. Б., Плотников В. Г. Принципы системного подхода к проектированию в технике связи. —М.: Связь, 2006.