РАДИОЭЛЕКТРОННЫЙ БЛОК Российский патент 2002 года по МПК H05K1/00 H05K1/11 H05K1/14 H05K3/46 H05K9/00 

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано при конструировании блоков радиоэлектронной аппаратуры, в частности радиоэлектронных блоков, предназначенных для приема и обработки сигналов спутниковых радионавигационных систем (СРНС).

Особенностью конструирования радиоэлектронных блоков, осуществляющих прием и обработку сигналов СРНС, является необходимость использования в них разнотипных функциональных элементов и узлов - различных аналоговых СВЧ и ВЧ устройств, реализующих процессы приема и частотного преобразования входных СВЧ сигналов, а также различных цифровых устройств - корреляторов, процессоров, преобразователей интерфейса, работающих на существенно более низких частотах и реализующих операции цифровой обработки сигналов, включая операции корреляционного поиска, слежения и формирования выходных сигналов, несущих навигационную информацию, необходимую потребителю [1, с.112, рис.47; с. 126, рис.64].

Поскольку конструкция радиоэлектронного блока, осуществляющего прием, частотное преобразование и цифровую обработку входных СВЧ сигналов, в частности сигналов СРНС, должна соединять в себе указанные разнотипные элементы и узлы, то возникает проблема их конструктивного объединения с обеспечением электромагнитной совместимости в условиях плотной компоновки в рамках одной конструкции. Поскольку такая конструкторская задача не имеет общепринятого решения, то при разработке конкретных образцов техники приходится применять индивидуальные конструкторские решения и приемы.

Например, известны конструкции объемных модулей [2], [3], [4], в которых осуществляется прием СВЧ сигналов, их преобразование и цифровая обработка. Основной принцип конструирования, реализованный в [2], [3], [4], заключается в том, что функциональные узлы электрической схемы выполняются на отдельных микроплатах. Эти микроплаты устанавливаются, например, в металлических рамках, а затем собираются в виде пакета в корпусе объемного интегрального модуля. Электрические связи между микроплатами осуществляются посредством коммутационной платы, устанавливаемой перпендикулярно к торцам микроплат. Проблемы электромагнитной совместимости в таких конструкциях решаются выполнением микроплат на однотипных элементах, работающих на близких частотах, а также, при необходимости, межплатной экранировкой и использованием раздельного (по микроплатам) питания.

В плоскостных конструкциях, например представленных в [5, с.51- 50, рис. 2.9; с. 70-71, рис.3.6], [6], проблемы электромагнитной совместимости решаются путем размещения микроплат, на которых выполнены функциональные узлы электрической схемы, в соответствующих гнездах монолитного металлического основания, закрываемого металлической крышкой. Металлическое основание является несущим элементом в такой конструкции, а также выполняет функцию экрана. Размещение микроплат в гнездах, отделенных друг от друга слоем металла, позволяет в таких конструкциях исключить взаимное влияние разнотипных функциональных узлов электрической схемы друг на друга, устранить паразитные наводки и наведенные помехи. Однако применение монолитного металлического основания с гнездами для размещения микроплат увеличивает массу и габариты конструкции.

Известен радиоэлектронный блок [7, с. 24, рис. 3,2], представляющий плоскостную конструкцию, в которой микроплаты, на которых выполнены отдельные функциональные узлы электрической схемы, установлены горизонтально на нижней стороне несущей коммутационной платы, на верхней стороне которой размещены остальные электрорадиоэлементы электрической схемы. Микроплаты и электрорадиоэлементы на несущей коммутационной плате сгруппированы по функциональным зонам. Функциональные зоны разделены вертикальными экранирующими металлическими перегородками, которые размещены на верхней стороне несущей коммутационной платы. Группировка по функциональным зонам и разделение функциональных зон внешними экранирующими перегородками - конструкторский прием, позволяющий в данной конструкции решить задачи электромагнитной совместимости (исключить взаимное влияние разнотипных функциональных узлов друг на друга, устранить паразитные наводки и наведенные помехи). При этом использование коммутационной платы в качестве общего несущего элемента для микроплат и электрорадиоэлементов дает возможность уменьшить габариты данной конструкции по сравнению с конструкциями, где микроплаты размещаются в гнездах металлического основания.

Общим для рассмотренных конструкций является применение в них функциональных узлов, выполненных на отдельных микроплатах. Такой конструкторский прием соответствует принципу конструирования, изложенному, например, в [5, с. 11-13], суть которого заключается в объединении конструктивно законченных простых структурных единиц в более сложные. Привлекательность такого конструкторского приема обусловлена простотой реализации отдельных структурных единиц. Однако платой за преимущества, связанные с такой конструктивной реализацией отдельных функциональных узлов, является неизбежное увеличение габаритов и усложнение конструкции радиоэлектронного блока в целом.

В качестве прототипа заявляемого радиоэлектронного блока принят радиоэлектронный блок, описанный в [8], в котором решается задача конструктивного объединения разнотипных функциональных узлов (аналоговых СВЧ и ВЧ узлов, цифровых НЧ узлов) с обеспечением их электромагнитной совместимости в условиях плотной компоновки на одной многослойной печатной плате.

Радиоэлектронный блок [8], принятый в качестве прототипа, содержит многослойную печатную плату, в которой в наружных первом и последнем проводящих слоях размещены печатные проводники, контактные площадки, электрорадиоэлементы и соединители для внешних подключений, а во внутренних проводящих слоях - остальные печатные проводники электрической схемы, предназначенной для приема, частотного преобразования и цифровой обработки сигналов, например сигналов СРНС "ГЛОНАСС" и "GPS". Общее число проводящих слоев в многослойной печатной плате в блоке-прототипе не менее шести. Межслойные соединения печатных проводников осуществляются посредством металлизированных отверстий межслойных соединений.

Электрорадиоэлементы, размещенные на многослойной печатной плате, сгруппированы по зонам, первая из которых является зоной размещения электрорадиоэлементов, предназначенных для приема и частотного преобразования сигналов, а вторая - зоной размещения электрорадиоэлементов, предназначенных для цифровой обработки сигналов. В первой зоне размещен также высокочастотный соединитель, предназначенный для подключения приемной антенны, а во второй зоне - низкочастотный соединитель, предназначенный для подключения внешних устройств.

Первой зоне соответствуют соединенные друг с другом посредством металлизированных отверстий межслойных соединений первая и вторая экранирующие земляные плоскости, выполненные во внутренних втором и предпоследнем проводящих слоях, соседствующих с наружными первым и последним проводящими слоями. Первой зоне в блоке-прототипе соответствует также плоскость аналогового питания, расположенная в одном из внутренних проводящих слоев, свободном от размещения экранирующих земляных плоскостей.

Второй зоне соответствуют третья экранирующая земляная плоскость и плоскость цифрового питания, расположенные каждая в своем внутреннем проводящем слое. Третья экранирующая земляная плоскость в блоке-прототипе состоит из отдельных земляных участков, соединенных между собой земляными перемычками. Плоскость цифрового питания второй зоны в устройстве-прототипе также состоит из отдельных участков питания, связь между которыми осуществляется, например, с внешней стороны через внешние источники питания. Рассмотренное выполнение третьей экранирующей земляной плоскости и плоскости цифрового питания из отдельных участков вытекает из принятого в блоке-прототипе принципа размещения электрорадиоэлементов второй зоны по функциональным участкам, для которых используются индивидуальное питание и экранировка. При отказе от этого принципа, т. е. при использовании общего (без разделения на участки) питания, третья экранирующая земляная плоскость и плоскость цифрового питания выполняются без указанного разделения на участки,
В первой зоне поступающие с приемной антенны аналоговые сигналы, например сигналы СРНС "ГЛОНАСС" и "GPS" с частотами в диапазоне от 1200 до 1700 МГц, усиливаются, фильтруются от помех и преобразуются с понижением несущей частоты с помощью соответствующих аналоговых и аналого-цифровых функциональных узлов. Во второй зоне сигналы подвергаются многоканальной корреляционной обработке, обработке в цифровом процессоре и интерфейсных элементах с формированием выходных сигналов, несущих навигационную информацию для потребителя. В процессе своей обработки сигналы проходят последовательно от первой зоны ко второй, при этом в первой зоне сигналы проходят последовательно от одного функционального узла к другому, а во второй зоне - от одного функционального участка к другому.

Рассмотренные конструкторские решения и приемы, реализованные в блоке-прототипе, позволяют решить задачу электромагнитной совместимости, т.е. задачу устранения паразитных наводок и наведенных помех и исключения взаимного влияния разнотипных (аналоговых и цифровых) электрорадиоэлементов в условиях их размещения на одной многослойной печатной плате. При этом наибольший эффект по устранению паразитных наводок и наведенных помех обеспечивается, когда в первой зоне функциональные узлы электрической схемы располагаются строго линейно, в соответствии с последовательностью обработки сигналов, а во второй зоне электрорадиоэлементы размещаются территориально строго по своим функциональным участкам - участкам с индивидуальным питанием и экранировкой.

Поскольку в блоке-прототипе наилучший результат обеспечивается при условии индивидуального питания функциональных участков, обеспечиваемого за счет нескольких внешних источников питания, то это существенно сужает область его возможного применения. Кроме этого, размещение электрорадиоэлементов второй зоны территориально строго по своим функциональным участкам - участкам с индивидуальным питанием и экранировкой - увеличивает габариты блока-прототипа, что также ограничивает область его возможного применения. В частности, указанные особенности конструкции блока-прототипа не позволяет использовать его в "карманном" ("носимом") приборе, в котором используется один внешний источник питания и в котором жесткие требования по минимизации габаритов и плотному размещению электрорадиоэлементов и печатных проводников не позволяют разместить электрорадиоэлементы во второй зоне территориально строго по своим функциональным участкам с обеспечением индивидуального питания и экранировки, а в первой зоне не позволяют расположить функциональные узлы электрической схемы строго линейно, в соответствии с последовательностью обработки сигналов.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение паразитных наводок и наведенных помех в указанных условиях плотного размещения на многослойной печатной плате разнотипных электрорадиоэлементов и применения для их питания, а также для питания приемной антенны одного внешнего источника питания.

Сущность изобретения заключается в том, что в радиоэлектронном блоке, содержащем многослойную печатную плату, в которой в наружных первом и последнем проводящих слоях размещены печатные проводники, контактные площадки, электрорадиоэлементы и соединители для внешних подключений, а во внутренних проводящих слоях - остальные печатные проводники электрической схемы, предназначенной для приема, частотного преобразования и цифровой обработки сигналов, причем межслойные соединения печатных проводников осуществлены посредством металлизированных отверстий межслойных соединений, электрорадиоэлементы, размещенные на многослойной печатной плате, сгруппированы по зонам, первая из которых является зоной размещения электрорадиоэлементов, служащих для приема и частотного преобразования сигналов, а вторая - зоной размещения электрорадиоэлементов, служащих для цифровой обработки сигналов, причем в первой зоне размещен также высокочастотный соединитель, предназначенный для подключения приемной антенны, а во второй зоне - низкочастотный соединитель, предназначенный для подключения внешних устройств, первой зоне соответствуют соединенные друг с другом посредством металлизированных отверстий межслойных соединений первая и вторая экранирующие земляные плоскости, выполненные соответственно во внутренних втором и предпоследнем проводящих слоях, соседствующих с наружными первым и последним проводящими слоями, а второй зоне соответствуют плоскость питания и третья экранирующая земляная плоскость, выполненные каждая в своем внутреннем проводящем слое, в отличие от прототипа, в первой зоне проводники питания электрорадиоэлементов, а также дополнительный проводник питания, связывающий выходной вывод коммутатора питания приемной антенны с входным выводом фильтра питания приемной антенны, сконцентрированы в одном внутреннем проводящем слое между внутренними вторым и предпоследним проводящими слоями при общем числе внутренних проводящих слоев не менее трех, при этом проводники питания электрорадиоэлементов выполнены в виде печатных проводников, расходящихся лучами из узла разветвления, размещенного в пределах границ первой зоны и представляющего собой эквипотенциальную площадку, а на участках площади, остающихся в данном проводящем слое в пределах границ первой зоны свободными от размещения узла разветвления, проводников питания электрорадиоэлементов и дополнительного проводника питания, а также металлизированных отверстий межслойных соединений, не подлежащих заземлению, выполнены земляные участки, соединенные посредством соответствующих металлизированных отверстий межслойных соединений с первой и второй экранирующими земляными плоскостями по крайней мере в местах подключения к ним земляных выводов соответствующих электрорадиоэлементов первой зоны, центр узла разветвления соединен посредством соответствующего металлизированного отверстия межслойных соединений с выходным выводом первого фильтра питания, земляной вывод которого соединен с первой и второй экранирующими земляными плоскостями, а входной вывод посредством отдельного печатного проводника соединен с выходным выводом второго фильтра питания, входной и земляной выводы которого соединены соответственно с выводами "Питание" и "Земля" низкочастотного соединителя, служащими для подключения внешнего источника питания, причем с выводом "Земля" низкочастотного соединителя соединены также все указанные экранирующие земляные плоскости, с выходным выводом второго фильтра питания - также плоскость питания, относящаяся к второй зоне.

В преимущественных вариантах реализации, имеющих практическое применение, соединение вывода "Земля" низкочастотного соединителя с первой и второй экранирующими земляными плоскостями осуществляется через третью экранирующую земляную плоскость, которая выполнена в одном внутреннем проводящем слое с первой или второй экранирующей земляной плоскостью и соединена с ней посредством земляной перемычки, первый фильтр питания выполнен в виде проходного помехоподавляющего фильтра, второй фильтр питания выполнен в виде проходного помехоподавляющего конденсатора, а фильтр питания приемной антенны содержит по крайней мере одно Г-образное фильтрующее LC звено, у которого соединенные между собой первые выводы индуктивного и емкостного компонентов образуют его входной вывод, второй вывод индуктивного компонента образует выходной вывод, а второй вывод емкостного компонента образует земляной вывод.

Сущность изобретения, его реализуемость и возможность промышленного применения поясняются на примере конструкции радиоэлектронного блока, выполняющего функцию навигационного приемника-процессора сигналов СРНС "ГЛОНАСС" и "GPS" и реализованного на шестислойной печатной плате. Чертежи, иллюстрирующие в рассматриваемом примере конструктивные особенности выполнения заявляемого радиоэлектронного блока, поясняющие сущность изобретения, представлены на фиг.1 - 9.

На фиг. 1 представлен вид в разрезе многослойной печатной платы в рассматриваемом примере ее выполнения с шестью проводящими слоями (расположение печатных проводников и металлизированных отверстий межслойных соединений условное, электрорадиоэлементы условно не показаны),
на фиг. 2 - пример, иллюстрирующий группировку по зонам электрорадиоэлементов, размещенных в наружном первом проводящем слое (вид со стороны электрорадиоэлементов, печатные проводники условно не показаны);
на фиг. 3 - пример, иллюстрирующий группировку по зонам электрорадиоэлементов, размещенных в наружном шестом проводящем слое (вид "на просвет" со стороны наружного первого проводящего слоя, слои условно прозрачные, печатные проводники условно не показаны);
на фиг. 4 - пример рисунка печати внутреннего второго проводящего слоя (вид "на просвет" со стороны наружного первого проводящего слоя, слои условно прозрачные);
на фиг. 5 - пример рисунка печати внутреннего третьего проводящего слоя (вид "на просвет" со стороны наружного первого проводящего слоя, слои условно прозрачные);
на фиг. 6 - пример рисунка печати внутреннего пятого проводящего слоя (вид "на просвет" со стороны наружного первого проводящего слоя, слои условно прозрачные);
на фиг. 7 - фрагмент рисунка печати наружного первого проводящего слоя, иллюстрирующий размещение второго фильтра питания и его связь по печати с выводом "Питание" низкочастотного соединителя (электрорадиоэлементы и низкочастотный соединитель условно не показаны);
на фиг. 8 - фрагмент рисунка печати наружного шестого проводящего слоя, иллюстрирующий размещение фильтра питания приемной антенны и коммутатора питания приемной антенны (электрорадиоэлементы условно не показаны);
на фиг.9 - фрагмент функциональной электрической схемы, поясняющий принцип разводки питания в рассматриваемом примере выполнения радиоэлектронного блока.

Заявляемый радиоэлектронный блок содержит многослойную печатную плату 1 (в рассматриваемом примере - шестислойную) с наружными первым 2 и шестым 3 проводящими слоями, с внутренними вторым 4, третьим 5, четвертым 6 и пятым 7 проводящими слоями. Внутренние проводящие слои 4, 5, 6 и 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 размещены (фиг.1, 2, 3) контактные площадки 9, печатные проводники 10 и электрорадиоэлементы 11, а также высокочастотный 12 и низкочастотный 13 соединители для внешних подключений, являющиеся конструктивными элементами электрической схемы, осуществляющей прием, частотное преобразование и цифровую обработку сигналов - в рассматриваемом случае сигналов СРНС "ГЛОНАСС" и "GPS" Во внутренних проводящих слоях 4, 5, 6 и 7 размещены печатные проводники (фиг.4 - 6). Межслойные соединения печатных проводников осуществляются посредством соответствующих металлизированных отверстий 14 межслойных соединений (на фиг.1 выполнение металлизированных отверстий 14 межслойных соединений 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.

Электрорадиоэлементы 11, размещенные в наружных проводящих слоях 2 и 3, сгруппированы по двум зонам 15 и 16 (фиг.2, 3, 7, 8), при этом первая зона 15 является зоной размещения электрорадиоэлементов, предназначенных для приема и частотного преобразования сигналов, а вторая зона 16 - зоной размещения электрорадиоэлементов, предназначенных для цифровой обработки сигналов. В первой зоне 15 также размещен высокочастотный соединитель 12 (например, типа SMA или SMB), предназначенный для подключения приемной антенны. Во второй зоне 16 также размещен низкочастотный соединитель 13 (например, вилка 828430 АМР), предназначенный для подключения внешних устройств, в том числе внешнего источника питания.

Первая зона 15 представляет собой зону, в которой осуществляется прием и частотное преобразование входных сигналов - широкополосных аналоговых СВЧ сигналов СРНС "ГЛОНАСС" и "GPS", а также их аналого-цифровое преобразование В первой зоне 15 с помощью электрорадиоэлементов, а также за счет соответствующей топологии реализованы, в частности, полосковые линии, СВЧ полосовые фильтры, малошумящие СВЧ усилители, смесители, полосовые фильтры на поверхностно акустических волнах, синтезаторы частот, опорный генератор, компараторы, осуществляющие аналого-цифровое преобразование, а также сформированы цепи питания электрорадиоэлементов и приемной антенны. Электрорадиоэлементы первой зоны 15 представляют собой, в основном, конденсаторы, резисторы, микросхемы. Характерными микросхемами первой зоны 15 являются, например, микросхемы типа MGA-87563 фирмы HEWLETT-PACKARD (США) или МААМ 12021 М/А СОМ фирмы MOTOROLA (США) (малошумящие СВЧ усилители), микросхемы типа LMX2330ATM фирмы MOTOROLA (США) (синтезаторы частот), микросхемы типа UPC2753 фирмы NEC (США) (преобразователи сигналов и усилители), микросхемы типа MC13142D фирмы Motorola (США) (смесители), микросхемы типа TXO255AR 10,00 MHz, 3V фирмы RAKON (США) (опорный генератор), микросхемы типа MAX962ESA фирмы MAXIM (США) (компараторы). За исключением высокочастотного соединителя 12, электрорадиоэлементы, размещенные в первой зоне 15, включая микросхемы, относятся к элементной базе V поколения, предназначенной для поверхностного монтажа. Техника (технология) поверхностного монтажа [9, с. 107-110] , используемая в заявляемом радиоэлектронном блоке, позволяет реализовать максимальную плотность компоновки при минимальных габаритах многослойной печатной платы 1.

Вторая зона 16 представляет собой зону, где осуществляется многоканальная корреляционная обработка сигналов, поступающих из первой зоны 15, вычисление навигационных данных и преобразование интерфейса. Электрорадиоэлементы второй зоны 16 представляют собой, в основном, конденсаторы, резисторы, микросхемы. Характерными микросхемами второй зоны 16 являются, например, микросхемы типа 1836ВЖ1, 1836ВЖ1-01 (Россия) или ASIC (Корея "SAMSUNG" - Россия "КОТЛИН") (коррелятор), микросхемы типа TMS320LC203PZA или TMS320VC5410PGE фирмы TEXAS INSTRUMENTS (США) (процессор), микросхемы типа KM616V1002ATI-15 фирмы SAMSUNG (Корея) (память), микросхемы типа МАХ3223ЕАР фирмы MAXIM (США) (преобразователи интерфейса). За исключением низкочастотного соединителя 13, электрорадиоэлементы, размещенные в зоне 16, включая микросхемы, относятся к элементной базе V поколения, предназначенной для поверхностного монтажа.

В рассматриваемом примере выполнения заявляемого радиоэлектронного блока первой зоне 15 соответствуют первая 17 и вторая 18 экранирующие земляные плоскости, выполненные во внутренних втором 4 и предпоследнем (пятом) 7 проводящих слоях, соседствующих с наружными первым 2 и последним (шестым) 3 проводящими слоями. Первая 17 и вторая 18 экранирующие земляные плоскости (фиг.4, 6), соединены между собой соответствующими металлизированными отверстиями межслойных соединений, расположенными, в частности, по их периметру.

Второй зоне 16 соответствует плоскость питания 19 и третья экранирующая земляная плоскость 20, выполненные каждая в своем внутреннем проводящем слое. В рассматриваемом примере плоскость питания 19 выполнена во внутреннем втором проводящем слое 4 (фиг.4), а третья экранирующая земляная плоскость 20 выполнена во внутреннем пятом проводящем слое 7, т.е. в том же внутреннем проводящем слое, что и вторая экранирующая земляная плоскость 18 (фиг.6).

В первой зоне 15 расположены соответствующие функциональные узлы цепи питания подсоединяемой к высокочастотному соединителю 12 приемной антенны (на чертежах не показана), предназначенные для развязки цепи питания приемной антенны от цепи сигналов СРНС и для включения/отключения питания приемной антенны по управляющему сигналу. В рассматриваемом примере для развязки цепи питания приемной антенны от цепи сигналов СРНС предназначен фильтр 21 питания приемной антенны, а для включения/отключения питания приемной антенны - коммутатор 22 питания приемной антенны, оба размещенные в наружном шестом проводящем слое 3 (фиг.3, 8, 9).

В качестве коммутатора 22 питания приемной антенны может быть использована, например, микросхема типа ADP3330ART-3 0 фирмы ANALOG DEVICES (США), реализующая функции стабилизатора напряжения и электронного ключа и предназначенная для поверхностного монтажа.

Фильтр 21 питания приемной антенны содержит по крайней мере одно Г-образное фильтрующее LC звено, в рассматриваемом примере - два последовательно включенных Г-образных фильтрующих LC звена 23 (23₁, 23₂) (фиг.9). В каждом из Г-образных фильтрующих LC звеньев 23 (23₁, 23₂) соединенные между собой первые выводы индуктивного и емкостного компонентов образуют его входной вывод, второй вывод индуктивного компонента образует выходной вывод, а второй вывод емкостного компонента образует земляной вывод.

В первой зоне 15 проводники питания 24 электрорадиоэлементов, а также дополнительный проводник питания 25, связывающий выходной вывод коммутатора 22 питания приемной антенны с входным выводом фильтра 21 питания приемной антенны (фиг 9), сконцентрированы в одном внутреннем проводящем слое между внутренним вторым 4 и предпоследним (пятым) 7 проводящими слоями, в рассматриваемом примере - во внутреннем третьем проводящем слое 5 (фиг.5). Проводники питания 24 электрорадиоэлементов выполнены в виде печатных проводников, расходящихся лучами из узла разветвления 26, размещенного в пределах границ первой зоны 15 и представляющего собой эквипотенциальную площадку На участках площади, остающихся во внутреннем третьем проводящем слое 5 в пределах границ первой зоны 15 свободными от размещения узла разветвления 26 проводников питания 24 электрорадиоэлементов и дополнительного проводника питания 25, а также металлизированных отверстий межслойных соединений, не подлежащих заземлению, выполнены земляные участки 27 (фиг.5) Земляные участки 27 посредством соответствующих металлизированных отверстий межслойных соединений соединены с первой 17 и второй 18 экранирующими земляными плоскостями - по крайней мере в местах подключения к ним земляных выводов соответствующих электрорадиоэлементов первой зоны 15.

Центр узла разветвления 26 (фиг.5) соединен посредством соответствующего металлизированного отверстия межслойных соединений с выходным выводом 28 первого фильтра питания 29 (фиг.2, 9). В рассматриваемом примере первый фильтр питания 29 расположен на наружном первом проводящем слое 2 (фиг.2) и выполнен в виде проходного помехоподавляющего фильтра - электрорадиоэлемента, состоящего из трубчатого керамического конденсатора и без виткового дросселя [10, с.236-240, рис 5.9], реализующего функцию П-образного или Т-образного LC фильтра с индуктивным компонентом в продольном плече (в рассматриваемом примере - функцию Т-образного LC фильтра). Практически, в качестве первого фильтра питания 29 может использоваться проходной помехоподавляющий фильтр серии NFM61T фирмы MURATA (США), предназначенный для поверхностного монтажа и реализующий функцию Т-образного LC фильтра.

В рассматриваемом примере параллельно выходному выводу 28 и земляному выводу 30 первого фильтра питания 29 подключен дополнительный емкостной компонент 31, выполненный в виде двух соединенных параллельно конденсаторов (фиг. 2, 9), один из которых представляет собой фильтрующий высокочастотный конденсатор, например керамический типа X7R-16V-0,1μF, s. 0603... s. 1206, а другой - низкочастотный электролитический конденсатор, например танталовый типа В45196-Н-2227-К509-10V-220μF или оксидно-полупроводниковый типа К-53-22.

Земляной вывод 30 первого фильтра питания 29 соединен посредством соответствующего металлизированного отверстия межслойных соединений с первой 17 и второй 18 экранирующими земляными плоскостями (фиг.4, 6, 9).

Входной вывод 32 первого фильтра питания 29 посредством соответствующего металлизированного отверстия межслойных соединений и отдельного печатного проводника 33, выполненного в рассматриваемом примере во внутреннем втором проводящем слое 4 (фиг.4), соединен с выходным выводом 34 второго фильтра питания 35 (фиг.2, 7, 9). С выходным выводом 34 второго фильтра питания 35 также соединена плоскость питания 19 (фиг.4, 9).

Второй фильтр питания 35, так же как и первый фильтр питания 29, расположен на наружном первом проводящем слое 2 (фиг.2). В рассматриваемом примере второй фильтр питания 35 выполнен в виде проходного помехоподавляющего конденсатора. Конструкция проходного помехоподавляющего конденсатора (одна обкладка соединена с токонесущим проводом между входным и выходным выводами, а вторая - с земляным выводом) обеспечивает неизменность емкостного сопротивления в широкой полосе частот [10, с.238-239, рис.5.8]. Практически, в заявляемом радиоэлектронном блоке в качестве второго фильтра питания 35 может использоваться проходной помехоподавляющий конденсатор серии NFM41P фирмы MURATA (США), предназначенный для поверхностного монтажа.

Входной 36 и земляной 37 выводы второго фильтра питания 35 соединены (фиг. 9) соответственно с выводами 38 и 39 "Питание" и "Земля" низкочастотного соединителя 13, служащими для подключения внешнего источника питания. Соединение входного вывода 36 второго фильтра питания 35 с выводом 38 "Питание" низкочастотного соединителя 13 (фиг.9) осуществляется в наружном первом проводящем слое 2 коротким и широким печатным проводником 40 (фиг.7). Соединение земляного вывода 37 второго фильтра питания 35 с выводом 39 "Земля" низкочастотного соединителя 13 (фиг.9) осуществляется посредством соответствующего отверстия межслойных соединений, соединенного во внутреннем пятом проводящем слое 7 с третьей экранирующей земляной плоскостью 20 на участке 41 вблизи места ее соединения с выводом 39 "Земля" низкочастотного соединителя 13 (фиг.6).

Помимо указанного соединения третьей экранирующей земляной плоскости 20 с выводом 39 "Земля" низкочастотного соединителя 13, с ним также электрически соединены первая 17 и вторая 18 экранирующие земляные плоскости. Соединение вывода 39 "Земля" низкочастотного соединителя 13 с первой 17 и второй 18 экранирующими земляными плоскостями осуществлено через третью экранирующую земляную плоскость 20 следующим образом. Первая экранирующая земляная плоскость 17 соединена с второй экранирующей земляной плоскостью 18 посредством металлизированных отверстий межслойных соединений, а вторая экранирующая земляная плоскость 18 соединена с расположенной в одном с ней внутреннем пятом проводящем слое 7 третьей экранирующей земляной плоскостью 20 посредством земляной перемычки 42 (фиг.6).

Для включения в работу заявляемого радиоэлектронного блока, выполняющего в рассматриваемом примере функцию навигационного приемника-процессора сигналов СРНС "ГЛОНАСС" и "GPS", к высокочастотному соединителю 12 подключается приемная антенна, а к низкочастотному соединителю 13 - внешний источник питания, а также другие необходимые для работы радиоэлектронного блока внешние устройства, например средства регистрации, контроля, управления режимом (на чертежах не показаны).

Напряжение питания, поступающее от внешнего источника питания на выводы 38 и 39 "Питание" и "Земля" низкочастотного соединителя 13, в самом начале своего распределения по зонам 15 и 16 фильтруется от высокочастотных составляющих и наводок с помощью второго фильтра питания 35. Второй фильтр питания 35 осуществляет замыкание высокочастотных составляющих входного напряжения питания на "землю" источника питания, предотвращая тем самым распространение высокочастотных наводок на функциональные узлы и электрорадиоэлементы радиоэлектронного блока.

Отфильтрованное таким образом напряжение питания подводится во вторую 16 и в первую 15 зоны.

Во вторую зону 16 напряжение питания потенциалов "Питание" и "Земля" подводится соответственно с помощью плоскости питания 19 и третьей экранирующей земляной плоскости 20. При этом на плоскость питания 19 напряжение питания потенциала "Питание" приходит с выходного вывода 34 второго фильтра питания 35, а на третью экранирующую земляную плоскость 20 напряжение питания потенциала "Земля" приходит с вывода 39 "Земля" низкочастотного соединителя 13.

В первую зону 15 напряжение питания потенциалов "Питание" и "Земля" подводится следующим образом. Напряжение питания потенциала "Земля" вначале поступает на вторую экранирующую земляную плоскость 18 (с третьей экранирующей земляной плоскости 20 через земляную перемычку 42), а затем - на первую экранирующую земляную плоскость 17 (со второй экранирующей земляной плоскости 18 через соответствующие металлизированные отверстия межслойных соединений) Напряжение питания потенциала "Питание" поступает с выходного вывода 34 второго фильтра питания 35 в центр узла разветвления 26 проводников питания 24 электрорадиоэлементов - вначале по отдельному печатному проводнику 33, конструктивно не связанному с плоскостью питания 19, а затем - через первый фильтр питания 29. При этом первый фильтр питания 29 фильтрует высокочастотные составляющие напряжения питания, распространяющиеся по печатному проводнику 33 со стороны второй зоны 16, а также фильтрует на "землю" высокочастотные составляющие, распространяющиеся внутри первой зоны 15 по проводникам питания 24 электрорадиоэлементов.

С проводников питания 24 электрорадиоэлементов и соединенных между собой первой 17 и второй 18 экранирующих земляных плоскостей напряжение питания потенциалов "Питание" и "Земля" посредством соответствующих металлизированных отверстий межслойных соединений поступает на электрорадиоэлементы первой зоны 15, в том числе на коммутатор 22 питания приемной антенны. Коммутатор 22 питания приемной антенны в зависимости от режима радиоэлектронного блока "работа" или "контроль" пропускает или не пропускает напряжение питание для приемной антенны, обеспечивая тем самым ее дистанционное "включение" или "отключение". В режиме "работа", когда приемная антенна "включена", радиоэлектронный блок осуществляет прием и обработку сигналов СРНС "ГЛОНАСС" и "GPS". В режиме "контроль", когда приемная антенна "отключена", в радиоэлектронном блоке осуществляется, в частности, проверка внутренних шумов. Нужное состояние коммутатора 22 питания приемной антенны (включенное или выключенное) задается управляющим сигналом, формируемым, например, процессором, размещенным во второй зоне 16. При включенном состоянии коммутатора 22 питания приемной антенны с его выходного вывода снимается напряжение питания, которое по дополнительному проводнику питания 25 поступает на входной вывод фильтра 21 питания приемной антенны, а с его выходного вывода - на центральный проводник высокочастотного соединителя 12. При этом Г-образные фильтрующие LC звенья 23 (23₁, 23₂) фильтра 21 питания приемной антенны обеспечивают эффективную высокочастотную развязку цепи питания приемной антенны от цепи сигналов СРНС.

Таким образом, в заявляемом радиоэлектронном блоке обеспечивается эффективная высокочастотная развязка цепей питания первой 15 и второй 16 зон, а в пределах первой зоны 15 - цепей питания электрорадиоэлементов друг от друга и цепи питания приемной антенны от цепи сигналов СРНС, что минимизирует взаимное влияние электрорадиоэлементов обеих зон друг на друга по цепям питания и снижает уровень взаимных наводок. Минимизации взаимного влияния электрорадиоэлементов друг на друга, снижению уровня взаимных наводок способствует также экранирующее действие земляных плоскостей 17, 18, 20 и земляных участков 27. Положительная роль экранирующих земляных плоскостей 17, 18, 20 и земляных участков 27, помимо эффекта плоскостной экранировки, заключается в обеспечении оптимальных токовых путей, отвечающих требованиям минимальной индуктивности, что устраняет потери в возвратных контурах цепей прохождения сигналов и снижает их восприимчивость к воздействию излучений и перекрестных помех. Все это обеспечивает устранение паразитных наводок и наведенных помех в рассматриваемых условиях применения одного внешнего источника питания и плотной компоновки электрорадиоэлементов и печатных проводников, когда в полной мере не удается реализовать принципы линейного, в соответствии с последовательностью обработки сигналов, размещения электрорадиоэлементов, функциональных узлов и печатных проводников электрической схемы.

Записываемые рассмотренным образом электрорадиоэлементы первой 15 и второй 16 зон осуществляют требуемые операции по приему, частотному преобразованию и цифровой обработке сигналов СРНС "ГЛОНАСС" и "GPS", формируя выходные сигналы, несущие навигационную информацию потребителю. При этом входные сигналы, представляющие собой широкополосные аналоговые СВЧ сигналы - сигналы СРНС "ГЛОНАСС" и "GPS" с частотами в диапазоне от 1200 до 1700 МГц. поступают через высокочастотный соединитель 12 в первую зону 15, где осуществляется их полосовая фильтрация, усиление, частотное преобразование с понижением несущей частоты до десятков мегагерц и аналого-цифровое преобразование. При преобразовании сигналов используются гетеродинные и тактовые сигналы, формируемые синтезаторами и формирователями частот, расположенными в первой зоне 15. Далее сигналы поступают во вторую зону 16, где осуществляется многоканальная корреляционная обработка, обработка в процессоре и интерфейсных элементах с формированием выходных низкочастотных сигналов, несущих навигационную информацию для потребителя. Выходные низкочастотные сигналы снимаются с соответствующих выводов низкочастотного соединителя 13.

Таким образом, совокупность предложенных конструктивных мер позволяет в заявляемом радиоэлектронном блоке решить поставленную техническую задачу устранения паразитных наводок и наведенных помех в заданных условиях плотной компоновки печатных проводников и разнотипных электрорадиоэлементов на многослойной печатной плате, использующей для своего питания один внешний источник питания.

Эксперименты, проведенные над радиоэлектронными блоками заявляемой конструкции с рассмотренной выше элементной базой, показали, что устранение паразитных наводок и наведенных помех, требуемое из условий обеспечения работоспособности при обработке сигналов СРНС "ГЛОНАСС" и "GPS", может быть реализовано при выполнении радиоэлектронного блока на многослойных печатных платах с габаритными размерами (ширина и длина) 45•95 мм и меньше.

Из рассмотренного следует, что заявляемый радиоэлектронный блок технически осуществим, промышленно реализуем, решает поставленную техническую задачу и имеет перспективы по широкому практическому использованию, в том числе при конструировании малогабаритной ("карманной") аппаратуры потребителей сигналов СРНС
Источники информации
1. Бортовые устройства спутниковой радионавигации. И.В. Кудрявцев, И.Н. Мищенко, А.И. Волынкин и др./Под ред. B. C. Шебшаевича. М.: Транспорт, 1988.

2. Авт. свид. СССР 1700789 (А1), кл. Н 05 К 7/02, опубл. 23.12.91.

3. Авт. свид. СССР 1786695 (А1), кл. Н 05 К 7/02, опубл. 07.01.93.

4. Авт. свид. СССР 1829127 (А1), кл. Н 05 К 7/02, опубл. 23.07.93.

5 И. Н. Филатов, О. А. Бакрунов, П.В. Панасенко. Микроэлектронные СВЧ устройства. М.: Высшая школа, 1987.

6. Свидетельство РФ на полезную модель 11644 (U1), кл. Н 05 К 1/00, опубл. 16.10.99.

7. А. А. Яшин. Конструирование микроблоков с общей герметизацией. М.: Радио и связь, 1985.

8. Патент РФ 2125775 (С1), кл. Н 05 К 1/00, 3/46, опубл.27.01.99 (прототип).

9. Конструирование радиоэлектронных средств / В.Ф. Борисов, О.П. Лавренов, АС. Назаров, А.Н. Чекмарев; Под ред. А.С. Назарова. М.: Издательство МАИ, 1996.

10. А.Д. Князев. Элементы теории и практики обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. М.: Радио и связь, 1984.

Изобретение относится к радиоэлектронике, может быть использовано при конструировании радиоэлектронных блоков, предназначенных в частности для приема и обработки сигналов спутниковых радионавигационных систем. Радиоэлектронный блок содержит многослойную печатную плату, в которой в наружных проводящих слоях размещены печатные проводники, контактные площадки, электрорадиоэлементы, высокочастотный соединитель для подключения приемной антенны и низкочастотный соединитель для подключения внешних устройств, а во внутренних проводящих слоях - остальные печатные проводники. Электрорадиоэлементы сгруппированы по зонам, первая из которых является зоной размещения электрорадиоэлементов, служащих для приема и частотного преобразования сигналов, а вторая - зоной размещения электрорадиоэлементов, служащих для цифровой обработки сигналов. Первой зоне соответствуют первая и вторая экранирующие земляные плоскости, выполненные во внутренних втором и предпоследнем проводящих слоях, второй зоне - третья экранирующая земляная плоскость, а также плоскость питания. В первой зоне проводники питания электрорадиоэлементов и проводник питания, связывающий выходной вывод коммутатора питания с входным выводом фильтра питания приемной антенны, сконцентрированы в одном внутреннем проводящем слое между внутренними вторым и предпоследним проводящими слоями при общем числе внутренних проводящих слоев не менее трех. Указанные проводники питания электрорадиоэлементов выполнены в виде печатных проводников, расходящихся лучами из узла разветвления, размещенного в пределах границ первой зоны и представляющего собой эквипотенциальную площадку. Здесь же на свободных участках площади выполнены земляные участки, соединенные с первой и второй экранирующими земляными плоскостями. Центр узла разветвления соединен с выходным выводом первого фильтра питания, входной вывод которого посредством отдельного печатного проводника соединен с выходным выводом второго фильтра питания, к которому также подключена плоскость питания, относящаяся к второй зоне. Технический результат: устранение паразитных наводок и наведенных помех в указанных условиях плотного размещения на многослойной печатной плате разнотипных электрорадиоэлементов и применения для их питания, а также для питания приемной антенны одного внешнего источника питания. 4 з.п.ф-лы, 9 ил.

1. Радиоэлектронный блок, содержащий многослойную печатную плату, в которой в наружных первом и последнем проводящих слоях размещены печатные проводники, контактные площадки, электрорадиоэлементы и соединители для внешних подключений, а во внутренних проводящих слоях - остальные печатные проводники электрической схемы, предназначенной для приема, частотного преобразования и цифровой обработки сигналов, причем межслойные соединения печатных проводников осуществлены посредством металлизированных отверстий межслойных соединений, электрорадиоэлементы, размещенные на многослойной печатной плате, сгруппированы по зонам, первая из которых является зоной размещения электрорадиоэлементов, служащих для приема и частотного преобразования сигналов, а вторая - зоной размещения электрорадиоэлементов, служащих для цифровой обработки сигналов, причем в первой зоне размещен также высокочастотный соединитель, предназначенный для подключения приемной антенны, а во второй зоне - низкочастотный соединитель, предназначенный для подключения внешних устройств, первой зоне соответствуют соединенные друг с другом посредством металлизированных отверстий межслойных соединений первая и вторая экранирующие земляные плоскости, выполненные соответственно во внутренних втором и предпоследнем проводящих слоях, соседствующих с наружными первым и последним проводящими слоями, а второй зоне соответствуют плоскость питания и третья экранирующая земляная плоскость, выполненные каждая в своем внутреннем проводящем слое, отличающийся тем, что в первой зоне проводники питания электрорадиоэлементов, а также дополнительный проводник питания, связывающий выходной вывод коммутатора питания приемной антенны с входным выводом фильтра питания приемной антенны, сконцентрированы в одном внутреннем проводящем слое между внутренними вторым и предпоследним проводящими слоями при общем числе внутренних проводящих слоев не менее трех, при этом проводники питания электрорадиоэлементов выполнены в виде печатных проводников, расходящихся лучами из узла разветвления, размещенного в пределах границ первой зоны и представляющего собой эквипотенциальную площадку, а на участках площади, остающихся в данном проводящем слое в пределах границ первой зоны свободными от размещения узла разветвления, проводников питания электрорадиоэлементов и дополнительного проводника питания, а также металлизированных отверстий межслойных соединений, не подлежащих заземлению, выполнены земляные участки, соединенные посредством соответствующих металлизированных отверстий межслойных соединений с первой и второй экранирующими земляными плоскостями по крайней мере в местах подключения к ним земляных выводов соответствующих электрорадиоэлементов первой зоны, центр узла разветвления соединен посредством соответствующего металлизированного отверстия межслойных соединений с выходным выводом первого фильтра питания, земляной вывод которого соединен с первой и второй экранирующими земляными плоскостями, а входной вывод посредством отдельного печатного проводника соединен с выходным выводом второго фильтра питания, входной и земляной выводы которого соединены соответственно с выводами "Питание" и "Земля" низкочастотного соединителя, служащими для подключения внешнего источника питания, причем с выводом "Земля" низкочастотного соединителя соединены также все указанные экранирующие земляные плоскости, с выходным выводом второго фильтра питания - также плоскость питания, относящаяся к второй зоне. 2. Радиоэлектронный блок по п.1, отличающийся тем, что соединение вывода "Земля" низкочастотного соединителя с первой и второй экранирующими земляными плоскостями осуществляется через третью экранирующую земляную плоскость, которая выполнена в одном внутреннем проводящем слое с первой или второй экранирующей земляной плоскостью и соединена с ней посредством земляной перемычки. 3. Радиоэлектронный блок по п.1, отличающийся тем, что первый фильтр питания выполнен в виде проходного помехоподавляющего фильтра. 4. Радиоэлектронный блок по п.1, отличающийся тем, что второй фильтр питания выполнен в виде проходного помехоподавляющего конденсатора. 5. Радиоэлектронный блок по п.1, отличающийся тем, что фильтр питания приемной антенны содержит по крайней мере одно Г-образное фильтрующее LC звено, у которого соединенные между собой первые выводы индуктивного и емкостного компонентов образуют его входной вывод, второй вывод индуктивного компонента образует выходной вывод, а второй вывод емкостного компонента образует земляной вывод.