МОДУЛЬ ПРИЕМНИКА СИГНАЛОВ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ Российский патент 2006 года по МПК H05K1/14 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при конструировании модулей приемников сигналов спутниковых радионавигационных систем (СРНС).

Модули приемников сигналов СРНС служат для обработки поступающих с приемной антенны сигналов СРНС (например, сигналов СРНС ГЛОНАСС и GPS) в целях получения навигационной информации и/или информации о точном времени. В большинстве случаев эта обработка состоит из аналоговой обработки и цифровой обработки. Аналоговая обработка включает в себя фильтрацию принимаемых сигналов СРНС от помех, преобразование их по частоте с понижением частоты и аналого-цифровое преобразование, а цифровая обработка включает в себя обработку в цифровом корреляторе, обработку в цифровом процессоре и обработку в преобразователе интерфейса. Все указанные этапы обработки сигналов СРНС осуществляются с помощью соответствующих аналоговых и цифровых функциональных узлов, которые размещаются на одной или нескольких печатных платах, как правило, многослойных.

В случае размещения аналоговых и цифровых функциональных узлов на одной печатной плате возникает проблема обеспечения их электромагнитной совместимости, т.е. проблема устранения паразитных наводок и наведенных помех и исключения взаимного влияния разнородных функциональных узлов друг на друга.

Известны одноплатные конструкции приемников сигналов СРНС, в которых проблема обеспечения электромагнитной совместимости разнородных функциональных узлов, осуществляющих аналоговую и цифровую обработку сигналов СРНС, решается путем их группировки по соответствующим функциональным зонам, экранируемым с помощью конструктивных средств многослойной печатной платы.

Например, в известных одноплатных конструкциях приемников сигналов СРНС, описанных в [1] - RU №2125775 (C1), H 05 K 1/00, 3/46, 27.01.1999, [2] - RU №2172080 (С1), H 05 K 1/00, 1/11, 1/14, 3/46, 10.08.2001, [3] - RU №2188522 (C1), H 05 K 1/14, Н 01 Р 11/00, 27.08.2002, [4] - RU №2192108 (C1), H 05 K 1/00, 1/11, 1/14, 3/46, 9/00, 27.10.2002, [5] - RU №2194375 (Cl), H 05 K 1/00, 1/11,1/14, 3/46, 9/00, 10.12.2002, [6] -RU №2199839 (C1), H 05 K 1/00, 1/11, 1/14, 3/46, 9/00, 27.02.2003, внутриплатная экранировка зон аналоговой и цифровой обработки сигналов осуществляется с помощью плоскостных экранов - земляных плоскостей, выполненных во внутренних проводящих слоях многослойной печатной платы и служащих проводниками питания потенциала «Земля» для электрорадиоэлементов соответствующих зон. Внутриплатная экранировка с помощью таких земляных плоскостей позволяет уменьшить влияние паразитных наводок и наведенных помех, создаваемых элементами, принадлежащими разным функциональным зонам и передаваемых в основном по цепям питания. Наибольший эффект такая внутриплатная экранировка дает в случаях, когда зоны аналоговой и цифровой обработки сигналов располагаются на многослойной печатной плате последовательно друг за другом (в соответствии с последовательностью обработки сигналов) и максимально разнесены друг от друга.

В ряде случаев для повышения экранирующего эффекта плоскостная экранировка, осуществляемая с помощью земляных плоскостей, служащих проводниками питания потенциала «Земля» для электрорадиоэлементов соответствующих зон, дополняется барьерной экранировкой, например, как в известной одноплатной конструкции модуля приемника сигналов СРНС, описанной в [7] - RU №2173036 (C1), H 05 K 1/00, 1/11, 1/14, 3/46,27.08.2001, принятой в качестве прототипа.

Модуль приемника сигналов СРНС, принятый в качестве прототипа, содержит многослойную печатную плату с N проводящими слоями, несущую печатные проводники и электрорадиоэлементы электрической схемы, предназначенной для приема и обработки сигналов СРНС, высокочастотный соединитель, предназначенный для подвода к многослойной печатной плате сигналов СРНС от внешнего антенного устройства, и низкочастотный соединитель, предназначенный для подвода к многослойной печатной плате управляющих сигналов от внешнего управляющего устройства и напряжения питания от внешнего источника питания и отвода от нее обработанных сигналов, несущих навигационную информацию и/или информацию о точном времени. При этом печатные проводники и электрорадиоэлементы сгруппированы по экранируемым с помощью плоскостных и барьерных экранов зонам аналоговой и цифровой обработки сигналов.

Зона аналоговой обработки сигналов в модуле-прототипе состоит из двух участков: участка частотного преобразования сигналов и участка аналого-цифрового преобразования. Зона цифровой обработки сигналов состоит из трех участков: участка цифровой корреляционной обработки сигналов, участка обработки сигналов в цифровом процессоре и участка интерфейсного преобразования. Указанные зоны и участки расположены последовательно вдоль длинной стороны многослойной печатной платы в соответствии с последовательностью обработки сигналов. При этом высокочастотный и низкочастотный соединители располагаются на противоположных концах многослойной печатной платы на максимальном удалении друг от друга; электрорадиоэлементы каждой из зон аналоговой и цифровой обработки сигналов располагаются по обеим сторонам многослойной печатной платы; граница, разделяющая зоны аналоговой и цифровой обработки сигналов, лежит в плоскости поперечного сечения многослойной печатной платы, электрические соединения между зонами осуществляются по проводящим слоям с помощью соединительных печатных проводников, пересекающих указанную границу, а электрические соединения между проводящими слоями осуществляются в пределах зон с помощью сквозных переходных отверстий (металлизированных отверстий межслойных соединений).

Плоскостные экраны зон аналоговой и цифровой обработки сигналов в модуле-прототипе образованы земляными плоскостями, служащими проводниками питания потенциала «Земля» для электрорадиоэлементов соответствующих зон. Земляные плоскости расположены в одном из внутренних проводящих слоев многослойной печатной платы и соединены между собой соответствующими земляными перемычками. При этом плоскостной экран зоны аналоговой обработки сигналов состоит из двух соединенных между собой земляными перемычками земляных плоскостей: земляной плоскости участка частотного преобразования сигналов и земляной плоскости участка аналого-цифрового преобразования, а плоскостной экран зоны цифровой обработки сигналов образован общей для всех участков данной зоны земляной плоскостью.

Барьерный экран зоны аналоговой обработки сигналов в модуле-прототипе образован системой экранирующих печатных проводников, расположенных по периметру участка частотного преобразования сигналов, а барьерный экран зоны цифровой обработки сигналов образован системой экранирующих печатных проводников, расположенных по границе с зоной аналоговой обработки сигналов. В каждом из этих барьерных экранов экранирующие печатные проводники расположены друг под другом в проводящих слоях многослойной печатной платы, свободных от размещения земляных плоскостей, соединены между собой и с соответствующей земляной плоскостью сквозными переходными отверстиями и имеют разрывы для прохождения через барьерные экраны соединительных печатных проводников.

Разводка питания в модуле-прототипе реализована следующим образом. Напряжение питания от внешнего источника питания поступает на выводы «Питание» и «Земля» низкочастотного соединителя. С вывода «Земля» низкочастотного соединителя напряжение питания потенциала «Земля» поступает на электрически соединенную с ним земляную плоскость зоны цифровой обработки сигналов, а с нее - на соединенные земляными перемычками земляные плоскости участков аналого-цифрового и частотного преобразования сигналов зоны аналоговой обработки сигналов. С вывода «Питание» низкочастотного соединителя напряжение питания потенциала «Питание» поступает вначале на электрически соединенный с ним входной вывод входного фильтра питания, затем с его выходного вывода поступает на плоскость цифрового питания, а с нее - последовательно через второй и третий фильтры питания - на проводники питания участков аналого-цифрового и частотного преобразования сигналов.

Обрабатываемые сигналы СРНС в модуле-прототипе проходят путь в направлении, противоположном направлению разводки питания, а именно путь от высокочастотного соединителя через участки частотного и аналого-цифрового преобразования сигналов в зону цифровой обработке сигналов, а с нее - к низкочастотному соединителю. В процессе своей обработки сигналы СРНС усиливаются, фильтруются от помех, преобразуются по частоте с понижением частоты, подвергаются аналого-цифровому преобразованию, обрабатываются в цифровом корреляторе и цифровом процессоре, преобразуются в преобразователе интерфейса. При этом за счет указанных конструктивных мер (внутриплатная экранировка зон с помощью плоскостных и барьерных экранов, последовательное расположение зон вдоль длинной стороны многослойной печатной платы, пространственное разнесение высокочастотного и низкочастотного соединителей, применение фильтров в цепи питания) в модуле-прототипе удается уменьшить до приемлемого уровня взаимное влияние разнородных функциональных узлов, осуществляющих аналоговую и цифровую обработку сигналов в соответствующих зонах, т.е. решить проблему обеспечения их внутриплатной электромагнитной совместимости.

Рассмотренная конструкция модуля-прототипа характеризуется последовательным расположением экранируемых с помощью плоскостных и барьерных экранов зон аналоговой и цифровой обработки сигналов вдоль длинной стороны многослойной печатной платы и двухсторонним размещением электрорадиоэлементов в каждой из этих зон. Такая конструкция в наибольшей степени отвечает использованию элементной базы низкого и среднего уровня интеграции, позволяя реализовать плотное размещение большого количества дискретных электрорадиоэлементов по обеим сторонам многослойной печатной платы.

Однако с повышением уровня интеграции используемой элементной базы и уменьшением в связи с этим общего числа электрорадиоэлементов рассмотренная конструкция, предусматривающая последовательное расположение зон аналоговой и цифровой обработки сигналов при двухстороннем размещении электрорадиоэлементов в пределах каждой из зон, становится неоптимальной с точки зрения возможностей миниатюризации конструкции.

Одним из возможных путей миниатюризации конструкции модуля приемника сигналов СРНС, использующего элементную базу повышенного уровня интеграции, является предлагаемое в настоящей заявке одностороннее размещение электрорадиоэлементов в пределах каждой из зон аналоговой и цифровой обработки сигналов при одновременном размещение этих зон друг под другом по разным сторонам многослойной печатной платы. При этом, однако, встает проблема обеспечения электромагнитной совместимости этих зон в новых условиях, характеризующихся существенным увеличением площади их совместной границы, определяемой теперь площадью самих зон, а не площадью поперечного сечения многослойной печатной платы, что имеет место в модуле-прототипе [7] и аналогах [1]-[6].

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является создание конструкции одноплатного модуля приемника сигналов СРНС, в котором реализуется новый для таких модулей принцип размещения зон аналоговой и цифровой обработки сигналов - не друг за другом вдоль многослойной печатной платы, как это осуществлено в модуле-прототипе и аналогах, а друг под другом по разным сторонам многослойной печатной платы, и в котором обеспечивается внутриплатная электромагнитная совместимость зон аналоговой и цифровой обработки сигналов в новых условиях, характеризующихся увеличением площади их совместной границы, определяемой, как указано выше, площадью самих зон.

Сущность изобретения заключается в следующем. Модуль приемника сигналов СРНС содержит многослойную печатную плату с N проводящими слоями и переходными отверстиями, посредством которых осуществляются межслойные электрические соединения, несущую печатные проводники и электрорадиоэлементы электрической схемы, предназначенной для приема и обработки сигналов СРНС, высокочастотный соединитель, предназначенный для подвода к многослойной печатной плате сигналов СРНС, и низкочастотный соединитель, предназначенный для подвода к многослойной печатной плате напряжения питания и управляющих сигналов и отвода от нее обработанных сигналов. При этом печатные проводники и электрорадиоэлементы сгруппированы по зонам аналоговой и цифровой обработки сигналов, экранируемым с помощью барьерных и плоскостных экранов, причем барьерные экраны образованы соединенными соответствующими переходными отверстиями экранирующими печатными проводниками, выполненными в проводящих слоях друг под другом, а плоскостные экраны образованы земляными плоскостями, служащими проводниками питания потенциала «Земля» для электрорадиоэлементов соответствующих зон. При этом земляная плоскость зоны цифровой обработки сигналов электрически соединена с выводом «Земля» низкочастотного соединителя, а вывод «Питание» низкочастотного соединителя электрически соединен с входным выводом входного фильтра питания, расположенного в зоне цифровой обработки сигналов. В отличие от прототипа зона аналоговой обработки сигналов занимает проводящие слои с первого по n-й, а зона цифровой обработки сигналов располагается под зоной аналоговой обработки сигналов и занимает проводящие слои с (n+1)-го по N-й, где n≥5, N-n≥5, причем межслойные электрические соединения в каждой из этих зон осуществляются с помощью глухих переходных отверстий, а межслойные электрические соединения между этими зонами осуществляются с помощью сквозных переходных отверстий. При этом в n-ом и (n+1)-ом проводящих слоях располагаются дополнительные экранирующие плоскости, соединенные соответствующими сквозными переходными отверстиями друг с другом и с экранирующими печатными проводниками барьерных экранов зон аналоговой и цифровой обработки сигналов, расположенными по периметрам этих зон соответственно в проводящих слоях с первого по (n-1)-й и с (n+2)-го по N-й, а также с земляными плоскостями этих зон, расположенными соответственно в i-ом проводящем слое между первым и n-ым проводящими слоями и в k-ом проводящем слое между (n+1)-ым и N-ым проводящими слоями. Выходной вывод входного фильтра питания электрически соединен с входным выводом расположенного в N-ом проводящем слое в зоне цифровой обработки сигналов формирователя напряжения цифрового питания, выходной вывод которого электрически соединен с плоскостью цифрового питания, расположенной в m-ом проводящем слое между (n+1)-ым и N-ым проводящими слоями, где m≠k. Кроме того, выходной вывод входного фильтра питания электрически соединен с входным выводом расположенного в первом проводящем слое в зоне аналоговой обработки сигналов формирователя напряжения аналогового питания, выходной вывод которого электрически соединен с общей точкой проводников аналогового питания, расположенных в j-ом проводящем слое между первым и n-ым проводящими слоями, где j≠i.

В вариантах реализации, имеющих практическое значение, в качестве высокочастотного и низкочастотного соединителей используются предназначенные для поверхностного монтажа высокочастотный и низкочастотный соединители с планарными выводами.

Сущность изобретения и его реализуемость поясняются чертежами, представленными на фиг.1-16, иллюстрирующими пример выполнения модуля приемника сигналов СРНС на двенадцатислойной (N=12) печатной плате.

На фиг.1 представлен вид двенадцатислойной печатной платы в разрезе (расположение печатных проводников и переходных отверстий условное);

на фиг.2 - фрагмент расположения электрорадиоэлементов в первом проводящем слое (вид со стороны элементов первого проводящего слоя, печатные проводники условно не показаны);

на фиг.3 - фрагмент расположения электрорадиоэлементов в двенадцатом проводящем слое (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные, печатные проводники условно не показаны);

на фиг.4 - фрагмент рисунка печати первого проводящего слоя;

на фиг.5 - фрагмент рисунка печати второго проводящего слоя (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные);

на фиг.6 - фрагмент рисунка печати третьего проводящего слоя (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные);

на фиг.7 - фрагмент рисунка печати четвертого проводящего слоя (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные);

на фиг.8 - фрагмент рисунка печати пятого проводящего слоя (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные);

на фиг.9 - фрагмент рисунка печати шестого проводящего слоя (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные);

на фиг.10 - фрагмент рисунка печати седьмого проводящего слоя (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные);

на фиг.11 - фрагмент рисунка печати восьмого проводящего слоя (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные);

на фиг.12 - фрагмент рисунка печати девятого проводящего слоя (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные);

на фиг.13 - фрагмент рисунка печати десятого проводящего слоя (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные);

на фиг.14 - фрагмент рисунка печати одиннадцатого проводящего слоя (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные);

на фиг.15 - фрагмент рисунка печати двенадцатого проводящего слоя (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные);

на фиг.16 - фрагмент функциональной схемы, поясняющий особенности разводки питания.

Заявляемый модуль приемника сигналов СРНС (далее модуль) содержит многослойную печатную плату 1 с N проводящими слоями 2. В рассматриваемом примере многослойная печатная плата 1 имеет двенадцать (N=12) проводящих слоев 2, а именно первый проводящий слой 2₁, второй проводящий слой 2₂, третий проводящий слой 2₃, четвертый проводящий слой 2₄, пятый проводящий слой 2₅, шестой проводящий слой 2₆, седьмой проводящий слой 2₇, восьмой проводящий слой 2₈, девятый проводящий слой 2₉, десятый проводящий слой 2₁₀, одиннадцатый проводящий слой 2₁₁ и двенадцатый проводящий слой 2₁₂ (фиг.1-15). Проводящие слои 2₁ и 2₁₂ являются наружными, а проводящие слои 2₂÷2₁₁ - внутренними; все проводящие слои 2 (2₁, 2₂, 2₃, 2₄, 2₅, 2₆, 2₇, 2₈, 2₉, 2₁₀, 2₁₁, 2₁₂) отделены друг от друга соответствующими изолирующими слоями 3 (фиг.1).

Многослойная печатная плата 1 несет высокочастотный соединитель 4, низкочастотный соединитель 5, а также печатные проводники и электрорадиоэлементы электрической схемы, предназначенной для приема и обработки сигналов СРНС, сгруппированные по зонам аналоговой 6 и цифровой 7 обработки сигналов (фиг.1-3). Данная электрическая схема может быть выполнена, например, как в приемнике сигналов СРНС, представленном в [8] - RU №2178894 (C1), G 01 S 5/14, 25.09.2000.

Высокочастотный соединитель 4 служит для присоединения коаксиального кабеля, подводящего к многослойной печатной плате 1 сигналы СРНС, поступающие с внешнего антенного устройства. В рассматриваемом примере высокочастотный соединитель 4 расположен в первом проводящем слое 2₁ на краю зоны 6 аналоговой обработки сигналов (фиг.2). В качестве высокочастотного соединителя 4 может использоваться предназначенный для поверхностного монтажа высокочастотный соединитель с планарными выводами, например розетка типа «UMP Н3 К107 303 040W» фирмы «RADIALL».

Низкочастотный соединитель 5 служит для присоединения проводного жгута, подводящего к многослойной печатной плате 1 напряжение питания от внешнего источника питания и управляющие сигналы от внешнего управляющего устройства (пульта управления) и отводящего обработанные сигналы, несущие навигационную информацию и/или информацию о точном времени. В рассматриваемом примере низкочастотный соединитель 5 расположен в двенадцатом проводящем слое 2₁₂ за границей зоны 7 цифровой обработки сигналов (фиг.3). В качестве низкочастотного соединителя 5 может использоваться предназначенный для поверхностного монтажа низкочастотный соединитель с планарными выводами, например розетка типа «MLE-125-01-G-DV-K» фирмы «SAMTEC».

Зона 6 аналоговой обработки сигналов занимает проводящие слои с первого по n-й, а зона 7 цифровой обработки сигналов располагается под зоной 6 аналоговой обработки сигналов и занимает проводящие слои с (n+1)-го по N-й, где n≥5, N-n≥5. В рассматриваемом примере, отвечающем случаю N=12, n=6, N-n=6, зона 6 аналоговой обработки сигналов занимает первые шесть проводящих слоев 2₁, 2₂, 2₃, 2₄, 2₅, 2₆ (фиг.1, 2, 4-9), а зона 7 цифровой обработки сигналов занимает остальные шесть проводящих слоев 2₇, 2₈, 2₉, 2₁₀, 2₁₁, 2₁₂ (фиг.1, 3, 10-15).

Межслойные электрические соединения внутри зоны 6 аналоговой обработки сигналов осуществляются с помощью глухих переходных отверстий 8, межслойные электрические соединения внутри зоны 7 цифровой обработки сигналов осуществляются с помощью глухих переходных отверстий 9, а межслойные электрические соединения между зонами аналоговой 6 и цифровой 7 обработки сигналов осуществляются с помощью сквозных переходных отверстий 10. Примеры выполнения и размещения некоторых из этих переходных отверстий представлены на фиг.1,4-15.

Внутриплатная экранировка зон аналоговой 6 и цифровой 7 обработки сигналов осуществляется с помощью плоскостных и барьерных экранов.

В зоне 6 аналоговой обработки сигналов плоскостной экран образован расположенной в i-ом проводящем слое между первым и n-ым проводящими слоями земляной плоскостью 11, служащей проводником питания потенциала «Земля» для электрорадиоэлементов данной зоны. В рассматриваемом примере земляная плоскость 11 расположена во втором (i=2) проводящем слое 2₂ (фиг.5). С земляной плоскостью 11 соединены (с помощью соответствующих глухих переходных отверстий 8) земляные выводы электрорадиоэлементов зоны 6 аналоговой обработки сигналов.

Барьерный экран в зоне 6 аналоговой обработки сигналов образован экранирующими печатными проводниками 12, выполненными по периметру данной зоны друг под другом в проводящих слоях с первого по (n-1)-й. В рассматриваемом примере этот барьерный экран образован экранирующими печатными проводниками 12₁, 12₂, 12₃, 12₄, 12₅, расположенными соответственно в проводящих слоях 2₁, 2₂, 2₃, 2₄, 2₅ (фиг.4-8). При необходимости, в экранирующих печатных проводниках 12 выполняются разрывы для печатных проводников, пересекающих образуемый ими барьерный экран. В рассматриваемом примере разрыв выполнен в экранирующем печатном проводнике 12₁, расположенном в первом проводящем слое 2₁. Через этот разрыв проходят печатные проводники, связанные с высокочастотным соединителем 4 (фиг.2, 4). Остальные экранирующие печатные проводники 12₂÷12₅, расположенные в проводящих слоях 2₂÷2₅, в рассматриваемом примере выполнены без разрывов (фиг.5-8).

Кроме этого, в зоне 6 аналоговой обработки сигналов имеется дополнительная экранирующая плоскость 13, расположенная в n-ом проводящем слое (в рассматриваемом примере в шестом проводящем слое 2₆, фиг.9). В отличие от земляной плоскости 11 дополнительная экранирующая плоскость 13 не несет функцию проводника питания потенциала «Земля» для электрорадиоэлементов зоны 6 аналоговой обработки сигналов, к ней не подсоединены земляные выводы электрорадиоэлементов данной зоны.

В зоне 7 цифровой обработки сигналов плоскостной экран образован расположенной в k-ом проводящем слое между (n+1)-ым и N-ым проводящими слоями земляной плоскостью 14, служащей проводником питания потенциала «Земля» для электрорадиоэлементов данной зоны. В рассматриваемом примере земляная плоскость 14 расположена в одиннадцатом (k=11) проводящем слое 2₁₁ (фиг.14). С земляной плоскостью 14 соединены (с помощью соответствующих глухих переходных отверстий 9) земляные выводы электрорадиоэлементов зоны 7 цифровой обработки сигналов.

Барьерный экран в зоне 7 цифровой обработки сигналов образован экранирующими печатными проводниками 15, выполненными по периметру данной зоны друг под другом в проводящих слоях с (n+2)-го по N-й. В рассматриваемом примере этот барьерный экран образован экранирующими печатными проводниками 15₈, 15₉, 15₁₀, 15₁₁, 15₁₂, расположенными соответственно в проводящих слоях 2₈, 2₉, 2₁₀, 2₁₁, 2₁₂ (фиг.11-15). При необходимости, в экранирующих печатных проводниках 15 выполняются разрывы для печатных проводников, пересекающих образуемый ими барьерный экран. В рассматриваемом примере разрывы выполнены в экранирующих печатных проводниках 15₈÷15₁₁, расположенных в проводящих слоях 2₈÷2₁₁. Через эти разрывы проходят печатные проводники, связанные с низкочастотным соединителем 5 (фиг.3, 11-14). Экранирующий печатный проводник 15₁₂, расположенный в двенадцатом проводящем слое 2₁₂, в рассматриваемом примере выполнен без разрывов (фиг.15).

Кроме этого, в зоне 7 цифровой обработки сигналов имеется дополнительная экранирующая плоскость 16, расположенная в (n+1)-ом проводящем слое (в рассматриваемом примере в седьмом проводящем слое 2₇, фиг.10). В отличие от земляной плоскости 14 дополнительная экранирующая плоскость 16 не несет функцию проводника питания потенциала «Земля» для электрорадиоэлементов зоны 7 цифровой обработки сигналов, к ней не подсоединены земляные выводы электрорадиоэлементов данной зоны.

Дополнительные экранирующие плоскости 13 и 16 соединены соответствующими сквозными переходными отверстиями 10 друг с другом и с экранирующими печатными проводниками 12 и 15 барьерных экранов зон аналоговой 6 и цифровой 7 обработки сигналов (фиг.4-15). Для обеспечения возможности этого соединения экранирующие печатные проводники 12 и 15 барьерных экранов обеих зон на преобладающих участках своего размещения располагаются друг под другом (фиг.4-15).

Совокупность экранирующих печатных проводников 12 (12₁, 12₂, 12₃, 12₄, 12₅) барьерного экрана зоны 6 аналоговой обработки сигналов, экранирующих печатных проводников 15 (15₈, 15₉, 15₁₀, 15₁₁, 15₁₂) барьерного экрана зоны 7 цифровой обработки сигналов и дополнительных экранирующих плоскостей 13 и 16, соединенных между собой соответствующими сквозными переходными отверстиями 10, образует в теле многослойной печатной платы 1 электропроводящий каркас внутриплатного объемного экрана с двумя отсеками, в первом из которых располагаются электрорадиоэлементы, печатные проводники и земляная плоскость 11 зоны 6 аналоговой обработки сигналов, а во втором - электрорадиоэлементы, печатные проводники и земляная плоскость 14 зоны 7 цифровой обработки сигналов.

Земляные плоскости 11 и 14 соединены друг с другом и с дополнительными экранирующими плоскостями 13 и 16. В рассматриваемом примере это соединение осуществлено с помощью сквозного переходного отверстия 10_A (фиг.5, 9, 10, 14).

Расположенные в первом и двенадцатом проводящих слоях экранирующие печатные проводники 12₁ и 15₁₂ могут быть использованы, при необходимости, для установки на них внешних металлических экранов, предназначенных для дополнительной экранировки зон аналоговой 6 и цифровой 7 обработки сигналов с внешней стороны (на фиг.1-16 не показаны). Для обеспечения этой возможности ширина экранирующих печатных проводников 12₁ и 15₁₂ выбирается, например, от 1,5 мм до 2,5 мм.

Цепь подвода питания в зоны аналоговой 6 и цифровой 7 обработки сигналов в заявляемом модуле выполнена следующим образом.

Выводы «Земля» и «Питание» низкочастотного соединителя 5, предназначенные для подключения внешнего источника питания, соединены в двенадцатом проводящем слое 2₁₂ соответственно с контактными площадками 17 «Земля» и 18 «Питание» (фиг.15, 16).

Контактная площадка 17 «Земля», выполняющая функцию точки подвода потенциала «Земля» на многослойной печатной плате 1, электрически соединена с земляной плоскостью 14 зоны 7 цифровой обработки сигналов. В рассматриваемом примере это соединение осуществлено следующим образом: с контактной площадкой 17 «Земля» с помощью глухих переходных отверстий 9_A соединен расположенный под низкочастотным соединителем 5 в одиннадцатом проводящем слое 2₁₁ земляной участок 19, который с помощью земляной перемычки 20 соединен с земляной плоскостью 14 зоны 7 цифровой обработки сигналов (фиг.14-16). В свою очередь, как указано выше, земляная плоскость 14 зоны 7 цифровой обработки сигналов соединена с помощью сквозного переходного отверстия 10_A с земляной плоскостью 11 зоны 6 аналоговой обработки сигналов (фиг.5).

Контактная площадка 18 «Питание», выполняющая функцию точки подвода потенциала «Питание» на многослойной печатной плате 1, электрически соединена с входным выводом входного фильтра питания 21, расположенного в зоне 7 цифровой обработки сигналов в двенадцатом проводящем слое 21₂ (фиг.3, 16). В рассматриваемом примере это соединение осуществлено с помощью глухих переходных отверстий 9_Б и 9 В и печатного проводника 22, расположенного в восьмом проводящем слое 2₈ (фиг.11-16).

Входной фильтр питания 21, реализующий, например, функцию фильтра нижних частот, служит для подавления высокочастотных составляющих во входном питающем напряжении, поступающем от внешнего источника питания. В качестве входного фильтра питания 21 может использоваться, например, фильтр типа «NFM4516P13C204F» фирмы «MURATA», предназначенный для поверхностного монтажа.

Выходной вывод входного фильтра питания 21 электрически соединен с входным выводом формирователя 23 напряжения цифрового питания, расположенного в зоне 7 цифровой обработки сигналов в двенадцатом проводящем слое 2₁₂ (фиг.3, 16). В рассматриваемом примере это соединение осуществлено с помощью печатного проводника 24, расположенного в двенадцатом проводящем слое 2₁₂ (фиг.15,16).

Кроме этого, выходной вывод входного фильтра питания 21 электрически соединен с входным выводом формирователя 25 напряжения аналогового питания, расположенного в зоне 6 аналоговой обработки сигналов в первом проводящем слое 2₁ (фиг.2, 16). В рассматриваемом примере это соединение осуществлено с помощью сквозного переходного отверстия 10_Б и расположенного в первом проводящем слое 2₁ печатного проводника 26, соединенного с входным выводом формирователя 25 напряжения аналогового питания (фиг.2,4-16).

Формирователи 23 и 25 напряжений цифрового и аналогового питания выполняют функцию вторичных источников питания, формирующих на своих выходах стабилизированные напряжения определенного уровня, необходимые для питания активных элементов соответствующих зон. В качестве формирователей 23 и 25 напряжений цифрового и аналогового питания могут быть использованы, например, стабилизированные преобразователи постоянного напряжения типа «ADP3333ARM-3.15 RM-8» фирмы «Analog Devices» или им аналогичные.

Выходной вывод формирователя 23 напряжения цифрового питания электрически соединен с плоскостью 27 цифрового питания, расположенной в m-ом проводящем слое между (n+1)-ым и N-ым проводящими слоями, где m≠k. В рассматриваемом примере, отвечающем случаю N=12, n=6, i=2, k=11, плоскость 27 цифрового питания расположена в восьмом (m=8) проводящем слое 2₈ (фиг.11), а указанное ее электрическое соединение с выходным выводом формирователя 23 напряжения цифрового питания осуществлено с помощью глухого переходного отверстия 9_Г (фиг.10-16). С плоскостью 27 цифрового питания электрически соединены выводы питания соответствующих электрорадиоэлементов зоны 7 цифровой обработки сигналов.

Выходной вывод формирователя 25 напряжения аналогового питания электрически соединен с общей точкой 28 проводников 29 аналогового питания, расположенных в j-ом проводящем слое между первым и n-ым проводящими слоями, где j≠i. В рассматриваемом примере проводники 29 аналогового питания расположены в пятом (j=5) проводящем слое 25 (фиг.8), а указанное электрическое соединение их общей точки 28 с выходным выводом формирователя 25 напряжения аналогового питания осуществлено с помощью глухого переходного отверстия 8_A (фиг.4-8, 16). С проводниками 29 аналогового питания электрически соединены выводы питания соответствующих электрорадиоэлементов зоны 6 аналоговой обработки сигналов.

Практические реализации заявляемого модуля, представляющие собой опытные образцы модулей приемников сигналов СРНС ГЛОНАСС/GPS частотного диапазона F1/L1, характеризуются следующими конструктивными параметрами: габариты двена-дцатислойной печатной платы 1 составляют примерно 50×50×2,5 мм; толщина центрального изолирующего слоя 3 между проводящими слоями 2₆, и 2₇ составляет примерно 0,37 мм, а остальных изолирующих слоев 3 - примерно 0,19 мм; ширина экранирующих печатных проводников 12 и 15 составляет не менее 1,5 мм; расстояние между экранирующими печатными проводниками 12 и 15 и ближайшими к ним печатными элементами в соответствующих проводящих слоях составляет не менее 0,5 мм.

Работа заявляемого модуля осуществляется следующим образом.

Через высокочастотный соединитель 4 на многослойную печатную плату 1 от внешнего антенного устройства поступают сигналы СРНС, например сигналы СРНС ГЛОНАСС и GPS частотного диапазона 1,2-1,7 ГГц. Через низкочастотный соединитель 5 на многослойную печатную плату 1 поступают необходимые для работы модуля управляющие сигналы от внешнего управляющего устройства и напряжение питания от внешнего источника питания. Через этот же низкочастотный соединитель 5 осуществляется отвод обработанных сигналов, несущих навигационную информацию и/или информацию о точном времени для потребителя.

Напряжение питания от внешнего источника питания - входное питающее напряжение - поступает на контактные площадки 17 «Земля» и 18 «Питание».

С контактной площадки 18 «Питание» входное питающее напряжение потенциала «Питание» проходит через входной фильтр питания 21 на вход формирователя 23 напряжения цифрового питания, а также на вход формирователя 25 напряжения аналогового питания. Входной фильтр питания 21 ослабляет высокочастотные составляющие входного питающего напряжения, а формирователи 23 и 25 формируют из отфильтрованного входного питающего напряжения стабилизированные напряжения нужных уровней для питания электрорадиоэлементов зон цифровой 7 и аналоговой 6 обработки сигналов.

С выхода формирователя 23 напряжение цифрового питания поступает на плоскость 27 цифрового питания, а с нее - на выводы питания соответствующих электрорадиоэлементов зоны 7 цифровой обработки сигналов.

С выхода формирователя 25 напряжение аналогового питания поступает на общую точку 28 проводников 29 аналогового питания, а с них - на выводы питания соответствующих электрорадиоэлементов зоны 6 аналоговой обработки сигналов.

Питающее напряжение потенциала «Земля» поступает с контактной площадки 17 «Земля» вначале на земляную плоскость 14, служащую проводником питания потенциала «Земля» для электрорадиоэлементов зоны 7 цифровой обработки сигналов, а с нее - посредством сквозного переходного отверстия 10_A - на земляную плоскость 11, служащую проводником питания потенциала «Земля» для электрорадиоэлементов зоны 6 цифровой обработки сигналов.

В зоне 6 аналоговой обработки сигналов сигналы СРНС подвергаются усилению, фильтрации от помех, частотному преобразованию с понижением несущей частоты до десятков мегагерц, а также аналого-цифровому преобразованию, при этом используются гетеродинные и тактовые сигналы, формируемые в этой же зоне. Преобразованные в зоне 6 аналоговой обработки сигналов сигналы СРНС вместе с тактовыми сигналами передаются в зону 7 цифровой обработки сигналов через соответствующие сквозные переходные отверстия 10, пересекающие земляные плоскости 11 и 14, дополнительные экранирующие плоскости 13 и 16 и плоскость 27 цифрового питания через выполненные в них окна, лишенные металлизации. В зоне 7 цифровой обработки сигналов сигналы СРНС подвергаются многоканальной корреляционной обработке, обработке в цифровом процессоре, а затем преобразованию в преобразователе интерфейса, при этом используются тактовые сигналы, сформированные в зоне 6 аналоговой обработки сигналов. Обработанные таким образом сигналы, несущие навигационную информацию и/или информацию о точном времени, поступают на соответствующие выводы низкочастотного соединителя 5, откуда снимаются потребителем.

Рассмотренная обработка сигналов СРНС осуществляется в заявляемом модуле в условиях, когда зоны аналоговой 6 и цифровой 7 обработки сигналов располагаются друг под другом по разным сторонам многослойной печатной платы 1 и площадь их совместной границы определяется площадью самих зон (в отличие от прототипа и аналогов, где площадь границы между аналогичными зонами определяется площадью поперечного сечения многослойной печатной платы). Несмотря на такое неблагоприятное (с точки зрения электромагнитной совместимости) расположение зон аналоговой 6 и цифровой 7 обработки сигналов в заявляемом модуле, за счет совокупности рассмотренных выше конструктивных мер по внутриплатной экранировке и разводке питания удается уменьшить до приемлемого уровня взаимное негативное влияние электрорадиоэлементов этих зон (т.е. уменьшить уровень взаимных наводок и наведенных помех) и тем самым обеспечить возможность получения неискаженной навигационной информации и/или информации о точном времени.

Рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение осуществимо и обеспечивает достижение требуемого технического результата, заключающегося в создании конструкции одноплатного модуля приемника сигналов СРНС с размещением зон аналоговой и цифровой обработки сигналов друг под другом по разным сторонам многослойной печатной платы и обеспечением в этих условиях их внутриплатной электромагнитной совместимости.

Источники информации

1. RU №2125775 (C1), H 05 К 1/00, 3/46, опубл.27.01.1999.

2. RU №2172080 (С1), H 05 К 1/00,1/11,1/14, 3/46, опубл.10.08.2001.

3. RU №2188522 (C1), H 05 К 1/14, H 01 P 11/00, опубл.27.08.2002.

4. RU №2192108 (С1), H 05 К 1/00,1/11,1/14, 3/46, 9/00, опубл.27.10.2002.

5. RU №2194375 (С1), H 05 К 1/00,1/11,1/14, 3/46,9/00, опубл.10.12.2002.

6. RU №2199839 (С1), H 05 К 1/00,1/11,1/14, 3/46. 9/00, опубл.27.02.2003.

7. RU №2173036 (С1), H 05 К 1/00,1/11,1/14, 3/46, опубл.27.08.2001.

8. RU №2178894 (C1), G 01 S 5/14, опубл.25.09.2000.

Изобретение относится к радиотехнике. Технический результат заключается в создании одноплатной конструкции с размещением зон аналоговой и цифровой обработки сигналов друг под другом по разным сторонам многослойной печатной платы и обеспечением в этих условиях их внутриплатной электромагнитной совместимости. Сущность изобретения состоит в том, что модуль содержит многослойную печатную плату с N проводящими слоями, несущую высокочастотный и низкочастотный соединители, а также печатные проводники и электрорадиоэлементы, сгруппированные по зонам аналоговой и цифровой обработки сигналов, причем первая из этих зон занимает проводящие слои с первого по n-й, а вторая располагается под первой и занимает проводящие слои с (n+1)-го по N-й, где n≥5, N-n≥5. Межслойные электрические соединения в каждой из зон осуществляются с помощью глухих переходных отверстий, а межслойные электрические соединения между зонами осуществляются с помощью сквозных переходных отверстий. В n-ом и (n+1)-ом проводящих слоях располагаются экранирующие плоскости, соединенные соответствующими сквозными переходными отверстиями друг с другом и с экранирующими печатными проводниками, расположенными по периметрам зон аналоговой и цифровой обработки сигналов в проводящих слоях с первого по (n-1)-й и с (n+2)-го по N-й соответственно, а также с земляными плоскостями этих зон, расположенными соответственно в i-ом проводящем слое между первым и n-ым проводящими слоями и в k-ом проводящем слое между (n+1)-ым и N-ым проводящими слоями. Земляная плоскость зоны цифровой обработки сигналов электрически соединена с выводом «Земля» низкочастотного соединителя. Вывод «Питание» низкочастотного соединителя через входной фильтр питания электрически соединен с входными выводами формирователей напряжений цифрового и аналогового питания, выходные выводы которых электрически соединены соответственно с плоскостью цифрового питания и с общей точкой проводников аналогового питания. 1 з.п. ф-лы,16 ил.

1. Модуль приемника сигналов спутниковых радионавигационных систем, содержащий многослойную печатную плату с N проводящими слоями и переходными отверстиями, посредством которых осуществляются межслойные электрические соединения, несущую печатные проводники и электрорадиоэлементы электрической схемы, предназначенной для приема и обработки сигналов спутниковых радионавигационных систем (СРНС), высокочастотный соединитель, предназначенный для подвода к многослойной печатной плате сигналов СРНС, и низкочастотный соединитель, предназначенный для подвода к многослойной печатной плате напряжения питания и управляющих сигналов и отвода от нее обработанных сигналов, при этом печатные проводники и электрорадиоэлементы сгруппированы по зонам аналоговой и цифровой обработки сигналов, экранируемым с помощью барьерных и плоскостных экранов, причем барьерные экраны образованы соединенными соответствующими переходными отверстиями экранирующими печатными проводниками, выполненными в проводящих слоях друг под другом, а плоскостные экраны образованы земляными плоскостями, служащими проводниками питания потенциала «Земля» для электрорадиоэлементов соответствующих зон, при этом земляная плоскость зоны цифровой обработки сигналов электрически соединена с выводом «Земля» низкочастотного соединителя, а вывод «Питание» низкочастотного соединителя электрически соединен с входным выводом входного фильтра питания, расположенного в зоне цифровой обработки сигналов, отличающийся тем, что зона аналоговой обработки сигналов занимает проводящие слои с первого по n-ый, а зона цифровой обработки сигналов располагается под зоной аналоговой обработки сигналов и занимает проводящие слои с (n+1)-го по N-ый, где n≥5, N-n≥5, причем межслойные электрические соединения в каждой из этих зон осуществляются с помощью глухих переходных отверстий, а межслойные электрические соединения между этими зонами осуществляются с помощью сквозных переходных отверстий, при этом в n-ом и (n+1)-ом проводящих слоях располагаются дополнительные экранирующие плоскости, соединенные соответствующими сквозными переходными отверстиями друг с другом и с экранирующими печатными проводниками барьерных экранов зон аналоговой и цифровой обработки сигналов, расположенными по периметрам этих зон соответственно в проводящих слоях с первого по (n-1)-ый и с (n+2)-го по N-ый, а также с земляными плоскостями этих зон, расположенными соответственно в i-ом проводящем слое между первым и n-ым проводящими слоями и в k-ом проводящем слое между (n+1)-ым и N-ым проводящими слоями, а выходной вывод входного фильтра питания электрически соединен с входным выводом расположенного в N-ом проводящем слое в зоне цифровой обработки сигналов формирователя напряжения цифрового питания, выходной вывод которого электрически соединен с плоскостью цифрового питания, расположенной в m-ом проводящем слое между (n+1)-ым и N-ым проводящими слоями, где m≠k, а, кроме того, выходной вывод входного фильтра питания электрически соединен с входным выводом расположенного в первом проводящем слое в зоне аналоговой обработки сигналов формирователя напряжения аналогового питания, выходной вывод которого электрически соединен с общей точкой проводников аналогового питания, расположенных в j-ом проводящем слое между первым и n-ым проводящими слоями, где j≠i.2. Модуль по п.1, отличающийся тем, что в качестве высокочастотного и низкочастотного соединителей используются предназначенные для поверхностного монтажа высокочастотный и низкочастотный соединители с планарными выводами.