Радиоэлектронные средства. Особенности функционирования и тенденции развития

1.1 Состояние, тенденции и основные направления развития электронного приборостроения

Направления развития электронных средств определяются как: комплексная микроминиатюризация, расширение функциональных возможностей, снижение материалоемкости, стоимости, повышение надежности и удобства при эксплуатации.

Электронные информационные системы должны обеспечивать заданную скорость и достоверность процесса приема, обработки и передачи информации. Эти функции должны выполняться в течение заданного срока службы в определенных условиях эксплуатации при минимальных затратах энергии.

Эти требования могут быть выполнены только на основе комплексной микроминиатюризации радиоэлектронных средств (РЭС), которые имеются у современной микроэлектроники. К этим средствам относятся:

1. Современная элементная база микроэлектроники: большие (БИС) и сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) с числом элементов 10 - 10 на кристалл, сверхскоростные интегральные схемы (ССИС), сверхвысокочастотные (СВЧ) и оптоэлектронные приборы; устройства функциональной электроники: кварцевые генераторы, генераторы Ганна, приборы с зарядовой связью, акустоэлектронные приборы.

2. Решение схемотехнических задач с помощью микроэлектроники: мультиплексирование, то есть выполнение нескольких разнородных функций одним и тем же устройством; резервирование важнейших элементов и узлов системы; цифровая обработка сигналов и использование принципа мажорирования при обработке информации, использование структурной и функциональной избыточности, распараллеливание каналов обработки информации.

3. Широкое внедрение групповых технологических процессов создания микроэлектронных изделий с высокими технико-экономическими показателями в производство микроэлектронной аппаратуры с малым коэффициентом дезинтеграции и максимально возможной степенью упаковки – БИС и СБИС.

4. Широкое внедрение машинных методов конструкторского и технологического проектирования РЭС.

Таким образом, для удовлетворения требований к современной сложной радиоэлектронной системе и обеспечения качественных показателей необходим системный, комплексный подход к ее созданию на этапах проектирования, выбора элементной базы, разработки технологических процессов, выбора компоновочной схемы и конструкций функциональных узлов различного назначения. Если на каждом из этих этапов выполняются требования к использованию БИС и СБИС высокой степени интеграции, осуществляется переход от интеграции схем к интеграции аппаратуры, то это и будет означать осуществление принципа комплексной миниатюризации РЭС.

Комплексная миниатюризация порождает ряд проблем, органически присущих устройствам с плотным размещением элементов. К ним относятся проблемы теплоотвода, помехоустойчивости, количества контактов.

1. Проблема теплоотвода. Уменьшение объемов РЭС приводит к уменьшению площади поверхности и возрастанию удельных тепловых потоков от микроэлектронных устройств в окружающее пространство. Увеличение числа электрорадиоэлементов в единице объема приводит к повышению выделяемой удельной мощности. Все это вызывает резкое возрастание тепловых нагрузок, повышение рабочей температуры и увеличение интенсивности отказов элементов РЭС.

Эта проблема может быть решена снижением потребляемой интегральными микросхемами мощности (в первую очередь снижением напряжения питания микросхем), повышением предельной рабочей температуры интегральных микросхем, разработкой эффективных устройств теплоотвода.

2. Проблема помехоустойчивости. Повышение плотности электромонтажа в пределах интегральных полупроводниковых микросхем, микросборок и функциональных ячеек обуславливает наличие паразитных связей, возникновение внутренних помех при функционировании РЭС. Основными видами паразитных связей в РЭС являются емкостные и индуктивные связи, а также связь через активное и индуктивное сопротивления шин питания. На высоких частотах линии связи следует рассматривать как линии передачи, а сигнал как волну, которая может частично отражаться от конца линии или местах неоднородности. Коэффициент отражения определяется нагрузочным сопротивлением линии, где L и C погонные индуктивность и емкость. В случае использования коммутационной платы необходимо помнить, что длина волны уменьшается в материале и становится сравнимой с размерами пленочных элементов. При этом коммутационные линии рассматриваются как схемы с распределенными параметрами.

Для снижения уровня помех, обусловленных емкостной и индуктивной связями между коммутационными элементами РЭМ, следует располагать проводники в соседних слоях во взаимно перпендикулярных направлениях, обеспечивать минимальную длину проводников. Существенного снижении паразитных эффектов и повышении помехоустойчивости РЭС можно добиться экранированием связей, конструированием линий электромонтажа с учетом компенсации помех противоположной полярности, использованием развязывающих фильтров и элементов согласования.

3. Проблема количества контактов. Одним из ограничивающих факторов, сдерживающих процесс роста функциональной сложности, является увеличение числа соединений между элементами РЭС, функциональными ячейками и блоками. Эти соединения, занимая большие площади и объемы в РЭС, с одной стороны, снижают показатели комплексной миниатюризации РЭС, а с другой, являются наиболее вероятными носителями отказов, что снижает надежность РЭС.

Решение этой проблемы основано на том, что при проектировании радиоэлектронных функциональных узлов и устройств стремятся сосредоточить максимально возможное число связей в пределах интегральных микросхем, снижая тем самым число соединений между микросхемами. Наибольший эффект получается от разработок с применением БИС и СБИС.

Фактором, ограничивающим быстродействие современных компьютеров стала длина проводников, соединяющих СБИС между собой.

Физические пределы быстродействия самих СБИС можно оценить исходя из следующих соображений. Рассеиваемая мощность и время переключения полупроводникового вентиля связаны константой ( - мощность, рассеиваемая на элементе при переключении; - время переключения элемента), которая представляет собой работу, затрачиваемую на переключение вентиля. Эта величина характеризует уровень развития технологии СБИС.

При выполнении элементарной логической операции производится работа , где дж/град, - температура, К. При Т=300 К дж – теоретический предел величины работы переключения.

Для реального вентиля можно записать , где - напряжение на вентиле, - активная составляющая комплексного сопротивления вентиля и , где -емкость вентиля. Следовательно . Таким образом, при фиксированном значении напряжения на вентиле, работа переключения определяется емкостью полупроводникового вентиля. Для биполярного транзистора эта емкость определяется площадью эмиттерного и коллекторного p-n переходов. Принимая во внимание то обстоятельство, что напряжение на вентиле не может быть ниже одного вольта, при существующем уровне развития технологии работа переключения имеет величину дж.

Таким образом, чтобы достигнуть предельных значений величины необходимо создавать элементы, размеры которых лежат в нанометровой области.

Использование предельно плотной упаковки элементов в СБИС и сверхкомпактного размещения самих СБИС является отличительной чертой РЭС пятого поколения.

В соответствии с современной классификацией РЭС в своем развитии прошли пять поколений. В основу классификации положено использование активного элемента, изготовленного с использованием предельных возможностей существующих на данный период технологий.

Первое поколение – устройства, выполненные с использованием электронных ламп;

Второе поколение – устройства, выполненные на основе дискретных твердотельных элементов (транзисторов);

Третье поколение – устройства, выполненные на основе интегральных схем (ИС) низкой степени интеграции – до 10² элементов в корпусе;

Четвертое поколение – устройства, выполненные на основе БИС со степенью интеграции – до 10 элементов в корпусе;

Пятое поколение – устройства, выполненные на основе СБИС со степенью интеграции – 10 - 10 элементов в корпусе.

К пятому поколению РЭС относятся цифровые устройства обработки информации, поскольку полупроводниковые вентили возможно технологически реализовать используя только один тип элементов – транзистор. В отличие от цифровых устройств, аналоговые устройства обработки информации всегда содержат различные типы элементов, в частности резисторы и конденсаторы, что обуславливает трудности их миниатюризации.

Для цифровых устройств пятого поколения характерна тенденция перехода от архитектуры классических вычислителей с одним потоком последовательно выполняемых команд к новым архитектурам, в которых особый упор делается на параллельную обработку данных. Типичной особенностью подобных устройств является использование большого числа процессоров, каждый из которых выполняет некоторую часть решаемой задачи. Такой подход реализуется в рамках двух основных вариантов:

1. Используется небольшое число быстродействующих процессоров и система «потока управления», усовершенствованная введением конвейеров и, по необходимости, специализированных процессоров.

2. Используется большое число быстродействующих процессоров, расположенных в параллельной архитектуре (при размещении нескольких сотен процессоров в пределах одной пластины полупроводника). Такая архитектура позволяет осуществить принцип «потока данных», предполагающий, что вычислитель начинает обрабатывать информацию, как только поступают исходные данные, тем самым исключается необходимость в программном счетчике.

Для полного использования новых архитектур требуется одновременная разработка программных средств, предназначенных для задач вычислительного характера, системного программирования, систем реального времени и параллельной обработки информации.

Актуальность миниатюризации аналоговых устройств и их компонентной базы вызвана растущей диспропорцией массогабаритных характеристик этих устройств в сравнении с цифровыми устройствами комплексов РЭС. Миниатюризация аналоговых устройств возможна на основе принципа переноса полупроводниковой технологии на пассивную часть гибридных интегральных схем, то есть на пленочные резисторы, емкостные элементы и коммутирующие пленочные проводники.

Конструктивно-технологические особенности устройств работающих в СВЧ- диапазоне заставляют со значительными оговорками применять к ним такие понятия как плотность упаковки и степень интеграции. Проектирование устройств в этом диапазоне сталкивается с необходимостью подхода к системам коммутационных линий передачи как схемам с распределенными параметрами, где взаимное расположение, геометрические формы и привязка к плате микрополосковых линий полностью определяют работу пассивной части схемы.

При проектировании устройств СВЧ-диапазона необходимо учитывать следующие обстоятельства:

1. Сигнал распространяется в виде волны по линии передачи, напряжение в каждой точке которой, зависит как от расстояния до источника сигнала, так и от времени с момента подачи сигнала.

2. Поскольку подложка коммутационной платы определяет условия прохождения сигнала, необходимо иметь в виду, что скорость распространения электрических сигналов в ней ниже, чем в воздухе. Соответственно уменьшается длина волны сигнала, и на частотах более 1 ГГЦ она становится сравнимой с размерами некоторых тонкопленочных элементов.

Устройства СВЧ-диапазона конструктивно выполняются в виде гибридных интегральных функциональных устройств, представляющих собой изделия микроэлектроники, состоящие из элементов, компонентов и интегральных схем.

В современных условиях при построении электронной аппаратуры возрастает использование физико-химических эффектов в твердых телах и построении на их основе устройств функциональной микроэлектроники. К основным направлениям развития функциональной микроэлектроники относятся: оптоэлектроника, акустоэлектроника, приборы с зарядовой связью.

Оптоэлектроника (ОЭ) это новое направление в науке и технике, соединяющее в себе возможности оптики и электроники, появившееся как отклик на новые потребности. Являясь синтезом двух направлений, ОЭ превосходит каждое из них по возможностям. Она открывает большие возможности для решения практических задач, позволяя заменить многие традиционные элементы электромеханики малогабаритными твердотельными устройствами с высокими эксплуатационными характеристиками при отсутствии механически перемещающихся деталей.

Элементную базу ОЭ составляют оптоэлектронные приборы особенностью которых является то, что элементы в них оптически связаны между собой, а электрически изолированы друг от друга, что обеспечивает согласование высоковольтных и низковольтных, а также высокочастотных и низкочастотных цепей.

ОЭ охватывает два основных независимых направления- оптическое и электронно-оптическое.

Оптическое направление базируется на эффектах взаимодействия твердого тела с электромагнитным излучением, т.е. опирается на голографию, фотохимию и лазерные эффекты.

Электронно-оптическое направление использует принцип фотоэлектрического преобразования, реализуемого в твердом теле посредством внутреннего фотоэффекта с одной стороны и электролюминесценцией с другой.

Акустоэлектроника (АКЭ) это направление, охватывающее вопросы возбуждения, распространения и принципы построения на этой основе устройств информации и приема звуковой частоты акустических волн в объеме и на поверхности твердых тел, а также взаимодействие этих волн с электромагнитными полями и принципы построения на этой основе устройств информации. Для этой цели используются как объемные (продольные и сдвиговые), так и поверхностные акустические волны (ПАВ).

ПАВ имеют низкую скорость распространения по сравнению со скоростью распространения электромагнитных волн. Поэтому длина ПАВ в 10⁵ меньше электромагнитных волн той же частоты, поэтому функциональные устройства на ПАВ имеют значительно меньшие размеры и вес по сравнению с электромагнитными устройствами.

Поскольку поверхностная волна распространяется вдоль границы твердого тела и локализована вблизи его поверхности, то управление волной может осуществляться в любой ее точке пути, что обуславливает широкие возможности в создании разнообразных функциональных узлов. Важным достоинством функциональных узлов на ПАВ является и то, что они совместимы с технологией интегральных схем. Широкое распространение получили такие устройства на ПАВ как линии задержки, полосовые фильтры, акустические трансформаторы, магнитоакустические запоминающие устройства.

Функциональная электроника, основанная на использовании динамических неоднородностей, создаваемых в веществе в процессе функционирования, дала интересные возможности для создания многих устройств, выполняющих ответственные функции в РЭС, в том числе позволила создать новые эффективные фильтры. Приборы, работающие на основе переноса неоднородностей, то есть переноса зарядов, получили название приборов с зарядовой связью.

1.2. Виды электронной аппаратуры и особенности ее функционирования

Передача сообщений в различных диапазонах длин волн имеет свои особенности. Наибольшую привлекательность имеют коротковолновые диапазоны. Это связано с тем, что при уменьшении длины волны возрастает эффективность излучения сигнала антеннами, появляется возможность создания направленных антенн, возрастает количество рабочих станций, которые могут быть расположены в заданном диапазоне.

Мощность, излучаемая в пространство антенной, определяется выражением: , где - ток, протекающий в антенне, -действующая длина (высота) антенны, - длина излучаемой волны.

Из представленного выражения следует, что мощность излучения возрастает при уменьшении длины волны, то есть с ростом частоты излучения. При этом следует обратить внимание на условия распространения радиоволн. На поле излучения в месте приема оказывают влияние три фундаментальных физических явления.

1. Отражение электромагнитных волн от поверхности земли. Поскольку земная поверхность обладает электрическими характеристиками – проводимостью и диэлектрической проницаемостью , отражение электромагнитных волн от поверхности земли не подчиняется законам оптики. Напряженность электромагнитного поля до отражения от поверхности земли и после него различны по амплитуде и фазе, то есть земная поверхность обладает коэффициентом отражения , характеризующим ослабление поля и изменение его фазы.

2. Дифракция. Представляет собой огибание электромагнитной волной предметов и земной поверхности. Благодаря явлению дифракции поле за земным горизонтом не равно нулю, но сильно ослаблено. Чем короче длина волны, тем сильнее ослабление поля в точке приема. Метровые и более короткие волны распространяются только в пределах прямой видимости.

3. Преломление волн в ионизированных слоях атмосферы. Ионизированные слои образуются благодаря ультрафиолетовому излучению солнца. Ионизация, вследствие сложной зависимости температуры и плотности атмосферы от высоты, изменяется не монотонно, а образует четыре ярко выраженных ионизированных слоя: на высоте 60…80 км от поверхности земли, (на высоте 100…120 км), и (на высоте 200…450 км). Из-за чередования освещенности земной поверхности (день, ночь) положение этих слоев очень изменчиво, ночью слои и практически исчезают. Высота слоев также сильно изменяется.

Указанные факторы определяют особенности образования радиолиний для различных диапазонов длин волн.

При распространении длинных волн ( метров) лучи, направленные под большим углом к ионосфере, полностью поглощаются в ней, не отражаясь к земной поверхности. Поэтому поле в точке приема образуется только за счет дифракционных процессов, ослабляясь при этом за счет поглощения в земной поверхности.

На распространение средних волн ( метров) влияют все три фактора: дифракция, отражение и преломление. Днем лучи, направленные под большим углом к ионосфере, полностью поглощаются слоем D. Поле в точке приема создается за счет дифракции. Потери энергии при поглощении в земной поверхности растут из-за возрастания частоты. Ночью слой D исчезает, а в слое Е происходит частичное преломление луча, создающее поле в точке приема.

В коротковолновом диапазоне ( метров) явление дифракции при передаче волн несущественно, из-за резкого возрастания поглощения в земной поверхности. Поле в точке приема создается за счет отражения от ионизированных слоев атмосферы.

Дециметровые и сантиметровые волны распространяются вдоль поверхности земли только в пределах прямой видимости. Поглощение в земной поверхности велико. Ионосфера для этих волн полностью прозрачна. Для волн короче 2 см начинает проявляться процесс поглощения электромагнитных волн молекулами кислорода и других газов, содержащихся в ионосфере. Это поглощение имеет резонансный характер – образуются области частот высокого поглощения и относительно прозрачные «окна».

Радиотехнические системы передачи, приема и обработки информации по функциональному признаку можно разделить на: системы радиосвязи, радиовещания, телевидения, радиолокации, радионавигации, радиотелеметрии, радиотелеуправления.

Значительным достижением современной радиоэлектроники является создание общей теории построения оптимальных в каком-то смысле систем, которая основана на вероятностном подходе, вследствие принципиальной необходимости учета помех. Важной особенностью этой теории является то, что оптимальной системе соответствует количественная оценка на основании введения понятия критерия или целевой функции системы. Критерием может быть, например, минимальная вероятность ошибок при заданных мощностях или минимальная стоимость системы при заданных значениях ошибок.

Общая теория в ряде случаев позволяет математически строго и однозначно путем математического синтеза найти алгоритм работы системы и ее структурную схему. Полученная такими средствами система называется оптимальной.

Основное назначение систем передачи информации состоит в передаче сообщений. Сообщения могут быть непрерывными и дискретными. Дискретными сообщениями являются последовательности любых знаков, которые называются алфавитом сообщения. Непрерывные сообщения являются непрерывными функциями времени.

Сообщения передаются в материально-энергетической форме в виде радиотехнических сигналов. Они образуются путем наложения сообщений на несущее колебание, обычно гармоническое, которое и создает поле излучения.

Пусть несущее гармоническое колебание , где , и - амплитуда, частота и начальная фаза несущего колебания. Сущность наложения на состоит в изменении (модуляции) одной из этих величин в соответствии с сообщением .

Наиболее просто описывается изменение амплитуды или амплитудная модуляция. Предположим, что , где -коэффициент пропорциональности, - амплитуда при . В этом случае выражение для амплитудно-модулированного сигнала примет вид:

.

Рассмотрим сообщение , состоящее из N гармонических колебаний с соответствующими амплитудами, частотами и начальными фазами, то есть если .

После преобразования и подстановки имеем:

Здесь - частичный коэффициент модуляции, характеризующий наибольшее относительное приращение амплитуды, вызванной i-й составляющей . Из приведенного выражения следует, что амплитудно-модулированный сигнал является суммой гармонических колебаний с различными частотами, амплитудами и начальными фазами. Эти колебания в совокупности образуют спектр сигнала. В спектре амплитудно-модулированного сигнала можно выделить три различные группы гармонических колебаний: несущее колебание (первое слагаемое); колебания, имеющие частоты и начальные фазы , называемые верхними боковыми; колебания имеющие частоты и начальные фазы , называемые нижними боковыми. Боковые составляющие существуют лишь в случае, если , то есть если есть модуляция несущего колебания.

Важнейший для практики вывод состоит в том, что амплитудно-модулированный сигнал занимает полосу частот, ширина которой, равна . При этом средняя частота спектра равна частоте несущего колебания.

При разработке современных радиоэлектронных систем большое внимание уделяется освоению СВЧ диапазона. К СВЧ относятся электромагнитные колебания с частотами от 600 МГц до 30 ГГц. В этом диапазоне длин волн электромагнитное излучение удается сконцентрировать в узконаправленный луч, что позволяет создать экономичные, помехозащищенные системы связи, обнаружения и сопровождения целей.

Второй особенностью этого диапазона частот является его большая информативная емкость. В нем возможно разместить до сотен тысяч каналов телефонной и телеграфной связи, организовать многоканальную передачу широкополосных телевизионных сигналов.

Третьей важной особенностью этого диапазона является способность СВЧ колебаний свободно проходить через ионизированные слои атмосферы, что позволяет использовать его для организации систем космической связи.

Существенной особенностью является уменьшение спектральной плотности мощности всех видов помех с увеличением частоты. Минимальный уровень принимаемых сигналов в диапазоне СВЧ практически определяется малым уровнем помех, возникающих в самих приемных устройствах. Техника СВЧ как средство связи, получения, обработки и передачи информации, обнаружения, идентификации и сопровождения движущихся объектов все более широко используется в различных областях народного хозяйства.

Благодаря широкому применению в спутниковых, корабельных и авиационных приемопередающих системах микроэлектронных устройств НЧ и СВЧ было обеспечено решение сложнейших задач: автоматизации процесса приема и передачи информации, электронного управления диаграммой направленности антенн, создания многолучевых антенных решеток и малогабаритной компактной аппаратуры с выводом информации на дисплей и печатающие устройства. Дальнейший прогресс техники СВЧ связан с широким внедрением цифровых методов передачи информации, обеспечивающих увеличение скорости ее передачи и повышение помехозащищенности, а также с освоением новых диапазонов частот, в частности диапазона миллиметровых волн.

С каждым годом возрастает использование РЭС в бытовых целях и для организации бизнеса. В первую очередь следует отметить широкое распространение спутникового телевидения и радиотелефонной связи. Постоянно увеличивается число программ спутникового телевидения, принимаемых в регионах страны, растет площадь покрытия мобильной связью.

В медицинской технике РЭС используются в системах непрерывного наблюдения (мониторинга) за физиологическими показателями человека, в частности, прием, передача и анализ ЭКГ и ЭЭГ-сигналов, анализ плетизмограмм при наблюдении за органами дыхания. Автоматизированные системы определения биохимических показателей позволяет повысить точность анализа и усовершенствовать способы получения и хранения информации. Широкое распространение получили анализаторы газового состава крови, аппаратура для управления сложными многостадийными химическими реакциями.

Системы ультразвуковой диагностики также основаны на использовании электронных автоматизированных систем.

Важным аспектом современного подхода к построению РЭС является широкое использование дискретной (цифровой) обработки сообщений и сигналов. Цифровые системы обработки сигналов позволяют создавать универсальные, высоконадежные, достаточно простые в производстве и эксплуатации РЭС.