БАЗОВЫЙ КОНСТРУКТИВНЫЙ БЛОК ДЛЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в качестве базового блока при конструировании радиоэлектронных приборов различных модификаций, осуществляющих прием и обработку сигналов спутниковых радионавигационных систем (СРНС) "ГЛОНАСС" и "GPS" в целях определения местоположения по сигналам СРНС, определения точного времени, осуществления временной синхронизации и выделения служебной информации.

Особенностью конструирования радиоэлектронных приборов, осуществляющих прием и обработку сигналов СРНС, является необходимость использования в них разнородных функциональных элементов - различных аналоговых сверхвысокочастотных и высокочастотных схем, реализующих процессы приема и частотного преобразования широкополосных шумоподобных радиосигналов СРНС, а также различных цифровых устройств - корреляторов, синтезаторов, синхронизаторов, процессоров, реализующих процессы корреляционного поиска, слежения и цифровой обработки принимаемых сигналов [1, с. 112, рис.47; с. 126, рис.64]. При этом, при практической реализации таких радиоэлектронных приборов могут использоваться электрорадиоэлементы, имеющие различную степень интеграции, например дискретные электрорадиоэлементы, микросхемы малой, средней и большой степени интеграции. В связи с объединением в рамках одной конструкции указанных разнородных функциональных элементов и устройств, к тому же работающих с сигналами, существенно отличающимися по частоте, возникает задача обеспечить их электромагнитную совместимость, исключить взаимное влияние друг на друга и уменьшить уровень паразитных наводок и наведенных помех.

Одним из известных путей конструкторского решения этой задачи является разработка многоблочных (многоплатных) конструкций, где на отдельных печатных платах группируются электрорадиоэлементы, относящиеся к близким (однородным) функциональным группам, которые характеризуются близкими по виду и частоте сигналами, как например в известных конструкциях [1, с. 112, рис. 47], [2]. При этом проблемы уменьшения паразитных наводок и наведенных помех решаются достаточно простыми техническими средствами, основанными на межплатной экранизации. Очевидно, однако, что такой путь связан с увеличением массогабаритных характеристик разрабатываемых конструкций.

В тех случаях, когда массогабаритные характеристики важны, разрабатываются моноблочные конструкции, объединяющие в рамках одного блока разнородные функциональные элементы и устройства, как например в блоке навигационного приемника-процессора сигналов СРНС, описанном в [1, с. 132, рис.69]. Для решения возникающих при этом проблем, связанных с паразитными наводками и наведенными помехами, могут использоваться известные конструкторские приемы, заключающиеся, в частности, в установке дополнительных внешних согласующих элементов, связывающих элементы печатной платы с корпусом блока, как например в [3], в особом размещении сигнальных проводников на печатной плате, как например в [4], [5, с. 112-115], в особом расположении земляных проводников и проводников питания, как например в [5, с. 113-114]. Достигаемый при этом результат уменьшения паразитных наводок и наведенных помех тем выше, чем меньше разница между частотами сигналов, обрабатываемых в блоке, и чем выше степень интеграции электрорадиоэлементов блока.

Типичным примером конструкторского решения задачи уменьшения паразитных наводок и наведенных помех при реализации радиоэлектронного блока на одной многослойной печатной плате является конструкция, описанная в [6, с.258-261, рис. 12.2]. Эта конструкция представляет собой многослойную печатную плату с числом проводящих слоев N ≥ 6, в которой на наружных первом и N-ом проводящих слоях печатной платы размещены контактные площадки и электрорадиоэлементы, а сигнальные печатные проводники, проводники питания и земляные проводники расположены во внутренних проводящих слоях печатной платы. При этом земляные проводники (проводники потенциалов "Земля") и проводники питания (проводники потенциалов "Питание") расположены в разных внутренних проводящих слоях печатной платы, например в четвертом и пятом слоях соответственно для случая десятислойной (N = 10) печатной платы. Земляные проводники и проводники питания при этом выполнены в виде металлизированных земляных плоскостей и плоскостей питания с окнами вокруг металлизированных отверстий межслойных соединений, не связанных электрически с этими плоскостями. Такая конструкция позволяет решить задачу уменьшения паразитных наводок и наведенных помех в условиях, когда на плате используются однородные электрорадиоэлементы, работающие с сигналами, близкими по частоте, как например в случае цифровой ЭВМ.

Наиболее близким к заявляемому блоку является радиоэлектронный блок, описанный в [7], в котором решается задача устранения паразитных наводок и наведенных помех в условиях, когда на одной многослойной печатной плате, например плате навигационного приемника-процессора сигналов СРНС, размещаются разнородные функциональные элементы различной степени интеграции, реализующие процессы обработки сигналов на частотах от тысяч мегагерц на входе блока до единиц герц на выходе блока. Блок, описанный в [7], принят в качестве прототипа. Блок-прототип содержит многослойную печатную плату с числом проводящих слоев N ≥ 6, в которой на наружных первом и N-м проводящих слоях размещены высокочастотный и низкочастотный соединители, печатные проводники, контактные площадки и электрорадиоэлементы, а земляные проводники и проводники питания расположены в разных внутренних проводящих слоях печатной платы.

Электрорадиоэлементы, размещенные на печатной плате, сгруппированы по М функциональным зонам. Первая из М зон является зоной функционального размещения аналоговых электрорадиоэлементов и высокочастотного соединителя, предназначенного для подключения приемной антенны. Последующие М-1 зон являются зонами функционального размещения цифровых электрорадиоэлементов, причем в последней М-й зоне размещен по крайней мере один низкочастотный соединитель, предназначенный для подключения внешних устройств.

Земляные проводники функциональных зон выполнены в виде металлизированных земляных плоскостей, расположенных на печатной плате в соответствии с расположением этих зон.

Земляные плоскости первой зоны, т.е. зоны функционального размещения аналоговых электрорадиоэлементов, расположены в двух внутренних проводящих слоях печатной платы - втором и (N-1)-м проводящих слоях, соседствующих с наружным первым и N-м проводящими слоями. Земляные плоскости всех последующих М-1 зон, т.е. зон функционального размещения цифровых электрорадиоэлементов, расположены в одном из внутренних проводящих слоев печатной платы, соседствующем с первым или N-м наружным проводящим слоем. Земляные плоскости М-1 зон связаны печатными перемычками друг с другом, а также с расположенной в том же проводящем слое земляной плоскостью первой зоны.

Проводники питания функциональных зон в блоке-прототипе выполнены в виде металлизированных плоскостей питания и расположены в соответствии с расположением функциональных зон во внутренних проводящих слоях печатной платы, свободных от земляных плоскостей, т.е. между вторым и (N-2) проводящими слоями. При этом проводники питания первой зоны размещены в i-ом проводящем слое печатной платы, свободном от размещения проводников питания других зон, например в слое, соседствующем с вторым или (N-1)-м проводящим слоем, а проводники питания остальных зон расположены в j-м проводящем слое, где i ≠ j.

Функциональные электрические связи между функциональными зонами осуществляются посредством сигнальных печатных проводников связи, расположенных на наружном проводящем слое печатной платы, соседствующем с внутренним проводящим слоем, в котором расположены земляные плоскости всех функциональных зон. Расположение печатных проводников связи на указанном наружном проводящем слое является преимущественным и предпочтительным. Расположение проводников связи в этом слое позволяет реализовать в наибольшей степени эффект их защитной экранировки земляными проводниками (земляными перемычками), располагающимися под сигнальными проводниками, и максимально минимизировать длину возвратного (обратного) земляного участка для возвратного контура цепи прохождения сигнала по проводнику связи. В блоке-прототипе в качестве таких экранирующих земляных проводников выступают, в частности, земляные перемычки шириной не менее 1 мм, связывающие между собой земляные плоскости функциональных зон.

Межслойные соединения печатных проводников осуществляются посредством металлизированных отверстий межслойных соединений. В случае, когда металлизированные отверстия межслойных соединений, не связанные электрически с земляными плоскостями или плоскостями питания, проходят через эти плоскости, в этих плоскостях выполняются соответствующие окна, лишенные металлизации.

В блоке-прототипе реализован принцип раздельного (по функциональным зонам) электропитания. Для осуществления этого в каждой из М зон на одном из наружных проводящих слоев печатной платы выполнены связанные с соответствующими плоскостями питания этих зон контактные элементы для подключения к внешним источникам питания.

Конструкция блока-прототипа обеспечивает возможность использования его в качестве базового конструктивного блока при разработке и изготовлении, в частности, навигационных приемников-процессоров различных модификаций, работающих по сигналам СРНС "ГЛОНАСС" и "GPS". При этом сигналы, обрабатываемые в первой функциональной зоне печатной платы, представляют собой аналоговые широкополосные шумоподобные радиосигналы СРНС с частотами от 1200 МГц до 1700 МГц. Эти сигналы преобразуются в первой функциональной зоне печатной платы с понижением несущей частоты до десятков мегагерц. Далее эти сигналы в соответствующих функциональных зонах печатной платы подвергаются многоканальной корреляционной об работке, обработке в цифровом процессоре и преобразованию в интерфейсных элементах. Сигналы тактовых и гетеродинных частот, используемые при обработке и преобразовании сигналов СРНС в блоке-прототипе, формируются в соответствующей функциональной зоне печатной платы из сигналов опорного генератора, размещенного в этой же зоне.

Таким образом, в блоке-прототипе сигналы СРНС в процессе своей обработки переходят от одной функциональной зоны печатной платы к другой, претерпевая изменения по частоте от тысяч мегагерц на входе первой функциональной зоны (зоны размещения аналоговых электрорадиоэлементов) до единиц герц на выходе последней функциональной зоны (зоны размещения интерфейсных электрорадиоэлементов). Переход сигналов от одной функциональной зоны к другой осуществляется по сигнальным проводникам связи, экранирование которых осуществляется посредством расположенных под ними участков земляных плоскостей и земляных перемычек, связывающих земляные плоскости между собой. Ширина земляных печатных перемычек (не менее 1 мм) выбрана из условия минимизации потерь в возвратных контурах цепей прохождения сигналов и снижения их восприимчивости к воздействию излучений и перекрестных помех за счет исключения неоптимальных токовых путей, обладающих дополнительной индуктивностью. На минимизацию потерь в возвратных контурах цепей прохождения сигналов, а также цепей распределения питания положительно влияет указанное выполнение металлизированных земляных плоскостей и металлизированных плоскостей питания каждой из функциональных зон, за счет которого обеспечивается формирование наиболее оптимальных возвратных цепей, соответствующих сигнальным цепям, исключается образование паразитных токовых контуров, характеризуемых паразитными индуктивностями и восприимчивостью к помехам. Все это позволяет в блоке-прототипе решить задачу устранения паразитных наводок и наведенных помех в условиях, когда на многослойной печатной плате блока размещаются разнородные электрорадиоэлементы различной степени интеграции, работающие с разнородными сигналами (аналоговыми и цифровыми) в диапазоне частот от тысяч мегагерц на входе блока до единиц герц на выходе блока.

Особенностью блока-прототипа является то, что достижение результата по устранению паразитных наводок и наведенных помех, реализуемое за счет рассмотренных выше конструктивных мер, обеспечивается лишь при использовании раздельного (по функциональным зонам) электропитания. Однако требование раздельного электропитания приводит к необходимости разработки и применения отдельных источников питания, обеспечивающих в совокупности необходимый для работы блока набор питающих напряжений, что ограничивает область возможного применения блока-прототипа как базового конструктивного блока при разработке радиоэлектронных приборов.

Другой особенностью блока-прототипа, ограничивающей область его возможного применения как базового конструктивного блока для радиоэлектронных приборов, является то, что необходимые для его работы опорные сигналы формируются опорным генератором, размещенным на плате. При этом не предусмотрены технические средства, которые позволяли бы при необходимости вместо опорных сигналов, формируемых собственным опорным генератором, использовать сигналы внешнего опорного генератора.

Технической задачей, решаемой в заявляемом изобретении, является обеспечение возможности применения общей базовой конструкции (базового конструктивного блока для радиоэлектронных приборов) при реализации приборов, в которых для питания используется один внешний источник питания, а в качестве опорных сигналов - либо собственные опорные сигналы, формируемые собственным опорным генератором, размещаемым в этом случае на плате блока, либо внешние опорные сигналы, подаваемые через размещаемый на плате блока соответствующий соединитель, при этом обеспечивается устранение паразитных наводок и наведенных помех в условиях, когда на многослойной печатной плате блока размещаются разнородные функциональные элементы различной степени интеграции, работающие с разнородными сигналами (аналоговыми и цифровыми) различных частот (от тысяч мегагерц на входе блока до единиц герц на выходе блока), т.е. в условиях, соответствующих условиям приема и обработки сигналов СРНС "ГЛОНАСС" и "GPS".

Решение поставленной задачи позволяет изготавливать унифицированные по конструкции малогабаритные радиоэлектронные приборы, осуществляющие прием и обработку сигналов СРНС "ГЛОНАСС" и "GPS" в целях определения местоположения, точного времени, осуществления временной синхронизации и выделения служебной информации, в том числе радиоэлектронные приборы, работающие либо с собственными (внутренними) опорными сигналами, либо с внешними опорными сигналами, например с сигналами внешней синхронизации (при работе в составе комплексов).

Сущность изобретения заключается в том, что в базовом конструктивном блоке для радиоэлектронных приборов (БКБРП), содержащем многослойную печатную плату с числом проводящих слоев N ≥ 6, в которой на наружных первом и N-м проводящих слоях размещены высокочастотный и низкочастотный соединители, а также печатные проводники, контактные площадки и электрорадиоэлементы, сгруппированные по М зонам, первая из которых является зоной функционального размещения аналоговых электрорадиоэлементов и высокочастотного соединителя, предназначенного для подключения приемной антенны, а последующие М-1 зон являются зонами функционального размещения цифровых электрорадиоэлементов, причем в последней M-й зоне размещен по крайней мере один низкочастотный соединитель, предназначенный для подключения внешних устройств, земляные плоскости первой зоны расположены в двух внутренних проводящих слоях - втором и (N-D)-м проводящих слоях, соседствующих с наружными первым и N-м проводящими слоями, земляные плоскости всех последующих М-1 зон расположены в одном из внутренних проводящих слоев, соседствующем с первым или N-м наружным проводящим слоем, земляные плоскости указанных М-1 зон связаны земляными печатными проводниками друг с другом и с расположенной в этом же проводящем слое земляной плоскостью первой зоны, при этом i-й проводящий слой, в котором располагаются проводники питания первой зоны, и j-й проводящий слой, в котором располагаются выполненные в виде плоскостей цифрового питания проводники питания третьей и последующих зон, где j ≠ i, расположены между вторым и (N-1)-м проводящими слоями, функциональные связи между М зонами осуществляются посредством печатных проводников, расположенных преимущественно на наружном проводящем слое, соседствующем с внутренним проводящим слоем, в котором расположены земляные плоскости всех М зон, а межслойные соединения печатных проводников осуществляются посредством металлизированных отверстий межслойных соединений, в отличие от прототипа, плоскости цифрового питания третьей и последующих зон и земляная плоскость последней M-й зоны электрически связаны с размещенными на одном из наружных проводящих слоев в последней M-й зоне контактными элементами "Питание" и "Земля", связанными посредством печатных проводников этого наружного проводящего слоя с соответствующими выводами низкочастотного соединителя, предназначенными для подключения внешнего источника питания, причем с контактными элементами "Питание" и "Земля" непосредственно связаны первый и второй выводы первого фильтра питания, при этом проводники питания второй зоны, в которой осуществляется преобразование в цифровой вид аналоговых сигналов, поступающих из первой зоны, размещены в том же проводящем слое, что и проводники питания первой зоны, и выполнены в виде печатных проводников, расходящихся из общей точки, электрически связанной с выходным выводом второго фильтра питания, который размещен на наружном проводящем слое в одной из последующих М-2 зон при количестве зон не менее пяти и связан другими своими выводами - входным и земляным - соответственно с плоскостью цифрового питания и земляной плоскостью зоны своего размещения, а проводники питания первой зоны выполнены в виде печатных проводников, расходящихся из общей точки, электрически связанной с выходным выводом третьего фильтра питания, который размещен на наружном проводящем слое во второй зоне и связан другими своими выводами - входным и земляным - соответственно с выходным выводом второго фильтра питания и земляной плоскостью второй зоны, при этом на наружном проводящем слое в первой зоне расположена первая группа контактных площадок, образующих посадочное место для размещения высокочастотного соединителя, предназначенного для подключения внешнего опорного генератора в случае использования внешнего опорного сигнала, и вторая группа контактных площадок, образующих посадочное место для размещения собственного опорного генератора в случае использования собственного опорного сигнала, причем рядом с контактной площадкой "Выход опорного генератора" из состава второй группы контактных площадок размещена контактная площадка "Внешний опорный сигнал", соединенная печатным проводником с контактной площадкой "Выход соединителя" из состава первой группы контактных площадок, при этом контактные площадки "Выход опорного генератора" и "Внешний опорный сигнал" выполнены с обеспечением возможности их электрического соединения между собой токопроводящей перемычкой в случае использования внешнего опорного сигнала.

В частных случаях реализации заявляемого блока земляные плоскости третьей и последующих зон функционального размещения цифровых электрорадиоэлементов конструктивно объединены в общую для этих зон земляную плоскость, плоскости цифрового питания указанных третьей и последующих зон конструктивно объединены в общую для этих зон плоскость цифрового питания, первый фильтр питания выполнен в виде фильтрующего конденсатора, второй фильтр питания выполнен в виде проходного конденсатора, а третий фильтр питания выполнен в виде проходного фильтра, реализующего функцию T-образного LC фильтра.

Сущность изобретения, его реализуемость и возможность промышленного применения поясняются на примере выполнения БКБРП в виде базового конструктивного блока навигационного приемника-процессора сигналов СРНС "ГЛОНАСС" и "GPS", реализованного на многослойной печатной плате с шестью (N = 6) проводящими слоями, что проиллюстрировано чертежами, представленными на фиг. 1 - 13.

На фиг. 1 представлен вид в разрезе шестислойной печатной платы заявляемого БКБРП в рассматриваемом примере реализации (расположение печатных проводников и металлизированных отверстий межслойных Соединений - условное);
на фиг. 2 - пример, иллюстрирующий в рассматриваемом примере реализации группировку электрорадиоэлементов, смонтированных на наружном первом проводящем слое в пяти последовательно расположенных зонах (вид со стороны электрорадиоэлементов первого проводящего слоя, печатные проводники условно не показаны);
на фиг. 3 - пример, иллюстрирующий в рассматриваемом примере реализации группировку электрорадиоэлементов, смонтированных на наружном шестом проводящем слое в пяти последовательно расположенных зонах (вид со стороны первого проводящего слоя, слои условно прозрачные, печатные проводники условно не показаны);
на фиг. 4 - пример рисунка печати наружного первого проводящего слоя в рассматриваемом примере реализации;
на фиг. 5 - пример рисунка печати внутреннего второго проводящего слоя в рассматриваемом примере реализации (вид со стороны первого проводящего слоя, слои условно прозрачные);
на фиг. 6 - пример рисунка печати внутреннего третьего проводящего слоя в рассматриваемом примере реализации (вид со стороны первого проводящего слоя, слои условно прозрачные);
на фиг. 7 - пример рисунка печати внутреннего четвертого проводящего слоя в рассматриваемом примере реализации (вид со стороны первого проводящего слоя, слои условно прозрачные);
на фиг. 8 - пример рисунка печати внутреннего пятого проводящего слоя в рассматриваемом примере реализации (вид со стороны первого проводящего слоя, слои условно прозрачные);
на фиг. 9 - пример рисунка печати наружного шестого проводящего слоя в рассматриваемом примере реализации (вид со стороны первого проводящего слоя, слои условно прозрачные);
на фиг. 10 - пример, иллюстрирующий в рассматриваемом примере реализации взаимное положение и связи по печати в наружном первом проводящем слое фильтров питания (вид со стороны электрорадиоэлементов первого проводящего слоя, электрорадиоэлементы условно прозрачные);
на фиг. 11 - пример, иллюстрирующий в рассматриваемом примере реализации расположение контактных площадок, образующих посадочные места для размещения собственного опорного генератора в случае использования собственного опорного сигнала и высокочастотного соединителя, предназначенного для подключения внешнего опорного генератора в случае использования внешнего опорного сигнала (вид со стороны первого проводящего слоя);
на фиг. 12 - пример, иллюстрирующий установку собственного опорного генератора (вид со стороны электрорадиоэлементов первого проводящего слоя, электрорадиоэлементы условно прозрачные);
на фиг. 13 - пример, иллюстрирующий установку высокочастотного соединителя для подключения внешнего опорного генератора (вид со стороны электрорадиоэлементов первого проводящего слоя, электрорадиоэлементы условно прозрачные).

Заявляемый БКБРП содержит (фиг. 1-13) многослойную печатную плату 1 с числом проводящих слоев N ≥ 6. В рассматриваемом примере реализации, имеющем практическое применение, многослойная печатная плата 1 выполнена шестислойной, т.е. имеет N = 6 проводящих слоев. Наружный первый проводящий слой 2 образует лицевую сторону шестислойной печатной платы, а наружный шестой проводящий слой 3 - тыльную сторону. Внутренние проводящие слои, а именно второй проводящий слой 4, третий проводящий слой 5, четвертый проводящий слой 6 и пятый проводящий слой 7, отделены друг от друга и от наружных проводящих слоев 2 и 3 изолирующими слоями 8 (фиг. 1).

В рассматриваемом примере реализации БКБРП - в базовом конструктивном блоке навигационного приемника-процессора сигналов СРНС - в наружных проводящих слоях 2 и 3 (фиг. 1 - 4, 9) размещены контактные площадки 9, печатные проводники 10, электрорадиоэлементы 11, высокочастотный соединитель 12 для подключения приемной антенны и два низкочастотных соединители 13 (13₁ и 13₂) для подключения внешних устройств.

Электрорадиоэлементы 11 смонтированы на многослойной печатной плате 1 по технологии поверхностного монтажа, что позволяет в максимальной степени микроминиатюризировать монтаж [8, с. 107].

Во внутренних проводящих слоях 4 - 7 размещены только печатные проводники (фиг.5 - 8).

Межслойные соединения печатных проводников осуществляются посредством соответствующих металлизированных отверстий 14 межслойных соединений (на фиг.1 выполнение металлизированных отверстий 14 показано условно). В случае, когда металлизированные отверстия межслойных соединений должны проходить через печатные проводники без электрического контакта с ними, в этих проводниках выполняются соответствующие окна, лишенные металлизации.

В рассматриваемом примере реализации БКБРП - в базовом конструктивном блоке навигационного приемника-процессора сигналов СРНС - электрорадиоэлементы 11 сгруппированы последовательно по М = 5 зонам 15, 16, 17, 18, 19 (фиг. 2, 3).

Первая зона 15 является зоной функционального размещения аналоговых электрорадиоэлементов, осуществляющих преобразование входных аналоговых сигналов СРНС с понижением их несущей частоты до значения, требуемого из условий осуществления последующего аналого-цифрового преобразования. В этой же зоне размещен высокочастотный соединитель 12 (фиг. 2), предназначенный для подключения приемной антенны. За счет соответствующей топологии, а также с помощью соответствующих электрорадиоэлементов в первой зоне 15 выполнены полосовые микрополосковые СВЧ фильтры, малошумящий СВЧ усилитель, полосовые фильтры на поверхностно акустических волнах, смесители, а также синтезаторы гетеродинных и тактовых частот, формирующие необходимую сетку гетеродинных и тактовых частот из сигнала опорной частоты. Электрорадиоэлементы первой зоны 15 представлены дискретными электрорадиоэлементами, электрорадиоэлементами низкой степени интеграции, например аналогичными микросхемам типа MGA-87563 фирмы HEWLETT-PACKARD (США) или МААМ 12021 М/А СОМ фирмы MOTOROLA (США) (малошумящие СВЧ усилители), а также электрорадиоэлементами средней степени интеграции, например аналогичными микросхемам типа LMX2330ATM фирмы MOTOROLA (США) (цифровой синтезатор), UPC2753 фирмы NEC (США) (преобразователь сигнала - усилитель), MC13142D фирмы Motorola (США) (смеситель). Все указанные электрорадиоэлементы предназначены для поверхностного монтажа.

Последующие вторая 16, третья 17, четвертая 18 и пятая 19 зоны являются зонами функционального размещения цифровых электрорадиоэлементов.

Вторая зона 16 является зоной, где осуществляется преобразование в цифровой вид аналоговых сигналов СРНС, поступающих из первой зоны 15. В состав электрорадиоэлементов второй зоны 16 входят, например, компараторы средней степени интеграции, аналогичные микросхемам типа MAX962ESA фирмы MAXIM (США), предназначенным для поверхностного монтажа.

Третья зона 17 соответствует зоне размещения электрорадиоэлементов, осуществляющих многоканальное корреляционное преобразование сигналов СРНС. Преимущественно это электрорадиоэлементы сверхвысокой степени интеграции, аналогичные, например, цифровым корреляторам типа 1836ВЖ1, 1836ВЖ1-01 (Россия) или ASIC фирмы SAMSUNG (Корея), предназначенным для поверхностного монтажа.

Четвертая зона 18 соответствует зоне размещения электрорадиоэлементов цифрового процессора. Преимущественно это электрорадиоэлементы сверхвысокой степени интеграции, аналогичные, например, цифровым процессорам типа ТМС320С203Р, TMS320 LC203PZA фирмы TEXAS INSTRUMENTS (США), а также электрорадиоэлементы большой степени интеграции, аналогичные, например, постоянным запоминающим устройствам типа KM616V1002AT-15 фирмы SAMSUNG (Корея). Все указанные электрорадиоэлементы предназначены для поверхностного монтажа.

Пятая зона 19 соответствует зоне размещения интерфейсных электрорадиоэлементов. Преимущественно это электрорадиоэлементы средней степени интеграции, аналогичные, например, микросхемам типа МАХ3223ЕАР фирмы MAXIM (США), предназначенным для поверхностного монтажа. В пятой зоне 19 размещаются также низкочастотные соединители 13₁ и 13₂ (фиг. 2), предназначенные для подключения внешних устройств приемника-процессора сигналов СРНС: пульта управления, средств регистрации и контроля данных, внешнего источника питания.

Первой зоне 15 соответствуют на многослойной печатной плате 1 две земляные плоскости 20 и 21, которые расположены в двух внутренних проводящих слоях, соседствующих с наружными проводящими слоями. В рассматриваемом примере реализации БКБРП на шестислойной (N = 6) печатной плате земляная плоскость 20 расположена во втором проводящем слое 4 (фиг. 5), соседствующем с первым наружным проводящим слоем 2, а земляная плоскость 21 - в пятом проводящем слое 7 (фиг. 8), соседствующем с наружным проводящим слоем 3.

Земляная плоскость 22 второй зоны 16 и земляные плоскости 23 последующих зон 17 - 19 функционального размещения цифровых электрорадиоэлементов расположены в одном из внутренних проводящих слоев, соседствующем с наружным проводящим слоем. В рассматриваемом примере реализации земляные плоскости 22 и 23 второй и последующих зон расположены во втором проводящем слое 4, соседствующем с наружным проводящим слоем 2, т.е. в том же проводящем слое, что и земляная плоскость 20 первой зоны 15 (фиг. 5). Земляные плоскости 20, 22 и 23 всех пяти зон 15 - 19, расположенные во втором проводящем слое 4, связаны между собой - конструктивно и электрически - с помощью земляных печатных проводников. В рассматриваемом примере, имеющем преимущественное практическое применение, земляные плоскости 23 третьей 17, четвертой 18 и пятой 19 зон конструктивно объединены в общую земляную плоскость, которая связана с земляной плоскостью 22 второй зоны 16 с помощью земляных печатных проводников 24 (фиг. 5). Аналогично земляная плоскость 22 второй зоны 16 связана с земляной плоскостью 20 первой зоны 15 с помощью земляных печатных проводников 25 (фиг. 5). Ширина земляных печатных проводников 24, 25 обычно не менее 1 мм.

Проводники питания 26 первой зоны 15, выполненные в заявляемом блоке в виде печатных проводников, расходящихся из общей точки 27, и проводники питания 28 второй зоны 16, выполненные в виде печатных проводников, расходящихся из общей точки 29, располагаются в одном и том же i-м проводящем слое между вторым 4 и пятым 7 проводящими слоями. В рассматриваемом примере реализации проводники питания 26 и 28 располагаются в третьем (i = 3) проводящем слое 5 (фиг. 6).

Проводники питания третьей 17, четвертой 18 и пятой 19 зон, выполненные в виде плоскостей 30 цифрового питания, располагаются в j-м проводящем слое (j ≠ i) между вторым 4 и пятым 7 проводящими слоями, например, как показано на фиг. 7, в четвертом (j = 4) проводящем слое 6. В рассматриваемом случае, имеющем преимущественное практическое применение, плоскости 30 цифрового питания третьей 17, четвертой 18 и пятой 19 зон конструктивно объединены в общую плоскость цифрового питания (фиг. 7).

Функциональные связи между зонами 15 - 19 осуществляются посредством печатных проводников связи (сигнальных проводников), расположенных преимущественно на наружном проводящем слое, соседствующем с внутренним проводящим слоем, в котором расположены земляные плоскости всех зон. В рассматриваемом примере реализации основные печатные проводники связи расположены в наружном первом проводящем слое 2 (фиг. 4), соседствующем с внутренним вторым проводящим слоем 4, в котором расположены земляные плоскости 20, 22 и 23 всех пяти зон 15 - 19 (фиг. 5).

Плоскости 30 цифрового питания (фиг. 7) и земляная плоскость 23 (фиг. 5) последней (пятой) зоны 19 электрически связаны с размещенными на одном из наружных проводящих слоев (в рассматриваемом случае - на наружном проводящем слое 2) со ответственно контактными элементами 31 "Питание" и 32 "Земля" (фиг. 4). Контактные элементы 31 "Питание" и 32 "Земля" связаны также посредством соответствующих печатных проводников этого наружного проводящего слоя с выводами низкочастотного соединителя 13₁, предназначенными для подключения внешнего источника питания.

С контактным элементом 31 "Питание" непосредственно связан первый вывод 33 первого фильтра питания 34 (фиг. 10). Фильтр питания 34 установлен на наружном проводящем слое 2 в пятой зоне 19 и непосредственно связан вторым своим выводом 35 с контактным элементом 32 "Земля" (фиг. 2, 10). Фильтр питания 34 реализуется преимущественно в виде фильтрующего конденсатора [8, с. 259]. Практически, в качестве фильтрующего конденсатора, реализующего первый фильтр питания 34, может использоваться, например, фильтрующий конденсатор, аналогичный фильтрующему конденсатору ECS-6,3V-15 μ F± 20% ECS-HOJC156R фирмы PANASONIC (Япония), предназначенному для поверхностного монтажа.

Общая точка 29 проводников питания 28 второй зоны 16 (фиг. 6) электрически связана (посредством соответствующего отверстия межслойного соединения и печатного проводника наружного проводящего слоя 2) с выходным выводом 36 второго фильтра питания 37 (фиг. 10). Фильтр питания 37 размещен на наружном проводящем слое 2 в одной из трех последних зон - в рассматриваемом примере реализации в третьей зоне 17 (фиг. 2, 10). Фильтр питания 37 связан своими входным 38 и земляным 39 выводами соответственно с плоскостью цифрового питания 30 и земляной плоскостью 23 третьей зоны 17. Фильтр питания 37 выполняется преимущественно в виде проходного конденсатора - устройства, реализующего функцию T-образного RC или LC фильтра [8, с. 259]. Практически в качестве проходного конденсатора, реализующего второй фильтр питания 37, может использоваться проходной конденсатор, аналогичный по функции и конструктивному выполнению проходному конденсатору NFM41R10C233 фирмы MURATA (США), предназначенному для поверхностного монтажа.

Общая точка 27 проводников питания 26 первой зоны 15 (фиг. 6) электрически связана (посредством соответствующего печатного проводника третьего проводящего слоя 5 и отверстия межслойного соединения) с выходным выводом 40 третьего фильтра питания 41. Фильтр питания 41 размещен на наружном проводящем слое 2 во второй зоне 16 (фиг. 2, 10) и связан своими входным 42 и земляным 43 выводами соответственно с выходным выводом 36 второго фильтра питания 37 и земляной плоскостью 22 второй зоны 16. Фильтр питания 41 выполняется преимущественно в виде проходного фильтра, реализующего функцию T-образного LC фильтра [8, с. 259 - 261, рис.6.10, 6.11]. Практически в качестве проходного фильтра, реализующего третий фильтр питания 41, может использоваться, например, проходной фильтр, аналогичный по функции и конструктивному выполнению проходному фильтру NFM61T20T472 фирмы MURATA (США), предназначенному для поверхностного монтажа.

Кроме этого, на наружном проводящем слое 2 в первой зоне 15 расположена первая группа контактных площадок, образующих посадочное место 44 для размещения высокочастотного соединителя, предназначенного для подключения внешнего опорного генератора в случае использования внешнего опорного сигнала, и вторая группа контактных площадок, образующих посадочное место 45 для размещения собственного опорного генератора в случае использования собственного опорного сигнала (фиг. 4, 11). Рядом с контактной площадкой 46 "Выход опорного генератора" из состава второй группы контактных площадок размещена контактная площадка 47 "Внешний опорный сигнал", соединенная печатным проводником 48 с контактной площадкой 49 "Выход соединителя" из состава первой группы контактных площадок (фиг. 11). Контактные площадки 46 "Выход опорного генератора" и 47 "Внешний опорный сигнал" выполнены с обеспечением возможности их электрического соединения между собой токопроводящей перемычкой 50 в случае использования внешнего опорного сигнала (на фиг. 11 токопроводящая перемычка 50 показана условно). От контактной площадки 46 отходит печатный проводник 51 (фиг. 11, 12), по которому опорный сигнал поступает к синтезаторам частот, размещенным в первой зоне 15.

Заявляемый БКБРП, характеризуемый совокупностью рассмотренных признаков, представляет собой конструкцию, которая используется в качестве базовой при выполнении радиоэлектронных приборов, в том числе навигационных приемников-процессоров сигналов СРНС, в которых для питания используется один внешний источник питания, а в качестве опорных сигналов - либо собственные опорные сигналы, формируемые размещаемым на многослойной печатной плате собственным опорным генератором, либо внешние опорные сигналы, подаваемые через размещаемый на многослойной печатной плате соответствующий высокочастотный соединитель.

В случае, когда используется собственный опорный сигнал, на контактных площадках, образующих посадочное место 45, размещается собственный опорный генератор 52 (фиг. 12). Опорный генератор 52 размещается так, что его выход электрически соединен с контактной площадкой 46 "Выход опорного генератора", а через него - с печатным проводником 51. В качестве опорного генератора 52 может быть использован генератор, аналогичный, например, генератору TX0255AR 10,00 MHz, 3V фирмы RAKON (США), конструкция которого обеспечивает возможность поверхностного монтажа. Монтаж опорного генератора 52 на контактных площадках посадочного места 45 осуществляется, например, с помощью соответствующего группового паяльника, при этом технология поверхностного монтажа позволяет при необходимости осуществлять неоднократный монтаж и демонтаж опорного генератора 52.

В случае, когда используется внешний опорный сигнал, на контактных площадках, образующих посадочное место 44, размещается высокочастотный соединитель 53, предназначенный для подключения внешнего опорного генератора. Одновременно между контактными площадками 46 и 47 устанавливается токопроводящая перемычка 50 (фиг. 13). Высокочастотный соединитель 53 размещается так, что его сигнальный вывод электрически соединен с контактной площадкой 49 "Выход соединителя", при этом сигнальный вывод высокочастотного соединителя 53 через контактную площадку 49, печатный проводник 48, контактную площадку 47, токопроводящую перемычку 50 и контактную площадку 46 оказывается соединенным с печатным проводником 51. Монтаж высокочастотного соединителя 53 на контактных площадках посадочного места 44 осуществляется по технологии объемного монтажа, например с использованием соответствующего группового паяльника, что позволяет при необходимости осуществлять неоднократный его монтаж и демонтаж. Аналогичным образом с помощью паяльника осуществляется монтаж и демонтаж токопроводящей перемычки 50 на контактных площадках 46 и 47.

БКБРП с установленным опорным генератором 52 или установленными высокочастотным соединителем 53 и токопроводящей перемычкой 50 размещается в соответствующем корпусе (на фигурах не показан), к высокочастотному соединителю 12 подключается кабель приемной антенны, а к низкочастотным соединителям 13₁, 13₂- кабели внешнего источника питания и других внешних устройств (пульта управления, средств регистрации и контроля данных и др.). Для случая внешнего опорного сигнала к высокочастотному соединителю 53 подключается кабель внешнего опорного генератора.

Работа приемника-процессора сигналов СРНС, выполненного с использованием заявляемого БКБРП, осуществляется следующим образом.

На контактную площадку 46 поступает либо собственный опорный сигнал от размещаемого в этом случае на многослойной печатной плате 1 опорного генератора 52 (фиг. 12), либо внешний опорный сигнал - от размещаемого в этом случае на многослойной печатной плате 1 высокочастотного соединителя 53 (фиг. 13). С контактной площадки 46 опорный сигнал по печатному проводнику 51 поступает на размещенные в первой зоне 15 синтезаторы частот, которые формируют сетку гетеродинных и тактовых частот.

Напряжение питания поступает с контактных элементов 31 "Питание" и 32 "Земля", соединенных с соответствующими выводами низкочастотного соединителя 13₁. Напряжение питания в самом начале своего распределения по зонам 19-15 фильтруется от высокочастотных составляющих и наводок с помощью первого фильтра питания 34 (фильтрующего конденсатора), непосредственно связанного своими выводами с контактными элементами 31 и 32. Первый фильтр питания 34 осуществляет замыкание высокочастотных составляющих входного напряжения питания на "землю" источника питания, предотвращая тем самым распространение высокочастотных наводок, обусловленных входным питанием.

Отфильтрованное таким образом напряжение питания далее распределяется по зонам 19-15 следующим образом.

На объединенные между собой плоскости 30 цифрового питания и объединенные между собой земляные плоскости 23 пятой 19, четвертой 18 и третьей 17 зон напряжение питания (потенциалы "Питание" и "Земля") поступают непосредственно с контактных элементов 31 и 32.

На общую точку 29 проводников питания 28 второй зоны 16 питание поступает с выходного вывода 36 второго фильтра питания 37 - проходного конденсатора, который установлен в третьей зоне 17 и связан своим входным выводом 38 и земляным выводом 39 соответственно с плоскостью 30 цифрового питания и земляной плоскостью 23 третьей зоны 17. Фильтр питания 37 фильтрует на земляную плоскость 23 третьей зоны 17 высокочастотные составляющие напряжения питания, поступающего на проводники питания 28 второй зоны 16 с плоскости цифрового питания 30 третьей зоны 17, а также препятствует обратному проникновению низкочастотных составляющих питания из второй зоны 16 в третью 17 и последующие 18 и 19 зоны. Таким образом, напряжение питания, поступающее во вторую зону 16, проходит через два барьера фильтрации, которые образованы двумя фильтрами питания 34 и 37, что обеспечивает достаточную развязку по питанию электрорадиоэлементов, осуществляющих во второй зоне 16 аналого-цифровое преобразование сигналов СРНС. При этом внутри самой зоны 16 подключение проводников питания 28 к общей точке 29, связанной с выходным выводом 36 второго фильтра питания 37, обеспечивает минимизацию взаимного влияния электрорадиоэлементов второй зоны 16 друг на друга по цепям питания.

На общую точку 27 проводников питания 26 первой зоны 15 питание поступает с выходного вывода 40 третьего фильтра питания 41 - проходного фильтра, который установлен во второй зоне 16 и связан своим входным выводом 42 и земляным выводом 43 соответственно с выходным выводом 36 второго фильтра питания 37 и земляной плоскостью 22 второй зоны 16. Фильтр питания 41 фильтрует на земляную плоскость 22 второй зоны 16 высокочастотные составляющие, имеющиеся в напряжении питания второй зоны 16. Таким образом, напряжение питания, поступающее в первую зону 15, проходит через три барьера фильтрации, которые образованы тремя фильтрами питания 34, 37 и 41, что обеспечивает эффективную развязку по питанию наиболее чувствительных к наводкам аналоговых электрорадиоэлементов первой зоны 15. При этом внутри самой зоны 15 предложенное подключение проводников питания 26 к одной общей точке 27, связанной с выходным выводом 40 третьего фильтра питания 41, обеспечивает минимизацию взаимного влияния электрорадиоэлементов первой зоны 15 друг на друга по цепям питания.

Таким образом, в рассматриваемых условиях, когда для питания применен один внешний источник питания, в пределах многослойной печатной платы 1 фактически организовано раздельное питание трех участков - участка первой зоны 15, участка второй зоны 16 и участка, включающего зоны 17- 19.

Запитываемые рассмотренным образом электрорадиоэлементы зон 15-19 осуществляют функциональное преобразование сигналов СРНС и формирование выходных сигналов, несущих навигационную информацию, информацию о времени, а также служебную информацию СРНС. При этом входные сигналы, представляющие собой аналоговые широкополосные шумоподобные радиосигналы СРНС "ГЛОНАСС" и "GPS" с частотами в диапазоне от 1200 МГц до 1700 МГц, поступают через высокочастотный соединитель 12 в первую зону 15, где подвергаются усилению, фильтрации от помех и частотному преобразованию с понижением несущей частоты до десятков мегагерц. При преобразовании используются гетеродинные сигналы, формируемые синтезаторами частот, расположенными в первой зоне 15. Необходимый для работы синтезаторов опорный сигнал поступает по печатному проводнику 51 с контактной площадки 46. При этом, как было показано выше, на контактную площадку 46 опорный сигнал поступает либо с выхода опорного генератора 52 (фиг. 12) - в случае использования собственного опорного сигнала (фиг. 12), либо с сигнального вывода высокочастотного соединителя 53 (фиг. 13) - в случае использования внешнего опорного сигнала.

После преобразования в первой зоне 15 аналоговые сигналы СРНС поступают во вторую зону 16, где осуществляется их преобразование в цифровой вид. При этом используются тактовые сигналы, которые формируются из опорного сигнала с помощью соответствующих электрорадиоэлементов, расположенных в первой зоне 15. Цифровые сигналы, сформированные во второй зоне 16, далее поступают в третью зону 17, где осуществляется многоканальная корреляционная обработка. Затем сигналы поступают в четвертую зону 18, где обрабатываются в цифровом процессоре. После этого сигналы поступают в пятую зону 19, где преобразуются в интерфейсных электрорадиоэлементах. Необходимые для работы тактовые сигналы поступают из первой зоны 15.

Таким образом сигналы СРНС в процессе своей обработки последовательно переходят от одной зоны к другой, претерпевая при этом изменения по частоте от тысяч мегагерц на входе первой зоны 15 (зоны размещения аналоговых электрорадиоэлементов) до единиц герц на выходе пятой зоны 19 (зоны размещения интерфейсных электрорадиоэлементов). Как уже отмечалось выше, функциональные связи между зонами осуществляются посредством печатных проводников связи (сигнальных проводников), расположенных преимущественно в первом проводящем слое 2 (фиг. 4). В рассматриваемом примере реализации печатные проводники связи, расположенные в первом проводящем слое 2, экранируются земляными плоскостями 20, 22, 23 и земляными печатными проводниками 24, 25 второго проводящего слоя 4, расположенными под про водниками связи (фиг. 5). Указанная экранировка печатных проводников связи обеспечивает минимизации потерь в возвратных контурах цепей прохождения сигналов и снижение их восприимчивости к воздействию излучений и перекрестных помех за счет исключения неоптимальных токовых путей, обладающих дополнительной индуктивностью.

На достигаемый результат по устранению паразитных наводок и наведенных помех положительно влияет и то, что за счет предложенного размещения и выполнения земляных плоскостей, плоскостей питания, проводников питания и фильтров питания в заявляемом БКБРП обеспечивается формирование оптимальных возвратных цепей, соответствующих не только сигнальным цепям, но и цепям питания, исключается образование паразитных токовых контуров, характеризуемых паразитными индуктивностями и восприимчивостью к помехам, а также достигается минимально возможное сопротивление по постоянному току и обеспечивается оптимальная фильтрация и требуемый уровень питающего напряжения во всех зонах.

Указанный результат по устранению паразитных наводок и наведенных помех не зависит от того, какой источник опорных сигналов использован - собственный опорный генератор или внешний опорный генератор.

Проведенные эксперименты показали, что требуемое по условиям обеспечения работоспособности устранение паразитных наводок и наведенных помех наблюдается при обработке сигналов СРНС "ГЛОНАСС" и "GPS" в различных их сочетаниях и во всех рабочих диапазонах частот в условиях, когда для питания используется один внешний источник питания, а в качестве опорного сигнала - либо собственный опорный сигнал, формируемый собственным опорным генератором, либо внешний опорный сигнал, подаваемый через высокочастотный соединитель. Проведенные эксперименты подтвердили перспективность использования заявляемой конструкции как базовой при производстве унифицированных по конструкции малогабаритных радиоэлектронных приборов, осуществляющих прием и обработку сигналов СРНС.

Из рассмотренного следует, что заявляемый БКБРП технически осуществим, промышленно реализуем и решает поставленную техническую задачу по обеспечению возможности применения общей базовой конструкции при выполнении радиоэлектронных приборов, в которых для питания используется один внешний источник питания, а в качестве опорных сигналов - либо собственные опорные сигналы, формируемые собственным опорным генератором, размещаемым в этом случае на многослойной печатной плате, либо внешние опорные сигналы, подаваемые через размещаемый на многослойной печатной плате соответствующий высокочастотный соединитель, при этом обеспечивается устранение паразитных наводок и наведенных помех в условиях, когда на многослойной печатной плате размещаются разнородные функциональные электрорадиоэлементы различной степени интеграции, работающие с разнородными сигналами (аналоговыми и цифровыми) различных частот (от тысяч мегагерц на входе до единиц герц на выходе)
Источники информации
1. Бортовые устройства спутниковой радионавигации /И.В.Кудрявцев, И.Н. Мищенко, А.И.Волынкин и др. Под ред. В.С.Шебшаевича. М., Транспорт, 1988.

2. Свидетельство РФ на полезную модель N 2157, G 06 Т 11/20, опубл. 16.05.96.

3. Авторское свидетельство СССР N 1826853, H 05 К 5/00, опубл.20.11.96.

4. Патент РФ N 2047947, H 05 К 1/02, опубл. 10.11.95.

5. Лунд П. Прецизионные печатные платы. Конструирование и производство. М., Энергоатомиздат, 1983.

6. Майоров С.А. и др. Электронные вычислительные машины. Справочник по конструированию. Под ред. С.А.Майорова. М.Сов. радио, 1975.

7. Патент РФ N 2125775, H 05 К 1/00, 3/46, опубл. 27.01.99 (прототип).

8. Конструирование радиоэлектронных средств. / Под ред. А.С.Назарова, М. , Издательство МАИ, 1996.