Термин радиоэлектронная аппа­ратура (РЭА) появился в 1963 г. для общего описания изделий радио­техники (приемников, передатчиков), вычислительной техники (ЭВМ и уст­ройств для обработки данных), про­мышленной электроники (устройства управления технологическими про­цессами, приборы для воздействия на материалы и детали) и т. п. В на­стоящее время различают радио­электронные системы (радиосвязи, радиолокации и навигации, управ­ления и т, п.) и радиоэлектронные устройства (радиоприемные, радио­передающие и т. п.). В литературе по конструированию термин РЭА относят к широкому классу изделий, в которых используют преимущест­венно электромагнитные сигналы для передачи, приема и преобразования информации.

Основной физический механизм ра­боты РЭА — многократное преобра­зование природы сигналов. Напри­мер, в простейшем радиоприемнике (Рис. 1.1, а) входной сигнал, за­шифрованный в свойствах электро­магнитного поля I, преобразуется на выходе антенны в сигнал высокой частоты 2. Аналогичные эффекты про­исходят в детекторе Д и громкого­ворителе Гр. По первому впечатле­нию таких преобразований не про­исходит в усилителях высокой и низкой частоты (природа входных 2 и 3 и выходных 2' и 3' сигналов одинакова). Однако рассмотрение уп­рощенной схемы усилителя низкой частоты (Рис. 1.1, б) показывает, что он является сложным преобразователем, включающим в себя нить на­кала (преобразователь электри­ческой энергии в тепловую), катод к (преобразователь тепловой энергии в энергию электронного газа), про­межуток сетка—катод с — к (преоб­разователь энергии входного управ­ляющего сигнала W_BX в энергию электрического поля) и т.д.

При работе резисторов происхо­дит преобразование электрической энергии в тепловую. При работе конденсаторов и катушек индуктив­ности требуется не только наличие соответствующим образом выпол­ненных проводников, но определен­ного пространства (емкость или ин­дуктивность [1] —способность про­водников с током и окружающего их пространства накапливать энергию электрического или магнитного по­ля). Таким образом, все схемотех­нические элементы, устройства и системы — преобразователи, требу­ющие при работе дополнительного объема пространства для поглоще­ния или накопления тепловой, аку­стической, световой, электромагнит­ной и т. п. энергии. Поэтому реше­ние конструкторско-компоновочных задач требует обязательного учета как природы эффектов преобразова­ния, так и дополнительных объемов для их нормального протекания. Необходимая степень учета этих факторов зависит от конструктивных особенностей РЭА.

Таким образом, конструкцию РЭА следует рассматривать в виде опре­деленным образом упорядоченной статической комбинации (структуры) исходных свойств (материалов, эле­ментов) и их взаимосвязей, обеспечи­вающих заданное динамическое пре­образование физической природы сигналов, преимущественно электро­магнитной природы. В свою очередь она разделяется  на:

·        определенные упорядоченные статические структуры материалов, «запомнивших» воздействия при изго­товлении элементов конструкции (ше­стерни, резисторы, микросхемы и т. п.), — собственно конструктив­ные   и   схемные   элементы,

·        определенные статические или динамические связи, определяемые компоновкой и связями элементов конструкции, электромонтажные, механические и др.,

·        специальные каналы, с помо­щью которых осуществляются эффек­ты энерго- массопереноса (обмена) со средой или специальными устрой­ствами (ввода—вывода, теплообмена, экранирования и т. п.), а также человеком-оператором.

Особенности конструкции РЭА определяются областью ее исполь­зования (объектом-носителем), схе­мотехническим назначением, исполь­зуемыми элементной и конструктив­ной базами.

Области использования РЭА.

Области использования и объекты носители РЭА определяют параметры конкретного микроклимата в месте расположения РЭА. Легче всего обес­печить нормальную работу РЭА в отапливаемых помещениях в ста­ционарных условиях. Стационарная и переносная РЭА, предназначен­ная для работы на поверхности земли, должна иметь в конструкции защитные корпуса с уплотнением и элементную базу, обеспечивающую нормальную работу при воздействии климатических факторов.

Возимая РЭА для наземных транс­портных средств подвергается воз­действию вибраций, ударов и ускоре­ний. Возможно воздействие пыли, паров   бензина   и   масел.

Корабельная РЭА требует ис­пользования влагонепроницаемых корпусов и уплотнения осей орга­нов   управления.

Самолетная и вертолетная РЭА должна работать при пониженном атмосферном давлении, воздействии росы и инея, тумана, вибраций, уда­ров и других воздействий, опреде­ляемых конструкцией самолета и вертолета. Наиболее тяжелыми могут быть условия работы ракетной и космической   РЭА.

Поэтому при разработке конструк­ции РЭА необходимо знание осо­бенностей объектов-носителей и кли­матических условий местности экс­плуатирования РЭА, которые ока­зывают существенное влияние на конструктивно-компоновочные пара­метры РЭА, на выбор материалов элементной и  конструктивной базы.

Назначение РЭА.

В настоящее время РЭА исполь­зуется для связи, управления, на­вигации, различных научных иссле­дований и в производстве. Суть ее работы и определяющие факторы следующие.

Радио-, оптическая и проводная связь — передача радиосигналов от одного абонента к другому по радио, оптическим или проводным линиям связи. Должна обеспечивать многоканальность, беспоисковое вхожде­ние в связь, помехозащищенность от атмосферных и искусственных помех При наличии промежуточ­ных приемопередающих устройств получают радиорелейные линии свя­зи.

Радиовещание и телевидение — пе­редача речевых, музыкальных и ви­зуальных ознакомительных или раз­влекательных сообщений большим группам людей. Должны обеспечи­вать достаточную дальность действия, число каналов и высокое качество воспроизведения сигналов (моно-, стерео- или квадрофоническое для акустических, черно-белое, цветное и объемное для визуальных). Могут использоваться для специальных це­лей в условиях работы промышлен­ных, зрелищных, медицинских и других организаций (диспетчерские устройства связи, промышленное и медицинское телевидение, специаль­ные    звуковые   эффекты    и    т.    п.).

Радиоуправление — управление по эфиру или проводам с помощью ра­диосигналов промышленными, на­учными или военными объектами. Должно обеспечить простоту, точ­ность   и   скрытность   управления.

Радиотелеметрия — получение информации о работе и состоянии объектов и людей с помощью спе­циальных промежуточных преобра­зователей и линий связи Аппара­тура должна обеспечивать точность, быстродействие и быть (особенно для малогабаритных объектов) ма­логабаритной   и   экономичной.

Радиометеорология — получение информации, в основном, с помо­щью специально оснащенных ИСЗ (например, «Метеор», «Нимбус») и наземных комплексов об облачности, температуре, различных образова­ниях и других факторах на поверх­ности Земли, определяющих погоду. Должна обеспечивать точность и своевременность получения метеоинформации.

Радиолокация — определение координат и характеристик объекта активными (источники импульсного или непрерывного излучения   в  составе РЛС) или пассивными (источ­ник радио- или теплового излуче­ния сам объект) методами. Должна обеспечивать точность и достовер­ность работы, особенно в условиях пассивных   или   активных   помех.

Радионавигация — особо точ­ное определение координат объекта с помощью специальных источников радиоизлучения с точно известными координатами (например, береговые радиовещательные или специальные станции) Обеспечивает большую точ­ность (особенно на больших расстоя­ниях) по сравнению с радиолокацией.

Радиоастрономия — получение информации о космических объек­тах с помощью приема и анализа их радиоизлучения. Так как ширина «радиоокна» в атмосфере намного больше оптического, то и количество информации тоже намного больше. Должна обеспечивать наивысшую чувствительность и широкополосность системы, ибо ими определяет­ся количество получаемой информа­ции

Медицинская радиоэлектроника — использование методов и средств радиоэлектроники в биомедицин­ских исследованиях, в качестве элек­тронных стимуляторов деятельности отдельных органов человека, в со­здании протезов и диагностических систем Должна обеспечивать высо­кую эффективность при минималь­ном нежелательном воздействии на организм  и простом   обслуживании.

Радиоизмерения — создание и использование специальных уст­ройств для измерения или имитации различных сигналов, преимуществен­но электромагнитной природы. Дол­жны обеспечивать требуемую точ­ность, стабильность, уровень и бы­стродействие во всех научных иссле­дованиях, для которых предназна­чены измерительные приборы или комплексы, включая, в частности, наручные электронные часы, сред­ства комплексного контроля и дру­гие подобные устройства. Должны проводиться с минимальным влия­нием на параметры контролируемой цепи.

Устройства обработки данных — обычно являются частью более слож­ных радиосистем или систем автома­тизированного управления (АСУ), но могут быть выполнены и в виде самостоятельных систем вида элек­тронных цифровых, аналоговых или клавишных вычислительных ма­шин (ЦЭВМ или просто ЭВМ, АЭВМ и ЭКВМ). Должны обеспечивать про­стоту ввода и вывода данных, точ­ность, бесшумность и надежность работы.

Устройства записи и воспроизве­дения сигналов — приспособления для записи и воспроизведения аку­стических, визуальных и специаль­ных сигналов на проволочных, лен­точных, дисковых, плоских ферро­магнитных (магнитная запись), оп­тических (в том числе голографическая запись) и других по форме и физической природе носителях (в ви­де магнитофонов, радиол, ЗУ и т. п.). Должны обеспечивать в первую оче­редь требуемое качество и простоту управления. Для специальных уст­ройств (например, ЗУ) могут предъяв­ляться требования разного быстро­действия при записи и воспроизве­дении.

Устройства энергетического ха­рактера — приспособления для непосредственного воздействия на свойства материалов или объект уп­равления (некоторые устройства квантовой электроники, используе­мые в технологии микросхем, высоко­частотная закалка, аппаратура фи­зиотерапии, специальные выходные устройства управления и т. п.). Должны обеспечивать избиратель­ное энергетическое воздействие в со­ответствии с назначением. Их ча­сто (как и некоторые электромеха­нические и фотооптические устрой­ства) не включают в радиоэлектро­нику.

Рассмотрение характерных обла­стей использования радиоэлектро­ники показывает, что она, в основном, предназначена для решения разно­образных информационных задач. Этим определяется как математиче­ский аппарат радиоинженера, так и используемые им физические мо­дели.

Задачи, стоящие перед разработчиками конструкции электронных устройств.

 

1.      Выбор элементной базы.

2.      Выбор варианта расположения и крепления радиоэлементов, узлов, блоков с учётом минимизации габаритов электромагнитных связей и тд.

3.      Разработка несущих конструкций с учётом удобства доступа при сборке, регулировке и ремонте.

4.      Обеспечить систему теплоотводом, с защитой от воздействия окружающей среды и защиты от ударов, вибраций и т.д.

5.      При разработке учитывать преемственность разрабатываемого изделия, унификацию, стандартизацию и модернизацию.

6.      Выбор используемых материалов, технологии изготовления, размер допусков и посадок. Необходимо уметь выполнять проверочные расчёт электрических параметров схемы на: механическую прочность, надёжность, тепловой режим и т.д.

7.      Учёт экономических и эргономических показателей.

 

История развития конструирования радиоэлектронной аппаратуры.

1910-1915гг. - основой являлись лампы, навесной монтаж, несущая конструкция – деревянный ящик, к стенкам которого внутри крепились элементы, резьбовые соединения.

По мере увеличения каскадов возросли паразитные и электромагнитные связи. Перед разработчиками встала задача экранирования не только отдельных элементов, но и блоков, в результате появились металлические шасси.

В конце 20-х годов аппаратура стала конструироваться в виде этажерки, вся схема разбивалась на на отдельные блоки – блочный метод конструирования.

В начале 30-х годов процесс монтажа оставался ручным, но производительность возросла за счёт применения пайки. Расстояние между элементами уменьшилось, но при этом возросли электромагнитные связи внутри аппаратуры.

В конце 30-х годов аппаратура стала использоваться на открытом воздухе. Защита от воздействия окружающей среды и от механических факторов. К радио электронной аппаратуре стали предъявляться требования по условию эксплуатации и объекту установки.

В 50-е годы появились полупроводниковые транзисторы и диоды. Пассивные радиокомпоненты стали миниатюрными. Элементы стали размещаться на печатных платах. Начал преобладать модульный метод конструирования.

Плата – это законченная часть схемы. Ввиду использования печатного монтажа уменьшились габариты и масса радиоаппаратуры. Появляется первая ЭВМ. Несмотря на использования печатного монтажа аппаратура была громоздкой. С увеличением функциональной сложности размеры её возрастали многократно.

60-е годы. Появляются первые схемы сделанные по интегрально-групповой технологии. Тонкоплёночные гибридные интегральные микросхемы толщиной 1 микрон.

В конце 70-х годов стал преобладать функционально-узловой метод конструирования. Возросла функциональная сложность радиоаппаратуры. На ряду с ГИС стали появляться СБИС и полупроводниковые ИС. В конструировании стало преобладать направление комплексной микроминиатюризации. Появляется технология поверхностного монтажа элементов.

На сегодняшний день стираются грани между элементной базой и самой аппаратурой в целом. Главная цель комплексной микроминиатюризации – это создание высоконадёжной радиоэлектронной аппаратуры с учётом минимизации габаритов и массы, с малой потребляемой мощностью и низкой себестоимостью. Это возможно при условии сокращения сроков проектирования РЭК, при применении САП (система автоматизированного проектирования) и использовании на всех этапах и стадиях изготовления.

Перспективы.

Развитие микроэлектроники в России необходимо и возможно, но возможно только при государственной финансовой и организационной поддержке и гарантированным объемам рынков сбыта.

Необходимо отметить, что при этом оказываются взаимосвязанными две задачи. Развитие микроэлектроники требует обеспечения государственных гарантий и поддержки для разработки и выпуска микросхемы для электронных документов, информационных систем органов государственной власти, навигационной аппаратуры, промышленной электроники, военной и специальной техники. В то же время, для обеспечения информационной безопасности всех указанных электронных систем следует использовать только отечественные микросхемы и, следовательно, необходимо развивать микроэлектронное производство в России.

Вот почему обеспечение решения этих сложных государственных задач требует создания и развития прочного технологического и производственного базиса выпуска отечественной современной электронной компонентной базы, технический уровень которой определяет возможности государства решать задачи технологической, информационной и экономической безопасности.

Электронная промышленность является базовой отраслью, но не выпускает конечной потребительской продукции. Потребность в ней определяется развитием всей инфраструктуры высокотехнологичных отраслей, опирающихся на использование электроники.

Не имея возможности проектировать и производить современную ЭКБ, Россия в ближайшее время может утратить потенциал в обеспечении обороны страны, потерять свои позиции в экспорте оружия, лишиться возможности разрабатывать и выпускать аппаратуру систем безопасности, в ещё большей степени отстанет от мирового технологического уровня в ведущих отраслях промышленности и обеспечения жизнедеятельности общества.       

Структура мировой системы производства и потребления в сфере высоких технологий основана на технологической цепочке, базирующейся на разработке и производстве ЭКБ. В основе этой технологической цепочки лежит спецтехнологическое оборудование и электронные материалы и структуры. Более 50 млрд. долл. оценен мировой рынок оборудования и материалов в 2005 г. действующие мощности микроэлектронного производства в 2005 г. создали электронную компонентную базу, оцениваемую уже в 300 млрд. долл. на основе данной электронной базы в высокотехнологичных отраслях экономики и, в первую очередь, в информационной и телекоммуникационной, создана электронная продукция общей стоимостью более 6 трлн. долл.

В ближайшем будущем большинство видов аппаратуры и систем будет выпускаться в «однокристальном» варианте, когда все функции будут реализованы на этапе производства ЭКБ.

Таким образом, не имея собственной высоко интегрированной и сложнофункциональной ЭКБ мы проиграем не только технически, но и экономически, так как наша аппаратура и системы станут не конкурентоспособными как на внешнем, так и на внутреннем рынках.

Внешние воздействия>