РАДИОЭЛЕКТРОННЫЙ БЛОК

Полезная модель относится к области разработки конструкций печатных плат и радиоэлектронных блоков, которые могут использоваться в оптико-электронных приборах различного назначения.
В настоящее время к оптико-электронным приборам (ОЭП) предъявляют высокие требования по электромагнитной совместимости, надежности, массогабаритным характеристикам и технологичности изготовления. Поэтому существует проблема повышения электромагнитной совместимости при сохранении или уменьшении массогабаритных характеристик ОЭП.
Известен радиоэлектронный блок (Патент РФ №2 172 081, МПК H05K 1/00 (2000. 01), H05K 1/11 (2000. 01), H05K 1/14 (2000. 01), H05K 3/46 (2000. 01) опубликованный 10.08.2001) содержащий 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 функциональным зонам. Земляные плоскости расположены во внутренних проводящих слоях, соседствующих с наружными проводящими слоями.
Недостатком радиоэлектронного блока является то, что экранирующие слои внутри печатной платы предназначены для экранирования элементов, находящихся в разных функциональных зонах на плате, и не обеспечивают достаточную защиту от внешних электромагнитных воздействий.
Так же известен радиоэлектронный блок (Патент РФ №2366125, МПК H05K 1/00 (2006.01), H05K 1/18 (2006.01), H05K 9/00 (2006.01), H05K 3/40 (2006.01), H05K 3/46 (2006.01) опубликованный 27.08.2009) который обеспечивает повышение эффективности защиты радиоэлектронного блока от воздействия электромагнитных помех и радиопомех посредством использования в нем пространственных ресурсов печатных плат и изготовления защищающего от электромагнитных помех экрана путем заполнения припоем металлизированного паза, связывающего экранирующие печатные проводники и земляные плоскости.
Недостатками является отсутствие неразъемных соединений между платами и корпусом блока, а также сложность монтажа радиоэлектронного блока, в процессе которого высока вероятность нарушения технологических норм, что приведет к снижению эффективности защиты радиоэлектронного блока от воздействия электромагнитных помех.
Наиболее близким к заявленному техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является радиоэлектронный блок (Патент РФ №174943, МПК H05K 9/00 (2006.01), опубликованный 14.11.2017), состоящий из корпуса, с выполненными в нем отверстиями для внешних разъемов, системную плату, крышку нижнюю, плату питания, модули электропитания, модули фильтра, корпус разделен на отсек силовой части и на отсек системной части. Общими признаками являются разделение электроники по функциональному назначению на две отдельные платы: плату питания и управления, на которой расположены элементы питания и управления и системную плату, на которой расположены чувствительные аналоговые радиоэлементы. Так же печатные платы имеют выходные разъемы, межплатные соединения, элементы и детали крепления, при этом платы имеют электрическую связь с корпусом (заземление).
Основными недостатками прототипа являются необходимость разделения радиоэлектронного блока на изолированные отсеки, для организации защитного экрана между платами, а также необходимость применения внешнего защитного экрана в виде металлического корпуса от электромагнитных помех, что существенным образом влияет на массогабаритные характеристики приборов.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение электромагнитной совместимости радиоэлектронного блока при сохранении плотной компоновки электроники и небольших массогабаритных характеристик.
Технический результат достигается тем, что в радиоэлектронном блоке, содержащем плату питания и управления, на которой расположены элементы питания и управления, и системную плату с расположенными на ней чувствительными аналоговыми радиоэлементами, выходные разъемы, выполненные на платах, межплатные соединения, модуль крепления, согласно настоящей полезной модели элементы питания и управления расположены на внешней стороне платы питания и управления, чувствительные аналоговые радиоэлементы расположены на внешней стороне системной платы, межплатные соединения выполнены в виде встречных разъемов на платах, модуль крепления представляет собой крепежную металлическую раму с отверстиями для элементов крепления, расположенную между платами, при этом в стеке слоев обеих плат заложены экранирующие слои, которые соединены с крепежной рамой через металлизированные отверстия в платах и между которыми располагаются слои чувствительных аналоговых и высокоскоростных цифровых цепей, а в стеке слоев каждой платы имеются глухие переходные металлизированные отверстия для обеспечения перехода сигналов между внешними и ближайшими к ним крайними внутренними сигнальными слоями, а также скрытые переходные металлизированные отверстия для осуществления перехода сигналов между противоположными крайними внутренними сигнальными слоями.
Сущность полезной модели, ее реализуемость и возможность промышленного применения поясняются чертежами, представленными на Фиг. 1, 2 где:
Фиг. 1 - радиоэлектронный блок;
Фиг. 2 - стек слоев печатных плат.
Цифрами на Фиг. 1, 2 обозначены следующие позиции:
1. радиоэлектронный блок;
2. плата питания и управления;
3. элементы питания и управления;
4. системная плата;
5. чувствительные аналоговые радиоэлементы;
6. выходные разъемы;
7. межплатные соединения;
8. металлическая рама;
9. отверстия на металлической раме;
10. элементы крепления;
11. металлизированные отверстия в платах;
12. экранирующие слои;
13. диэлектрические слои;
14. глухие переходные металлизированные отверстия;
15. скрытые переходные металлизированные отверстия;
16. слои чувствительных аналоговых и высокоскоростных цифровых цепей;
17. зазоры между печатными проводниками;
18. внешние сигнальные слои;
19. внутренние сигнальные слои.
Радиоэлектронный блок 1 (фиг. 1) содержит плату питания и управления 2, на которой расположены элементы питания и управления 3, и системную плату 4 с расположенными на ней чувствительными аналоговыми радиоэлементами 5, а также модуль крепления, выполненный в виде металлической рамы 8 с отверстиями 9 для элементов крепления 10, при этом платы снабжены выходными разъемами 6, и межплатными соединениями 7.
Элементы питания и управления 3 расположены на лицевой стороне платы питания и управления 2, чувствительные аналоговые радиоэлементы 5 расположены на лицевой стороне системной платы 4, межплатные соединения 7 выполнены в виде встречных разъемов, расположенных на тыльной стороне плат, металлическая рама 8 модуля крепления расположена между тыльными сторонами плат 2 и 4, при этом плата питания и управления 2 и системная плата 4 выполнены многослойными, стеки слоев многослойных плат 2 и 4 содержат внешние 18 и внутренние 16, 19 сигнальные слои, диэлектрические 13 и экранирующие 12 слои, при этом внутренние сигнальные слои 16 чувствительных аналоговых и высокоскоростных цифровых цепей расположены между экранирующими слоями 12, контакт экранирующих слоев 12 с металлической рамой 8 осуществляется через сквозные металлизированные отверстия 11, выполненные в платах 2, 4 и металлической раме 8. В стеках слоев имеются глухие переходные металлизированные отверстия 14 для обеспечения перехода сигналов между внешними 18 и ближайшими к ним крайними внутренними 19 сигнальными слоями, а также скрытые переходные металлизированные отверстия 15 для осуществления перехода сигналов между противоположными крайними внутренними сигнальными слоями 19.
Пример выполнения стека слоев печатных плат приведен на фиг. 2, который в частном случае исполнения по количеству и структуре стека слоев одинаков для обеих печатных плат.
На плате питания и управления 2 трассировка цепей элементов питания и цепей элементов управления выполнена на внешнем 18 и ближайшем к нему крайнем внутреннем сигнальном 19 слоях платы. Переход между слоями данных цепей выполнен при помощи глухих переходных отверстий 14. На следующем слое расположен земляной полигон, выполняющий роль экранирующего слоя 12. Стек слоев печатной платы выполнен в виде симметричной структуры, поэтому количество и назначение слоев относительно центрального диэлектрического слоя 13 одинаково. Между двумя экранирующими слоями 12 расположены слои 16 чувствительных аналоговых и высокоскоростных цифровых цепей. Экранирующие слои 12 соединены между собой скрытыми переходными отверстиями 15. Так же экранирующие слои 12 соединены с металлизированными крепежными отверстиями 11, через которые они соединены с металлической рамой 8 модуля крепления и корпусом изделия (на фиг. не показан) посредством элементов крепления 10. Всего печатная плата может состоять, например, из N≥8 слоев металлизации, в зависимости от количества расположенных на ней радиоэлементов и количества электрических связей между ними.
Структура стека слоев системной платы 4 выполняется аналогичным образом. На внешней стороне 5 системной платы 4 расположены чувствительные аналоговые радиоэлементы, а слои 16 чувствительных аналоговых и высокоскоростных цифровых цепей расположены на внутренних слоях между экранирующими слоями 12, соединенными с металлизированными отверстиями 11 и металлической рамой 8 элементами крепления 10.
Работу устройства можно описать следующим образом.
Во время работы на плате питания и управления 2 формируются напряжения, необходимые для функционирования системной платы 4 и узлов изделия, для которого предназначен радиоэлектронный блок 1. Процесс формирования напряжений питания неизбежно сопровождается электромагнитными помехами. Эти электромагнитные помехи не оказывают влияния на работу системной платы 4, т.к. в предложенном техническом решении они локализованы на лицевой стороне платы питания и управления 2, благодаря чему чувствительные радиоэлементы 5, расположенные на лицевой стороне системной платы 4 защищены от их воздействия. При этом плата питания и управления 2 и системная плата 4 так же имеет хорошую защиту от внешних электромагнитных помех, т.к. чувствительные аналоговые и высокоскоростные цифровые цепи находятся на внутренних слоях 16 печатных плат 2, 4 между экранирующими слоями 12, которые соединены между собой глухими переходными отверстиями 14 по всем границам экранирующих земляных слоев 12, что обеспечивает наличие замкнутого контура вокруг чувствительных аналоговых и высокоскоростных цифровых цепей. Наличие глухих переходных отверстий 14 позволяет обеспечить протекание токов питания на внешних слоях печатных плат без сквозного перехода между слоями, что позволяет минимизировать количество разрывов в экранирующих слоях 12, благодаря чему электромагнитные поля, возникающие на границах разрывов вследствие увеличения индуктивности, не оказывают воздействия на чувствительные аналоговые и высокоскоростные цифровые цепи.
В заявленном решении электро- и радиоэлементы на платах сгруппированы таким образом, что элементы питания и управления вынесены на лицевую сторону платы питания и управления, а чувствительные аналоговые радиоэлементы расположены на лицевой стороне системной платы. Это позволяет локализовать электромагнитные помехи на лицевой стороне платы питания и управления и не оказывать влияния на корректную работу системной платы, а также повысить плотность компоновки электроники. В отличие от прототипа, где роль экрана выполняет разделительная стенка между платами, в радиоэлектронном блоке дополнительный экран между платами отсутствует, а его функцию выполняют земляные экранирующие слои внутри стека слоев печатных плат, которые защищают чувствительные аналоговые и высокоскоростные цифровые цепи от внешних электромагнитных воздействий. В предложенном техническом решении отсутствуют сквозные переходные отверстия, экранирующие слои соединяются с металлизированными отверстиями печатных плат, которые устанавливаются на металлическую раму и имеют электрическую связь с корпусом. Это дополнительно позволяет избавиться от влияния внешних электромагнитных помех, что ведет к повышению электромагнитной совместимости заявленного устройства в целом. При этом платы выполнены с возможностью стыковки непосредственно друг в друга при помощи межплатных соединений, а модуль крепления представляет собой металлическую раму с отверстиями, что в совокупности с вышеуказанными достоинствами позволяет улучшить массогабаритные характеристики радиоэлектронного блока.
Предлагаемая полезная модель технически осуществима и промышленно реализуема на приборостроительном предприятии, проведенные испытания подтверждают достижение заявленного технического результата.