МОДУЛЬ ПРИЕМНИКА СИГНАЛОВ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ
MODULE OF SIGNALS RECEIVER IN SATELLITE RADIO NAVIGATION SYSTEMS

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при конструировании малогабаритных модулей приемников сигналов спутниковых радионавигационных систем (СРНС).
Модули приемников сигналов СРНС служат для получения навигационной информации и/или информации о точном времени на основе принимаемых сигналов СРНС, например сигналов СРНС ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США). Эти сигналы обрабатываются с помощью аналоговых и цифровых функциональных узлов, размещенных на многослойной печатной плате. Аналоговая обработка включает, в частности, фильтрацию сигналов от помех, их усиление и преобразование по частоте с понижением частоты, а цифровая обработка включает, в частности, многоканальную корреляционную обработку и обработку в цифровом процессоре. Для обеспечения внутриплатной электромагнитной совместимости разнородных функциональных узлов, осуществляющих аналоговую и цифровую обработку сигналов (т.е. для уменьшения до приемлемого уровня паразитных наводок и наведенных помех, обусловленных взаимным влиянием аналоговых и цифровых узлов), эти узлы размещаются на многослойной печатной плате определенным образом и экранируются внутриплатными средствами.
Известны конструкции модулей приемников сигналов СРНС, в которых функциональные узлы, осуществляющие аналоговую и цифровую обработку сигналов СРНС, сгруппированы по соответствующим функциональным зонам - зонам аналоговой и цифровой обработки сигналов, расположенным последовательно в соответствии с последовательностью обработки сигналов вдоль длинной стороны многослойной печатной платы, см., например, патенты РФ: [1] - RU 2172080 C1, H05K 1/00, 1/11, 1/14, 3/46, 10.08.2001, [2] - RU 2188522 C1, H05K 1/14, H01P 11/00, 27.08.2002, [3] - RU 2192108 C1, H05K 1/00, 1/11, 1/14, 3/46, 9/00, 27.10.2002, [4] - RU 2194375 C1, H05K 1/00, 1/11, 1/14, 3/46, 9/00, 10.12.2002, [5] - RU 2199839 C1, H05K 1/00, 1/11, 1/14, 3/46, 9/00, 27.02.2003, [6] - RU 2173036 C1, H05K 1/00, 1/11, 1/14, 3/46, 27.08.2001. В каждой из этих зон осуществляется экранировка с помощью плоскостных экранов, образованных земляными плоскостями, выполненными во внутренних проводящих слоях многослойной печатной платы и служащими проводниками питания потенциала «Земля» для электрорадиоэлементов соответствующих зон. Такая внутриплатная внутризонная экранировка позволяет уменьшить влияние паразитных наводок и наведенных помех, создаваемых элементами, принадлежащими разным функциональным зонам и передаваемых в основном по цепям питания.
Последовательное расположение зон аналоговой и цифровой обработки сигналов, примененное в патентах [1]÷[6], в наибольшей степени отвечает элементной базе низкого и среднего уровня интеграции, обеспечивая возможность рационального размещения большого количества дискретных электрорадиоэлементов по обеим сторонам многослойной печатной платы в каждой из зон аналоговой и цифровой обработки сигналов.
С повышением уровня интеграции элементной базы и уменьшением в связи с этим общего числа электрорадиоэлементов принцип последовательного расположения зон аналоговой и цифровой обработки сигналов при двухстороннем размещении электрорадиоэлементов в каждой из зон, примененный в патентах [1]÷[6], перестает быть оптимальным с точки зрения возможностей миниатюризации конструкции модуля приемника сигналов СРНС. Данному случаю в большей мере отвечает одностороннее размещение электрорадиоэлементов в пределах каждой из зон аналоговой и цифровой обработки сигналов при одновременном размещении этих зон друг под другом по разным сторонам многослойной печатной платы, например как это осуществлено в модулях приемников сигналов СРНС, представленных в патентах РФ: [7] - RU 2287917 C1, H05K 1/11, 3/46, 9/00, 20.11.2006; [8] - RU 2287918 C1, Н05К 1/11, 3/46, 9/00, 20.11.2006; [9] - RU 2287919 C1, H05K 1/11, 3/46, 9/00, 20.11.2006, а также в модуле приемника сигналов СРНС, представленном в патенте РФ [10] - RU 2287920 C1, H05K 1/14, 20.11.2006, принятом в качестве прототипа.
Принятый в качестве прототипа модуль приемника сигналов СРНС [10] содержит многослойную печатную плату с проводящими и изолирующими слоями и металлизированными отверстиями, посредством которых осуществляются межслойные электрические соединения. Многослойная печатная плата несет на себе печатные проводники и электрорадиоэлементы электрической схемы, предназначенной для приема и обработки сигналов СРНС. Печатные проводники и электрорадиоэлементы, относящиеся к узлам аналоговой обработки сигналов, сгруппированы в зоне аналоговой обработки сигналов, занимающей группу верхних проводящих и изолирующих слоев многослойной печатной платы. Печатные проводники и электрорадиоэлементы, относящиеся к узлам цифровой обработки сигналов, сгруппированы в зоне цифровой обработки сигналов, занимающей группу нижних проводящих и изолирующих слоев многослойной печатной платы. Между этими зонами находится промежуточная зона с экранирующими земляными плоскостями, занимающая группу средних проводящих и изолирующих слоев многослойной печатной платы. В примере, рассмотренном в [10], зона аналоговой обработки сигналов занимает пять верхних проводящих слоев и четыре располагающихся между ними изолирующих слоя, зона цифровой обработки сигналов занимает пять нижних проводящих слоев и четыре располагающихся между ними изолирующих слоя, а промежуточная зона занимает два средних проводящих слоя и три прилегающих к ним изолирующих слоя. В общем случае количество слоев, занимаемых указанными зонами, может быть иным в зависимости от конкретной электрической схемы.
Все дискретные электрорадиоэлементы зоны аналоговой обработки сигналов располагаются в наружном первом проводящем слое многослойной печатной платы. Все дискретные электрорадиоэлементы зоны цифровой обработки сигналов располагаются в наружном последнем проводящем слое многослойной печатной платы.
Для осуществления внешних подключений служат высокочастотный и низкочастотный соединители, расположенные соответственно в наружных первом и последнем проводящих слоях многослойной печатной платы. При этом высокочастотный соединитель служит для подвода к многослойной печатной плате сигналов от внешней приемной антенны, а низкочастотный соединитель служит для подвода к многослойной печатной плате внешнего питания и управляющих сигналов и отвода от нее обработанных сигналов.
Межслойные электрические соединения в пределах зон аналоговой и цифровой обработки сигналов осуществляются с помощью соответствующих глухих металлизированных отверстий. Электрические соединения между зонами аналоговой и цифровой обработки сигналов, а также между ними и разделительной зоной осуществляются с помощью соответствующих сквозных металлизированных отверстий.
Функции внутризонной экранировки осуществляют земляные плоскости зон аналоговой и цифровой обработки сигналов, служащие проводниками питания потенциала «Земля» для электрорадиоэлементов своих зон. Функцию межзонной разделительной экранировки осуществляют экранирующие земляные плоскости промежуточной зоны. Все земляные элементы всех трех зон электрически связаны между собой и подсоединены к контактному элементу «Земля» низкочастотного соединителя, к которому подключается соответствующий вывод внешнего источника питания.
Модуль-прототип устанавливается на несущей плате на четырех стойках и соединяется с ней с помощью низкочастотного соединителя. Соединение модуля-прототипа с внешней приемной антенной осуществляется с помощью кабеля, подключаемого к высокочастотному соединителю.
Одностороннее размещение электрорадиоэлементов в пределах зон аналоговой и цифровой обработки сигналов при одновременном размещении этих зон друг под другом по разным сторонам многослойной печатной платы и разделение их экранирующими земляными плоскостями промежуточной зоны позволяет уменьшить габариты модуля-прототипа в условиях применения элементной базы повышенного уровня интеграции и обеспечить электромагнитную совместимость зон аналоговой и цифровой обработки сигналов. При этом площадь модуля-прототипа определяется наибольшей из площадей, требуемой для размещения электрических соединителей и дискретных электрорадиоэлементов зон аналоговой и цифровой обработки сигналов. Так, в примере, представленном в [10], размеры модуля (в плане) составляют (50×50) мм, что определяется площадью, необходимой для размещения цифровых узлов и низкочастотного соединителя. При этом аналоговые узлы требуют для своего размещения меньшей площади, в частности при использовании для частотного преобразования специализированной большой интегральной схемы (СБИС) типа описанной в патенте РФ [11] - RU 2256936 C1, G01S 5/14, H04B 1/26, 20.07.2005.
Обеспечиваемое в модуле-прототипе уменьшение площади в ряде случаев оказывается недостаточным для решения задач конструирования малогабаритной навигационной аппаратуры, в частности индивидуальных ГЛОНАСС/GPS навигаторов, что требует новых конструкторских решений по созданию более компактного модуля приемника сигналов СРНС, в том числе со встроенной приемной антенной.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является создание конструкции компактного модуля приемника сигналов СРНС со встроенной приемной антенной, требующего для своего размещения уменьшенной площади.
Сущность изобретения заключается в следующем. Модуль приемника сигналов СРНС содержит многослойную печатную плату с проводящими и изолирующими слоями и металлизированными отверстиями, посредством которых осуществляются межслойные электрические соединения, несущую печатные проводники и электрорадиоэлементы электрической схемы, предназначенной для приема и обработки сигналов СРНС. При этом печатные проводники и электрорадиоэлементы, относящиеся к узлам аналоговой обработки сигналов, сгруппированы в зоне аналоговой обработки сигналов, занимающей группу верхних проводящих и изолирующих слоев многослойной печатной платы, печатные проводники и электрорадиоэлементы, относящиеся к узлам цифровой обработки сигналов, сгруппированы в зоне цифровой обработки сигналов, занимающей группу нижних проводящих и изолирующих слоев многослойной печатной платы, а между зонами аналоговой и цифровой обработки сигналов располагается промежуточная зона с экранирующими земляными плоскостями, занимающая группу средних проводящих и изолирующих слоев многослойной печатной платы. В отличие от прототипа многослойная печатная плата состоит из трех соединенных между собой многослойных фрагментов - верхнего, среднего и нижнего, взаимодействующих друг с другом примыкающими контактными площадками, расположенными по краям соответствующих проводящих слоев соседствующих фрагментов, причем верхний фрагмент включает в себя группу верхних проводящих и изолирующих слоев многослойной печатной платы, относящихся к зоне аналоговой обработки сигналов, нижний фрагмент включает в себя группу нижних проводящих и изолирующих слоев многослойной печатной платы, относящихся к зоне цифровой обработки сигналов, а средний фрагмент включает в себя группу средних проводящих и изолирующих слоев многослойной печатной платы, относящихся к промежуточной зоне. Средний фрагмент имеет Н-образный профиль поперечного сечения, образующий внутренние полости многослойной печатной платы, в которых располагаются внутренние электрорадиоэлементы зон аналоговой и цифровой обработки сигналов, установленные соответственно в нижнем внутреннем проводящем слое зоны аналоговой обработки сигналов и верхнем внутреннем проводящем слое зоны цифровой обработки сигналов. При этом в нижнем наружном проводящем слое зоны цифровой обработки сигналов располагаются наружные электрорадиоэлементы этой зоны и расположенные по краям контактные площадки, служащие для внешних подключений, а в верхнем наружном проводящем слое зоны аналоговой обработки сигналов располагается земляная плоскость, с которой соединена подстилающая поверхность приемной антенны, отделенная диэлектриком от резонирующего элемента приемной антенны, соединенного вертикальным штырем-зондом с входной полосковой линией зоны аналоговой обработки сигналов.
В вариантах выполнения, имеющих практическое значение, входная полосковая линия зоны аналоговой обработки сигналов выполнена в виде печатного проводника, окруженного с боков в своем проводящем слое, а также сверху и снизу в соседних проводящих слоях зоны аналоговой обработки сигналов экранирующими его земляными печатными элементами, а вертикальный штырь-зонд запаян в металлизированном отверстии, соединенном с печатным проводником входной полосковой линии зоны аналоговой обработки сигналов, причем указанное металлизированное отверстие окружено экранирующими металлизированными отверстиями, соединенными с земляными печатными элементами во всех проводящих слоях зоны аналоговой обработки сигналов.
Сущность изобретения и его реализуемость поясняются схематическими чертежами, представленными на фиг.1-21.
На фиг.1 представлен общий вид модуля приемника сигналов СРНС (а - вид сверху, б - вид сбоку с частичным разрезом, в - вид снизу);
на фиг.2 - вид многослойной печатной платы в разрезе (расположение металлизированных отверстий и печатных элементов условное);
на фиг.3 - пример рисунка печати первого проводящего слоя;
на фиг.4 - пример рисунка печати второго проводящего слоя (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные);
на фиг.5 - фрагмент рисунка печати третьего проводящего слоя (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные);
на фиг.6 - фрагмент рисунка печати четвертого проводящего слоя (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные);
на фиг.7 - фрагмент рисунка печати пятого проводящего слоя (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные);
на фиг.8 - фрагмент рисунка печати шестого проводящего слоя (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные);
на фиг.9 - пример рисунка печати седьмого проводящего слоя (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные);
на фиг.10 - пример рисунка печати восьмого проводящего слоя (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные);
на фиг.11 - пример рисунка печати девятого проводящего слоя (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные);
на фиг.12 - пример рисунка печати десятого проводящего слоя (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные);
на фиг.13 - фрагмент рисунка печати одиннадцатого проводящего слоя (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные);
на фиг.14 - фрагмент рисунка печати двенадцатого проводящего слоя (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные);
на фиг.15 - фрагмент рисунка печати тринадцатого проводящего слоя (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные);
на фиг.16 - фрагмент рисунка печати четырнадцатого проводящего слоя (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные);
на фиг.17 - фрагмент рисунка печати пятнадцатого проводящего слоя (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные);
на фиг.18 - фрагмент рисунка печати шестнадцатого проводящего слоя (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные);
на фиг.19 - фрагмент рисунка печати семнадцатого проводящего слоя (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные);
на фиг.20 - фрагмент рисунка печати восемнадцатого проводящего слоя (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные);
на фиг.21 - схематический чертеж, поясняющий особенности изготовления модуля приемника сигналов СРНС.
Заявляемый модуль приемника сигналов СРНС представляет собой моноблок и содержит (фиг.1, 2) многослойную печатную плату 1 с проводящими 2 и изолирующими 3 слоями, несущую печатные проводники и электрорадиоэлементы электрической схемы, предназначенной для приема и обработки сигналов СРНС, например сигналов СРНС ГЛОНАСС и GPS частотного диапазона F1/L1 (1,55÷1,65 ГГц).
Печатные проводники и электрорадиоэлементы, относящиеся к узлам аналоговой обработки сигналов, сгруппированы в зоне 4 аналоговой обработки сигналов, занимающей в многослойной печатной плате 1 группу верхних проводящих и изолирующих слоев (фиг.2, 1а, б). В частности, в этой зоне находятся узлы, осуществляющие фильтрацию принимаемых из эфира сигналов СРНС, их усиление и преобразование по частоте с понижением частоты, а также узел формирователя напряжения аналогового питания, осуществляющего формирование напряжения аналогового питания из входного напряжения внешнего питания (на фигурах не обозначены).
Печатные проводники и электрорадиоэлементы, относящиеся к узлам цифровой обработки сигналов, сгруппированы в зоне 5 цифровой обработки сигналов, занимающей в многослойной печатной плате 1 группу нижних проводящих и изолирующих слоев (фиг.2, 1б, в). В частности, в этой зоне находятся узлы, осуществляющие аналого-цифровое преобразование сигналов, многоканальную корреляционную обработку и обработку в цифровом процессоре, а также узлы формирователей напряжений цифрового питания, осуществляющих формирование сетки напряжений цифрового питания из входного напряжения внешнего питания, отфильтрованного входным фильтром питания (на фигурах не обозначены).
Между зоной 4 аналоговой обработки сигналов и зоной 5 цифровой обработки сигналов в многослойной печатной плате 1 находится промежуточная зона 6, занимающая группу средних проводящих и изолирующих слоев. В этой зоне располагаются экранирующие земляные плоскости 7 и 8, обеспечивающие внутриплатную разделительную экранировку между зонами аналоговой 4 и цифровой 5 обработки сигналов (фиг.2, 1б).
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
7
8
9
10
6
7
8
11
12
13
14
15
16
17
18
9
10
11
12
13
14
15
6
7
10
11
В рассматриваемом примере зона 4 аналоговой обработки сигналов занимает первые шесть проводящих слоев 2 (2 2, 2, 2, 2, 2) и пять изолирующих слоев 3 (3, 3, 3, 3, 3) (фиг.2-8), промежуточная зона 6 занимает следующие четыре проводящих слоя 2 (2, 2, 2, 2) и три изолирующих слоя 3 (3, 3, 3) (фиг.2, 9-12), а зона 5 цифровой обработки сигналов занимает последние восемь проводящих слоев 2 (2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2) и семь изолирующих слоев 3 (3, 3, 3, 3, 3, 3, 3) (фиг.2, 13-20), при этом нижний проводящий слой 2 зоны 4 аналоговой обработки сигналов примыкает к верхнему проводящему слою 2 промежуточной зоны 6, а нижний проводящий слой 2 промежуточной зоны 6 примыкает к верхнему проводящему слою 2 зоны 5 цифровой обработки сигналов (фиг.2).
Межслойные электрические соединения в зоне 4 аналоговой обработки сигналов осуществляются с помощью металлизированных отверстий 9, межслойные электрические соединения в зоне 5 цифровой обработки сигналов осуществляются с помощью металлизированных отверстий 10, а межслойные электрические соединения в промежуточной зоне 6 осуществляются с помощью металлизированных отверстий 11 (фиг.2). При этом металлизированные отверстия 9 и 10 располагаются по всей площади своих зон, а металлизированные отверстия 11 располагаются по периметру промежуточной зоны 6.
1
2
3
1
1
6
1
5
7
10
6
8
2
11
18
9
15
1
3
2
Многослойная печатная плата 1 состоит из трех соединенных между собой многослойных фрагментов - верхнего 1, среднего 1 и нижнего 1 фрагментов (фиг.1, 2), где верхний фрагмент 1 включает в себя группу верхних проводящих 2÷2 и изолирующих 3÷3 слоев многослойной печатной платы 1, относящихся к зоне 4 аналоговой обработки сигналов (фиг.2, 3-8), средний фрагмент 12 включает в себя группу средних проводящих 2÷2 и изолирующих 3÷3 слоев многослойной печатной платы 1, относящихся к промежуточной зоне 6 (фиг.2, 9-12), а нижний фрагмент 1 включает в себя группу нижних проводящих 2÷2 и изолирующих 3÷3 слоев многослойной печатной платы 1, относящихся к зоне 5 цифровой обработки сигналов (фиг.2, 13-20). Верхний 1 и нижний 1 фрагменты - плоские, с прямоугольным профилем поперечного сечения, средний фрагмент 1 имеет сверху и снизу углубления прямоугольной формы, за счет которых образуется Н-образный профиль его поперечного сечения.
1
2
6
7
1
2
Верхний фрагмент 1 и средний фрагмент 1 взаимодействуют друг с другом своими примыкающими контактными площадками 12 и 13, расположенными по всему периметру по краям прилегающих друг к другу проводящих слоев 2 и 2 (фиг.2, 8, 9). Примыкающие друг к другу контактные площадки 12 и 13 спаяны между собой, обеспечивая механическое и электрическое соединение верхнего фрагмента 1 со средним фрагментом 1 и соответственно соединение зоны 4 аналоговой обработки сигналов с промежуточной зоной 6.
2
3
10
11
2
3
Средний фрагмент 1 и нижний фрагмент 1 взаимодействуют друг с другом своими примыкающими контактными площадками 14 и 15, расположенными по всему периметру по краям прилегающих друг к другу проводящих слоев 2 и 2 (фиг.2, 12, 13). Примыкающие друг к другу контактные площадки 14 и 15 спаяны между собой, обеспечивая механическое и электрическое соединение среднего фрагмента 1 с нижним фрагментом 1 и соответственно соединение промежуточной зоны 6 с зоной 5 цифровой обработки сигналов.
1
3
2
Электрические соединения между верхним 1 и нижним 1 фрагментами (т.е. между зоной 4 аналоговой обработки сигналов и зоной 5 цифровой обработки сигналов) осуществляются через средний фрагмент 1 (через промежуточную зону 6) по транзитным цепям, включающим в себя соответствующие металлизированные отверстия 11 и связанные с ними контактные площадки 13 и 14, взаимодействующие с примыкающими к ним контактными площадками 12 и 15.
2
6
8
6
9
11
8
За счет Н-образного профиля поперечного сечения среднего фрагмента 1 в многослойной печатной плате 1 образуются две расположенные друг под другом внутренние полости 16 и 17 (фиг.1б, 2). Внутренняя полость 16 сверху ограничена нижним внутренним проводящим слоем 2 зоны 4 аналоговой обработки сигналов, снизу - экранирующей земляной плоскостью 7, расположенной в проводящем слое 2 промежуточной зоны 6, а с боков - рамкой, выполненной в изолирующем слое 3 промежуточной зоны 6. Внутренняя полость 17 сверху ограничена экранирующей земляной плоскостью 8, расположенной в проводящем слое 2 промежуточной зоны 6, снизу - верхним внутренним проводящим слоем 2 зоны 5 цифровой обработки сигналов, а с боков - рамкой, выполненной в изолирующем слое 3 промежуточной зоны 6.
11
18
Внутри полости 17 располагаются внутренние электрорадиоэлементы 18 зоны 5 цифровой обработки сигналов, установленные в ее верхнем внутреннем проводящем слое 2 (фиг.1б). Остальные (наружные) электрорадиоэлементы 19 зоны 5 цифровой обработки сигналов располагаются в ее нижнем наружном проводящем слое 2 (фиг.1б, в).
6
Внутри полости 16 располагаются электрорадиоэлементы 20 зоны 4 аналоговой обработки сигналов, установленные в ее нижнем внутреннем проводящем слое 2 (фиг.1б).
1
В верхнем наружном проводящем слое 2 зоны 4 аналоговой обработки сигналов располагается приемная антенна 21, служащая для приема сигналов СРНС из эфира (фиг.1а, б).
Приемная антенна 21 содержит две параллельные проводящие пластины - резонирующий элемент 22 и подстилающую поверхность 23, разделенные диэлектриком 24 (фиг.1а, б). Такая конструкция, называемая «patch antenna», описана, например, в патентах США: [12]-US 6480170 B1, H01Q 21/00, H01Q 1/38, 12.11.2002; [13]-US 7427957 B2, H01Q 1/38, 23.09.2008; [14] - US 5966096, H01R 1/38, 12.10.1999, а также в книге [15] - Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС // Под. ред. В.Н.Харисова, А.И.Перова, В.А.Болдина. / 2-е изд. испр. / М: ИПРЖР, 1999, с.266-268.
1
1
2
2
2
1
6
К резонирующему элементу 22 приемной антенны 21 присоединен (припаян) вертикальный штырь-зонд 25 (фиг.1а, б), запаянный другой своей стороной в металлизированном отверстии 9, расположенном внутри зоны 4 аналоговой обработки сигналов и пересекающем все ее слои (фиг.3-8). Вертикальный штырь-зонд 25 связывает по сигналу приемную антенну 21 с зоной 4 аналоговой обработки сигналов, а именно с ее входной полосковой линией (рассматривается ниже). По окружности вокруг металлизированного отверстия 9 располагаются экранирующие металлизированные отверстия 9 (для примера на фиг.3-8 обозначено одно металлизированное отверстие 9). Металлизированные отверстия 9 соединены во всех проводящих слоях 2÷2 зоны 4 аналоговой обработки сигналов с земляными печатными элементами (соответствующими земляными плоскостями и участками).
1
Подстилающая поверхность 23 приемной антенны 21 соединена с помощью пайки с земляными контактными площадками 26, являющимися частью земляной плоскости 27, расположенной в зоне 4 аналоговой обработки сигналов в ее верхнем наружном проводящем слое 2 (фиг.1а, б; 3). По четырем сторонам земляной плоскости 27 располагаются боковые земляные участки 28, отделенные от нее полосами, лишенными металлизации (фиг.3).
3
3
2
3
3
6
Боковые земляные участки 28 соединены посредством соответствующих металлизированных отверстий 9 (в качестве примера на фиг.3-8 обозначено одно металлизированное отверстие 9) с расположенной во втором проводящем слое 2 земляной плоскостью 29 (фиг.4), образуя внутриплатный экран для приемной антенны 21. Эти же металлизированные отверстия 9 соединяют земляную плоскость 29 с земляными печатными элементами последующих проводящих слоев 2÷2 зоны 4 аналоговой обработки сигналов (фиг.5-8).
3
В третьем проводящем слое 2 (фиг.5) располагаются печатные проводники 30 зоны 4 аналоговой обработки сигналов (в качестве примера на фиг.5 обозначены два проводника 30), а также земляные участки 31, заполняющие свободное от размещения печатных проводников 30 пространство.
4
1
2
3
3
1
4
3
3
4
3
5
В четвертом проводящем слое 2 (фиг.6) располагаются печатные проводники 32 зоны 4 аналоговой обработки сигналов, а также земляные участки 33, заполняющие свободное от размещения печатных проводников 32 пространство. В частности, в данном проводящем слое располагается печатный проводник 32 входного питания, по которому напряжение внешнего питания передается к узлу формирователя напряжения аналогового питания, печатные проводники 32 аналогового питания, по которым передается напряжение аналогового питания, сформированное узлом формирователя напряжения аналогового питания, а также печатный проводник 32 входной полосковой линии зоны 4 аналоговой обработки сигналов. При этом печатный проводник 32 соединен, с одной стороны, с металлизированным отверстием 9, в котором запаян штырь-зонд 25, а с другой стороны - с металлизированным отверстием 9, связывающим печатный проводник 32 с входным элементом зоны 4 аналоговой обработки сигналов, располагающимся вместе с остальными электрорадиоэлементами 20 зоны 4 аналоговой обработки сигналов внутри полости 16. Печатный проводник 32 окружен с боков в своем проводящем слое 2, а также сверху и снизу в соседних проводящих слоях 2 и 2 зоны 4 аналоговой обработки сигналов экранирующими его земляными элементами (фиг.5-7), образуя симметричную полосковую линию, обеспечивающую согласованную передачу сигналов от приемной антенны 21 в зону 4 аналоговой обработки сигналов.
5
3
В пятом проводящем слое 2 (фиг.7) располагаются печатные проводники 34 зоны 4 аналоговой обработки сигналов (в качестве примера на фиг.7 обозначены три проводника 34) и земляная плоскость 35, служащая нижним экраном для рассмотренного выше печатного проводника 32, а кроме этого выполняющая функцию общего проводника питания потенциала «Земля» для электрорадиоэлементов зоны 4 аналоговой обработки сигналов.
6
6
1
2
В шестом проводящем слое 2 (фиг.8) - нижнем внутреннем проводящем слое зоны 4 аналоговой обработки сигналов - находятся печатные проводники 36 зоны 4 аналоговой обработки сигналов (в качестве примера на фиг.8 обозначены три проводника 36), земляные участки 37, а также расположенные по всему периметру по краям проводящего слоя 2 контактные площадки 12, служащие для соединения верхнего фрагмента 1 со средним фрагментом 1 и соответственно для соединения зоны 4 аналоговой обработки сигналов с промежуточной зоной 6 (в качестве примера на фиг.8 обозначена одна контактная площадка 12). В этом же проводящем слое смонтированы электрорадиоэлементы 20 зоны 4 аналоговой обработки сигналов.
7
2
1
1
1
1
1
2
2
2
2
В седьмом проводящем слое 2 (фиг.9) - верхнем проводящем слое промежуточной зоны 6 - располагаются контактные площадки 13, служащие для соединения среднего фрагмента 1 с верхним фрагментом 1 и соответственно для соединения промежуточной зоны 6 с зоной 4 аналоговой обработки сигналов. Среди контактных площадок 13 имеются контактные площадки 13, входящие в состав транзитных цепей, посредством которых осуществляются электрические соединения между зонами аналоговой 4 и цифровой 5 обработки сигналов, эти контактные площадки соединены с соответствующими металлизированными отверстиями 11 (в качестве примера на фиг.9 обозначена одна контактная площадка 13 и одно металлизированное отверстие 11). Среди контактных площадок 13 также имеются контактные площадки 13, соединенные посредством соответствующих металлизированных отверстий 11 с экранирующими земляными плоскостями 7, 8 промежуточной зоны 6 (в качестве примера на фиг.9 обозначена одна контактная площадка 13 и одно металлизированное отверстие 11).
8
9
2
3
3
В восьмом 2 и девятом 2 проводящих слоях (фиг.10, 11) располагаются экранирующие земляные плоскости 7 и 8 промежуточной зоны 6, соединенные друг с другом указанными выше металлизированными отверстиями 11, а также дополнительно - металлизированными отверстиями 11, не имеющими соединений с контактными площадками 13 и 14 (в качестве примера на фиг.9-12 обозначено одно металлизированное отверстие 11).
10
2
3
1
1
2
2
1
2
1
2
В десятом проводящем слое 2 (фиг.12) - нижнем проводящем слое промежуточной зоны 6 - располагаются контактные площадки 14, служащие для соединения среднего фрагмента 1 с нижним фрагментом 1 и соответственно для соединения промежуточной зоны 6 с зоной 5 цифровой обработки сигналов. Среди контактных площадок 14 имеются контактные площадки 14, входящие в состав транзитных цепей, соединенные с соответствующими металлизированными отверстиями 11, а также контактные площадки 14, соединенные посредством соответствующих металлизированных отверстий 11 с экранирующими земляными плоскостями 7 и 8 промежуточной зоны 6 (в качестве примера на фиг.12 обозначена одна контактная площадка 14 и одна контактная площадка 14, соединенные с соответствующими металлизированными отверстиями 11 и 11).
11
11
3
2
В одиннадцатом проводящем слое 2 (фиг.13) - верхнем внутреннем проводящем слое зоны 5 цифровой обработки сигналов - находятся печатные проводники 38 зоны 5 цифровой обработки сигналов (в качестве примера на фиг.13 обозначены три проводника 38), земляные участки 39, а также расположенные по всему периметру по краям проводящего слоя 2 контактные площадки 15, служащие для соединения нижнего фрагмента 1 со средним фрагментом 1 и соответственно для соединения зоны 5 цифровой обработки сигналов с промежуточной зоной 6 (в качестве примера на фиг.13 обозначена одна контактная площадка 15). В этом же проводящем слое смонтированы внутренние электрорадиоэлементы 18 зоны 5 цифровой обработки сигналов.
12
В двенадцатом проводящем слое 2 (фиг.14) располагается земляная плоскость 40, служащая общим проводником питания потенциала «Земля» для электрорадиоэлементов зоны 5 цифровой обработки сигналов.
13
В тринадцатом проводящем слое 2 (фиг.15) располагаются печатные проводники 41 зоны 5 цифровой обработки сигналов (в качестве примера на фиг.15 обозначены три проводника 41) и земляные участки 42.
14
В четырнадцатом проводящем слое 2 (фиг.16) располагаются печатные проводники 43 зоны 5 цифровой обработки сигналов (в качестве примера на фиг.16 обозначены три проводника 43), земляные участки 44 и участок 45 первого цифрового питания.
15
В пятнадцатом проводящем слое 2 (фиг.17) располагается плоскость 46 второго цифрового питания зоны 5 цифровой обработки сигналов.
16
В шестнадцатом проводящем слое 2 (фиг.18) располагаются печатные проводники 47 зоны 5 цифровой обработки сигналов (в качестве примера на фиг.18 обозначены три проводника 47) и плоскость 48 третьего цифрового питания.
17
В семнадцатом проводящем слое 2 (фиг.19) располагаются печатные проводники 49 зоны 5 цифровой обработки сигналов (в качестве примера на фиг.19 обозначены три проводника 49) и земляные участки 50.
18
1
2
В восемнадцатом проводящем слое 2 (фиг.20) - нижнем наружном проводящем слое зоны 5 цифровой обработки сигналов - находятся печатные проводники 51 зоны 5 цифровой обработки сигналов (в качестве примера на фиг.20 обозначены три проводника 51), земляные участки 52, а также расположенные по краям контактные площадки 53, предназначенные для внешних подключений, в том числе контактные площадки 53 («Земля») и 53 («Питание»), предназначенные для подключения внешнего источника питания. В этом же проводящем слое смонтированы наружные электрорадиоэлементы 19 зоны 5 цифровой обработки сигналов.
1
2
Контактная площадка 53 («Земля») электрически соединена со всеми земляными печатными элементами (соответствующими земляными плоскостями и участками) зон цифровой 5 и аналоговой 4 обработки сигналов, а также с экранирующими земляными плоскостями 7 и 8 промежуточной зоны 6. Контактная площадка 53 («Питание») электрически соединена с входом узла формирователя напряжения аналогового питания, а также - через входной фильтр питания - с входами узлов формирователей напряжений первого, второго и третьего цифрового питания, выходы которых соединены соответственно с участком 45 первого цифрового питания и плоскостями 46 и 47 второго и третьего цифрового питания.
1
2
3
1
6
7
10
11
18
1
3
1
2
3
Изготавливается модуль приемника сигналов СРНС следующим образом. Вначале по технологии изготовления многослойных печатных плат изготавливаются по отдельности верхний 1, средний 1 и нижний 1 фрагменты многослойной печатной платы 1 (фиг.21), первый из которых, как указано выше, включает проводящие слои 2÷2, второй - проводящие слои 2÷2, а третий - проводящие слои 2÷2. В верхнем фрагменте 1 устанавливаются приемная антенна 21, вертикальный штырь-зонд 25 и электрорадиоэлементы 20 зоны 4 аналоговой обработки сигналов, а в нижнем фрагменте 1 устанавливаются электрорадиоэлементы 18 и 19 зоны 5 цифровой обработки сигналов. Затем на контактные площадки 12, 13, 14 и 15 наносится слой паяльной пасты (припоя), после чего фрагменты 1, 1 и 1 прижимаются друг к другу и спаиваются (спекаются), образуя многослойную печатную плату 1 с внутренними полостями 16 и 17, в которых располагаются электрорадиоэлементы 20 и 18 зон аналоговой 4 и цифровой 5 обработки сигналов. При этом приемная антенна 21 и электрорадиоэлементы 19 зоны 5 цифровой обработки сигналов располагаются на наружных сторонах многослойной печатной платы 1.
Рассмотренное конструктивное решение модуля приемника сигналов СРНС, характеризующееся размещением части его электрорадиоэлементов 20 и 18 во внутренних полостях 16 и 17 многослойной печатной платы 1, а также отсутствием электрических соединителей, позволяет получить компактный модуль приемника сигналов СРНС со встроенной приемной антенной, требующий для своего размещения уменьшенной площади. Так, в рассмотренном примере, относящемся к опытному образцу модуля приемника сигналов СРНС ГЛОНАСС/GPS частотного диапазона F1/L1, размеры модуля приемника сигналов СРНС (в плане) составляют (30×30) мм при общей высоте примерно 13 мм.
Для размещения модуля приемника сигналов СРНС используется несущая печатная плата (на фигурах не показана), в которой выполнено окно, соответствующее площади, занимаемой электрорадиоэлементами 19 зоны 5 цифровой обработки сигналов, и по периметру которого располагаются контактные площадки, отвечающие контактным площадкам 53. Модуль приемника сигналов СРНС размещается на несущей печатной плате над этим окном, при этом электрорадиоэлементы 19 располагаются в этом окне, а контактные площадки 53 соприкасаются с контактными площадками несущей печатной платы, расположенными по периметру окна. После этого модуль приемника сигналов СРНС припаивается своими контактными площадками 53 к контактным площадкам несущей печатной платы по технологии поверхностного монтажа.
Работа модуля приемника сигналов СРНС происходит следующим образом.
С несущей печатной платы в модуль приемника сигналов СРНС через соответствующие контактные площадки 53 поступают необходимые для работы модуля управляющие сигналы от внешнего управляющего устройства и напряжение внешнего питания от внешнего источника питания.
Из напряжения внешнего питания с помощью соответствующих узлов формирователей напряжений цифрового и аналогового питания формируются необходимые внутримодульные напряжения, распределяемые в зоне 5 цифровой обработки сигналов с помощью плоскостей 46, 48 и участка 45 цифрового питания, а в зоне 4 аналоговой обработки сигналов - с помощью соответствующих печатных проводников аналогового питания. При этом земляная плоскость 40 служит общим проводником питания потенциала «Земля» для электрорадиоэлементов зоны 5 цифровой обработки сигналов, а земляная плоскость 35 - общим проводником питания потенциала «Земля» для электрорадиоэлементов зоны 4 аналоговой обработки сигналов.
С приемной антенны 21 через вертикальный штырь-зонд 25 в зону 4 аналоговой обработки сигналов поступают принимаемые из эфира сигналы СРНС, например сигналы СРНС ГЛОНАСС и GPS частотного диапазона F1/L1 (1,55÷1,65 ГГц). В зоне 4 аналоговой обработки сигналов эти сигналы фильтруются от помех, усиливаются и преобразуются по частоте с понижением несущей частоты до десятков мегагерц, при этом используются формируемые в этой же зоне гетеродинные сигналы.
Далее сигналы передаются в зону 5 цифровой обработки сигналов через промежуточную зону 6 по транзитным цепям, включающим соответствующие металлизированные отверстия 11 и связанные с ними контактные площадки 12, 13 и 14, 15. При этом промежуточная зона 6 за счет своих экранирующих земляных плоскостей 7 и 8 обеспечивает внутриплатную разделительную экранировку между зонами аналоговой 4 и цифровой 5 обработки сигналов, уменьшая до приемлемого уровня паразитные наводки и наведенные помехи, обусловленные взаимным влиянием функциональных узлов зоны 4 аналоговой обработки сигналов и зоны 5 цифровой обработки сигналов друг на друга.
В зоне 5 цифровой обработки сигналов осуществляется аналого-цифровое преобразование сигналов, многоканальная корреляционная обработка и последующая обработка в цифровом процессоре, в результате чего формируются выходные сигналы, несущие навигационную информацию и/или информацию о точном времени. Эти сигналы поступают на соответствующие контактные площадки 53, а с них - на несущую печатную плату для последующего использования потребителем, например для визуального отображения на дисплее индивидуального ГЛОНАСС/GPS навигатора.
Таким образом, рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение осуществимо и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании конструкции компактного модуля приемника сигналов СРНС со встроенной приемной антенной, требующего для своего размещения уменьшенной площади, что делает его перспективным для использования в малогабаритной навигационной аппаратуре, в том числе в индивидуальных ГЛОНАСС/GPS навигаторах.
Источники информации
1. RU 2172080 С1, H05K 1/00, 1/11, 1/14, 3/46, опубл. 10.08.2001.
2. RU 2188522 C1, H05K 1/14, H01P 11/00, опубл. 27.08.2002.
3.RU 2192108 С1, H05K 1/00, 1/11, 1/14, 3/46, 9/00, опубл.27.10.2002.
4. RU 2194375 C1, H05K 1/00, 1/11, 1/14, 3/46, 9/00, опубл. 10.12.2002.
5. RU 2199839 C1, H05K 1/00, 1/11, 1/14, 3/46, 9/00, опубл. 27.02.2003.
6. RU 2173036 С1, H05K 1/00, 1/11, 1/14, 3/46, опубл. 27.08.2001.
7. RU 2287917 C1, H05K 1/11, 3/46, 9/00, опубл. 20.11.2006.
8. RU 2287918 C1, Н05K 1/11, 3/46, 9/00, опубл. 20.11.2006.
9. RU 2287919 C1, H05K 1/11, 3/46, 9/00, опубл. 20.11.2006.
10. RU 2287920 C1, H05K 1/14, опубл. 20.11.2006.
11. RU 2256936 C1, G01S 5/14, H04B 1/26, опубл. 20.07.2005.
12. US 6480170 B1, H01Q 21/00, H01Q 1/38, опубл. 12.11.2002.
13. US 7427957 В2, H01Q 1/38, опубл. 23.09.2008.
14. US 5966096. H01R 1/38, опубл. 12.10.1999.
15. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС // Под. ред. В.Н.Харисова, А.И.Перова, В.А.Болдина. / 2-е изд. испр. / М.: ИПРЖР, 1999, с.266-268.