ГАЛЬВАНОПЛАСТИЧЕСКИЙ МОНТАЖ – НОВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ И УЗЛОВ СИСТЕМ СВЯЗИ И НАВИГАЦИИ

April 18, 2012 by admin Комментировать »

Яцуненко А. Г., Привалов Е. Н., Джевинский В. П. Институт технической механики НАН и НКА Украины ул. Лешко-Попеля, 15, Днепропетровск – 49005, Украина Тел.: +38 (0562) 467091, факс: +38 (0562) 471941, e-mail: anatoly@ramed.dp.ua

Аннотация – В докладе представлены результаты проведенной практической работы по изготовлению ряда изделий для специальной аппаратуры КВЧ-диапазона с применением метода многослойной гальванопластики с элементами гальва- нопластического монтажа. Показано, что предлагаемая, принципиально новая технология позволяет изготовить практически квазимонолитные многофункциональные устройства для систем связи и навигации. Демонстрируются фотографии некоторых изделий, изготовленных по этой технологии.

I.  Введение

В качестве основного исходного момента, определяющего разумно необходимую степень интеграции или количества функций, выполняемых конструктивно завершенными СВЧ – модулями, может служить компромисс между стремлением к уменьшению массогабаритных характеристик аппаратуры, удобством и упрощением ее эксплуатации и возможностями технологии ее изготовления, контроля и проверки соответствующих электрических параметров. Известно, что совершенствование элементной базы, сводящееся лишь к простому объединению различных по функциональному назначению, но изготовленных отдельно СВЧ – узлов, не позволяет существенно улучшить электрические и массогабаритные характеристики аппаратуры, упростить и удешевить технологию ее изготовления и, в конечном счете, повысить эффективность ее использования /1/. В первую очередь, этому препятствует большое количество стыковочных узлов. Даже в миллиметровом диапазоне длин волн, из-за того, что существенную долю массы приемо-передающей части аппаратуры составляют волноводы, волноводные фланцы и корпуса приборов (с вынужденным применением волноводных фланцев), масса аппаратуры может доходить до 70-80 кг 121. Разрешение возникшей дилеммы возможно за счет создания многофункциональных модулей, конструкция которых приспособлена для серийного производства. Однако, ориентация только на гибридно-интегральную технологию изготовления печатных плат с имплантированными активными элементами, не всегда является экономически привлекательной из-за их неремонто- пригодности, а также более низкого, по сравнению с волноводами, допустимого уровня передаваемой мощности. Альтернативой этой технологии может быть принципиально новая волноводно-интегральная технология, базирующаяся на основе многослойной гальванопластики с элементами гальванопластического монтажа /3,4/. Помимо существенного выигрыша в массе и габаритах изделий, коренным образом снижаются затраты на регулирование и настройку, так как применение метода многослойной гальванопластики обеспечивает не только высокую точность изготовления, но и повторяемость геометрических параметров и электрических характеристик СВЧ – узлов.

Опыт работы в течение ряда лет, над решением рассматриваемой сложной, но актуальной проблемы, показывает, что тщательно отработанная конструкция матриц многоразового использования (матрица – это конструктивно оформленный копир, на котором методом электролитического осаждения формируется соответствующее изделие) в сочетании с технологической оснасткой, обеспечивающей вращивание как металлических, так и неметаллических деталей, позволяет производить практически квазимонолитные СВЧ – модули с достаточно обширным спектром функциональных возможностей. Обеспечивается также легко выполнимая замена полупроводниковых приборов (генераторных, детекторных и смесительных диодов). При этом, стремление к унификации конструктива усилительных и генераторных узлов приводит не только и не столько к однотипности матриц многоразового использования, но и к легкости преобразования усилительного узла в генераторный и наоборот. А это создает оперативный простор, позволяющий реализовать схемотехнические решения при разработке квазимонолитных приемо-передающих модулей.

II.          Изделия для аппаратуры связи и навигации, изготовленные методами гальванопластики и гальванопластического монтажа

При разработке матриц многоразового использования и технологической оснастки для изготовления элементов и узлов аппаратуры связи (в том числе и спутниковой), но предлагаемой технологии, необходимо, прежде всего, определиться: производство каких из них является приоритетным. Безусловно, таковыми являются генераторный и усилительный модули, а также развязывающие устройства, – вентили и циркуляторы. Относительно генераторного модуля, следует отметить, что для обеспечения чистоты спектра генерируемых колебаний, а также стабильности частоты и снижения уровня частотных шумов, в нем должна быть предусмотрена система стабилизации частоты. Наиболее просто решение этой задачи может быть достигнуто путем параметрической стабилизации частоты с помощью внешнего высокодобротного резонатора. Основными критериями, которым должен удовлетворять стабилизирующий резонатор это: высокая добротность и некритичность его электрических параметров к отклонениям от номинальных значений при изготовлении (к примеру, отклонений от перпендикулярности продольной оси резонатора относительно торцевых поверхностей). Как известно /5/, таким требованиям удовлетворяют биконические резонаторы, к тому же, форма оправки для их изготовления органически вписывается в конструктив матрицы многоразового использования, предназначенной для изготовления стабилизированного по частоте, практически монолитного, генераторного модуля.

В некоторых случаях, при варьировании нагрузки генератора, стабильность его частоты, обеспечиваемая параметрической стабилизацией, может оказаться недостаточной. В этой ситуации, для исключения влияния изменения нагрузки на частоту генерируемых колебаний, обычно применяют ферритовые развязывающие устройства, разновидностью которых являются волноводные циркуляторы. Различают симметричные (Y-) и несимметричные (Т-) циркуляторы. Исторически сложилось так, что хотя конструкция Т-циркуляторов и проще, Y-циркуляторам посвящено большее количество работ, что связано, скорее всего, с более простым расчетом их электродинамических параметров. Если рассматривать единичные развязывающие элементы (Y- или Т-циркуляторы), то оказывается, что путем соответствующего выбора формы и размеров феррито- вого вкладыша и диэлектрической втулки можно добиться примерно одинаковых электродинамических параметров рассматриваемых элементов, причем, система: ферритовый вкладыш – диэлектрическая втулка для Т-циркуляторов по сравнению с Y-циркуляторами оказывается, как правило, сложнее. При одинаковых ферритовых вкладышах Т-иркуляторы имеют более узкую полосу частот. Естественно, что матрица для изготовления Т-циркуляторов значительно проще, чем матрица для Y-циркуляторов, но это обстоятельство не является единственно привлекательным при использовании Т-циркуляторов. Так, для каскадно-соединенных нескольких циркуляторов, в случае реализации такой цепочки посредством Y-циркуляторов возникают отдельные участки сборной матрицы, которые оказываются “замурованными”, что делает практически невозможным реализацию матрицы многоразового использования. Вообще, создается впечатление, что если на “стержневой” волновод как бы “нанизывать” функциональные узлы, то можно добиться реализации многофункционального устройства как единого целого, используя сборную матрицу многоразового использования, причем, главное условие при этом, сводится к тому, чтобы каждый отдельно функционирующий узел был электродинамически связан со “стержневым” волноводом через его боковые поверхности.

Для иллюстрации потенциальных возможностей предлагаемой технологии изготовления элементной базы аппаратуры связи и навигации, на рисунке 1 представлены некоторые СВЧ – элементы и многофункциональные устройства на их основе, выполненные методом гальванопластики и гальванопластического монтажа. При создании этого демонстрационного набора авторами преследовалась цель не только показать потенциальные возможности предложенной технологии, но и проиллюстрировать, что разработанные элементы и узлы аппаратуры связи и навигации превосходят существующие не только по массогабаритным, но и по электродинамическим показателям (или, по крайней мере, они не хуже известных аналогов).

Относительно некоторых электрических параметров изготовленных изделий можно сказать следующее.

Так, сравнительная оценка долговременной нестабильности стандартного генератора СВЧ Г4-141 и генератора на диоде Ганна, изготовленного методом гальванопластики (рис. 2а), проводилась с помощью анализатора спектра С4-60 в режиме запоминания по ширине заштрихованной (сигналами сравниваемых генераторов), области на экране электронно-лучевой трубки и показала, что применение стабилизирующего биконического резонатора (рис. 26) обеспечивает стабильность частоты изготовленного генератора на порядок выше, чем у серийно выпускаемого Г4-141. На рисунке 2в представлен автодинный преобразователь частоты КВЧ-диапазоне на диоде Ганна. Стабилизация частоты автодинного преобразователя осуществляется с помощью электрически перестраиваемого биконического резонатора.

Следует отметить, что на основе отработанной матрицы Т-циркулятора была изготовлена более сложная матрица многоразового использования, предназначенная для изготовления многофункционального устройства, представляющего собой генератор на диоде Ганна с двухкаскадным усилителем мощности на ЛПД, причем, в качестве развязывающих элементов использовались уже упомянутые Т- циркуляторы. Общий вид этого устройства показан на рисунке 4. Представленное устройство может быть легко трансформировано (за счет конструктивных изменений матрицы) в передающий модуль, содержащий генератор на диоде Ганна со стабилизацией частоты с помощью электрически перестраиваемого биконического резонатора, упомянутые усилители и рупорную антенну. Аналогичным образом может быть изготовлен приемный модуль, содержащий рупорную антенну, малошумящий усилитель и автодинный преобразователь частоты на диоде Ганна. Приемный и передающий модули выполнены как конструктивно завершенные монолитные изделия, которые не содержат ни единого фланцевого соединения.

На рисунке 3 крупным планом и в несколько ином ракурсе, чем на рисунке 1, показаны Y- и Т-циркуляторы, изготовленные методом гальванопластического монтажа.

III.  Выводы

Результаты проведенной практической работы подтверждают, что изделия, изготовленные по предлагаемой технологии с применением тщательно отработанных матриц многоразового использования в сочетании с технологической оснасткой, не только обладают положительными качествами традиционных полосковых линий и металлических полых волноводных систем, но и, по своим техническим, эксплуатационным и другим характеристикам, превосходят их, не имея при этом, присущих им недостатков.

Установлено, что эта технология позволяет повысить качество, надежность и технологичность изделий, уменьшить их массу в 10-100 раз, а габариты в 2-4 раза.

Применение многослойной гальванопластики с разборными матрицами многоразового использования в сочетании с элементами гальванопластического монтажа позволит существенно снизить стоимость готовых изделий при серийном производстве.

IV. Список литературы

[1 ] Твердотельные устройства СВЧ в технике связи // Гасса- нов Л. Г., Липатов А. А., Марков В. В., Могильченко Н. А. – М.: Радио и связь, 1988, С. 288.

[2]  Алыбин В. Г. Пути построения современных СВЧ – устройств для радиорелейных линий и спутниковых средств связи. – IV Крымская конференция и выставка “СВЧ – техника и спутниковые телекоммуникационные технологии”. Материалы конференции. Севастополь, Украина, 1995, т. 1, С. 11-15.

[3] Яцуненко А. Г., Привалов Е. Н. Новая волноводноинтегральная технология для бортовой аппаратуры мм- диапазона. II Международная конференция “Спутниковая связь”, 1996, Москва, Россия, т. 2, С. 145-149.

[4]  Yatsunenko A. G.,PrivalovЕ. N., Prokhorov Е. F. Solid-State Millimeter-Wave Devices Based on Waveguide Integration Technology, Proceedings 5th International Symposium on Recent Advances in Microwave Technology, Kiev, Ukraine, 1995, vol. 1, pp. 154-158.

[5]  Привалов E. H. О собственной добротности биконического резонатора. // В сб.: Электродинамика и физика СВЧ. Днепропетровск: ДГУ, 1983, С. 45-48.

Рис. 1. Демонстрационный набор элементов и узлов аппаратуры связи и навигации КВЧ-диапазона.

Fig. 1. Display stand of elements and units of communication and navigational equipment for the range of extremely-high frequencies (EHF)

1.    Излучающий модуль с рупорной антенной и феррито- вой развязкой генератора;

2.    Диэлектрическая линза;

3.    Излучающий модуль с рупорной антенной и генератором, стабилизированным по частоте биконическим резонатором;

4.    Излучающий модуль с рупорной антенной, ферритовым Y-циркулятором и смесительной камерой;

5.    КВЧ – генератор на диоде Ганна с двухкаскадным усилителем мощности на ЛПД;

6.    Излучающий модуль со стабилизированным по частоте генератором, ферритовой развязкой и направленным ответвителем для контроля мощности генератора;

7.    Излучающий модуль с ферритовой развязкой и направленным ответвителем;

8.    Крестообразный направленный ответвитель;

9.    Стабилизирующий биконический резонатор в разобранном виде;

10.  Цепочка Y-циркуляторов;

11.  Y-циркулятор;

12.  Т-циркулятор;

13.  Генераторы для КВЧ – терапии, (с узкой и широкой полосой перестройки);

14.  Параболический отражатель.

Рис. 2. Изделия, изготовленные методом гальванопластического монтажа.

Fig. 2. Articles manufactured by means of galvanoplastic assembling method

а генератор на диоде Ганна со стабилизирующим биконическим резонатором;

б    биконический резонатор в разобранном виде; в автодинный преобразователь частоты на диоде Ганна с рупорной антенной.

Рис. 3 Волноводные циркуляторы.

Fig. 3. Waveguide circulators а – Y-циркулятор; б – Т-циркулятор КВЧ-диапазона волн.

Рис. 4. КВЧ-генератор с двухкаскадным усилителем мощности.

Fig. 4. EHF-generator with a tandem power amplifier

1  – Генератор на диоде Ганна; 2-5 – Т-циркуляторы;

6,  7 – Усилители мощности на ЛПД.

ELECTROFORMING ASSEMBLY – NEW TECHNOLOGY FOR MANUFACTURING COMPONENTS AND UNITS OF COMMUNICATION AND NAVIGATION SYSTEMS

YatsunenkoA. G., Privalov E. N., Dzhevinsky V. P.

Institute of Technical Mechanics,

National Academy of Sciences of Ukraine 15, Leshco-Popel St., Dnepropetrovsk – 49000, Ukraine Tel.: (0562) 467-091, fax: (0562) 471-941 E-mail: anatoly@ramed.dp.ua

Abstract – A set of millimeter-wave components and devices made by multilayer electroforming is presented. It is shown that the proposed technology makes possible quasi-monolithic multifunctional devices for communication facilities.

The basic requirements for the microwave system of space- borne equipment both for research and satellite communication are small mass and size, low cost and high reliability. Our technology based on multilayer electroforming in combination with electroforming assembly which has repeatedly proved its efficiency makes possible large-scale integration multifunctional microwave devices. Its distinctive feature is a special electrode- positing regime that provides a fine-grain structure and high plasticity of the metals, and reusable knock-down matrices provide not only high manufacturing accuracy, but also the identity of the electrical parameters of the devices being manufactured. Besides, electroforming assembly makes possible monolithic multifunctional modules without any butt joints, the waveguide wall thickness being only 200 to 300 цт as opposed to several millimeters in conventional structures thus offering far smaller mass and size of the device as a whole.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты