Радиоэлектронный блок с внутриплатной экранировкой

 

Использование: в блоках радиоэлектронной аппаратуры. Радиоэлектронный блок содержит многослойную печатную плату, несущую печатные проводники, контактные площадки и электрорадиоэлементы, образующие функциональные зоны. В экранируемой зоне проводник питания потенциала "Земля", расположенный в i-м внутреннем проводящем слое печатной платы, выполнен в виде металлизированной плоскости. Экранируемая зона по крайней мере в наружном проводящем слое печатной платы окружена по периметру печатным экранирующим барьером, который связан посредством металлизированных отверстий межслойных соединений с дополнительной металлизированной плоскостью, расположенной в заданном j-м внутреннем проводящем слое печатной платы, где j > i, считая от наружного проводящего слоя с печатным экранирующим барьером. Металлизированная плоскость, печатный экранирующий барьер и связывающие их отверстия межслойных соединений образуют электропроводный каркас внутриплатного объемного экрана, внутри которого располагаются печатные проводники экранируемой зоны, в том числе проводник питания потенциала "Земля". Технический результат заключается в локальной экранировке. 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано при конструировании блоков радиоэлектронной аппаратуры, в которых осуществляется аналоговая и цифровая обработка сигналов и которые требуют внутриплатной экранировки отдельных функциональных зон или узлов.

В частности, изобретение может быть использовано при конструировании радиоэлектронных блоков, в которых осуществляется формирование управляющих сигналов для осуществления частотно-временной синхронизации опорных генераторов (формирователей шкал времени) по сигналам спутниковых радионавигационных систем (СРНС) [1, с. 11-15, рис. 4], [2], при конструировании радиоэлектронных блоков, осуществляющих прием и обработку сигналов СРНС в целях определения местоположения и точного времени [3, с. 96-99, рис. 38; с. 120-128, рис. 56; с. 135-138, рис. 71], а также при конструировании, иных радиоэлектронных блоков, в которых осуществляется аналоговая и цифровая обработка сигналов и которые требуют экранировки отдельных функциональных зон или узлов в определенном объеме многослойной печатной платы.

Особенностью конструирования радиоэлектронных блоков, в которых осуществляется аналоговая и цифровая обработка сигналов, является необходимость объединения в рамках одной конструкции разнородных функциональных узлов - аналоговых и цифровых - с обеспечением их электромагнитной совместимости, исключения взаимного влияния друг на друга и уменьшения уровня паразитных наводок и наведенных помех. Одним из известных путей решения этой конструкторской задачи является разработка многоплатной конструкции, в которой на отдельных платах группируются электрорадиоэлементы, близкие по выполняемым функциям и обрабатываемым сигналам, как например в известных конструкциях [3, с. 112, рис. 47], [4]. При этом проблемы уменьшения паразитных наводок и наведенных помех в многоплатных конструкциях решаются достаточно простыми техническими средствами, например путем межплатной экранировки. Типичными примерами осуществления межплатной экранировки в многоплатных конструкциях являются, в частности, радиоэлектронные блоки [5], [6, с. 70-71, рис. 3.6], в которых узлы электрической схемы, выполненные на соответствующих платах (подложках), размещены в отдельных ячейках (отсеках) металлического корпуса (например в [5] - в отфрезерованных углублениях-ячейках монолитного основания, выполненного из титанового сплава). Размещение экранируемых плат в индивидуальных ячейках, отделенных друг от друга слоем металла, позволяет в таких конструкциях успешно решать задачи электромагнитной совместимости и исключения взаимного влияния разнородных узлов электрической схемы друг на друга. Очевидно, однако, что такой путь межплатной экранировки приводит к увеличению массогабаритных характеристик конструкции.

Известен радиоэлектронный блок [7, с.24, рис.3.2], содержащий коммутационную плату, на которой размещены микроплаты отдельных узлов электрической схемы и дискретные электрорадиоэлементы. Микроплаты и электрорадиоэлементы сгруппированы по функциональным зонам - каскадам. Функциональные зоны (каскады) разделены внешними металлическими перегородками, установленными вертикально на лицевой поверхности коммутационной платы. Группировка по функциональным зонам (каскадам) и разделение каскадов внешними металлическими перегородками - конструкторский прием, позволяющий в данном радиоэлектронном блоке решить задачу межкаскадной экранировки, обеспечивающей электромагнитную совместимость и исключение взаимного влияния каскадов друг на друга. Максимальный эффект такая экранировка дает при применении однослойных печатных плат, использовании навесных электрорадиоэлементов и расположении экранируемых каскадов последовательно по ходу прохождения сигналов.

В условиях плотной компоновки разнородных функциональных узлов, размещаемых на многослойной печатной плате, целесообразно применять внутриплатную экранировку, реализуемую с помощью конструктивных элементов самой многослойной печатной платы.

Например, известен радиоэлектронный блок [8], в котором реализована внутри платная экранировка с помощью заземленных металлизированных плоскостей, выполненных во внутренних проводящих слоях многослойной печатной платы, несущей на себе печатные проводники, контактные площадки и электрорадиоэлементы электрической схемы, осуществляющей аналоговую и цифровую обработку сигналов, например сигналов СРНС. Этот радиоэлектронный блок принят в качестве прототипа.

Радиоэлектронный блок с внутриплатной экранировкой, принятый в качестве прототипа, содержит многослойную печатную плату с N ≥ 6 проводящими слоями, несущую печатные проводники, контактные площадки и электрорадиоэлементы, образующие функциональные зоны. Внутриплатная экранировка в блоке-прототипе, осуществляемая в отношении отдельной функциональной зоны, реализуется с помощью заземленной металлизированной плоскости, являющейся в данной функциональной зоне проводником питания потенциала "Земля" и располагающейся в i-м внутреннем проводящем слое многослойной печатной платы, например во втором проводящем слое шестислойной печатной платы. Эта металлизированная плоскость электрически связана с точкой подвода потенциала "Земля" на многослойной печатной плате.

Использование плоскостной внутриплатной экранировки позволяет в блоке-прототипе уменьшить влияние паразитных наводок и наведенных помех, создаваемых элементами, принадлежащими разным функциональным зонам и передаваемых, в основном, по цепям питания.

Особенностью внутриплатной плоскостной экранировки, применяемой в прототипе, является то, что зона экранировки распределяется по обе стороны от заземлен ной металлизированной плоскости на всей толщине многослойной печатной платы. Это накладывает ограничения на топологию многослойной печатной платы, в частности, предъявляется требование о недопустимости пересечения по горизонтали в разных проводящих слоях границ разных функциональных зон.

Внутриплатная плоскостная экранировка, примененная в блоке-прототипе, дает наибольший эффект в условиях, когда функциональные зоны представляют собой группировки достаточно близких (однородных) электрорадиоэлементов и когда эти зоны расположены на печатной плате последовательно в соответствии с последовательностью обработки сигналов.

Однако такая экранировка может оказаться недостаточно эффективной в условиях повышенной плотности компоновки, когда не удается реализовать указанный принцип формирования и расположения функциональных зон, а также в случаях, когда требуется обеспечить локальную экранировку отдельного функционального узла (зоны, участка), наиболее подверженного влиянию помех или создающего помехи, в заданной части объема многослойной печатной платы.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является обеспечение возможности локальной экранировки отдельного функционального узла (зоны, участка) путем реализации внутриплатной объемной экранировки на заданную глубину многослойной печатной платы, используя при этом конструктивные средства многослойной печатной платы.

Сущность изобретения заключается в том, что в радиоэлектронном блоке с внутриплатной экранировкой, содержащем многослойную печатную плату, несущую печатные проводники, контактные площадки и электрорадиоэлементы, образующие функциональные зоны, по крайней мере одна из которых является экранируемой и в которой проводник питания потенциала "Земля", расположенный в i-м внутреннем проводящем слое многослойной печатной платы, выполнен в виде металлизированной плоскости, электрически связанной с точкой подвода потенциала "Земля" на многослойной печатной плате, экранируемая функциональная зона по крайней мере в наружном проводящем слое многослойной печатной платы окружена по периметру печатным экранирующим барьером, связанным посредством металлизированных отверстий межслойных соединений с дополнительной металлизированной плоскостью, расположенной в заданном j-м внутреннем проводящем слое многослойной печатной платы, где j > i, считая от наружного проводящего слоя с печатным экранирующим барьером, причем указанный печатный экранирующий барьер, дополнительная металлизированная плоскость и связывающие их металлизированные отверстия межслойных соединений образуют электропроводный каркас внутриплатного объемного экрана, внутри которого располагаются печатные проводники, относящиеся к экранируемой функциональной зоне, включая проводник питания потенциала "Земля" этой зоны, при этом электропроводный каркас внутриплатного объемного экрана и расположенный внутри него проводник питания потенциала "Земля" соединены с точкой под вода потенциала "Земля" на многослойной печатной плате отдельными проводниками.

В частных случаях реализации, например для радиоэлектронных блоков, относящихся к аппаратуре СРНС (диапазон входных частот 1200 - 1700 МГц), расстояние между металлизированными отверстиями межслойных соединений, соединяющих печатный экранирующий барьер и дополнительную металлизированную плоскость с образованием электропроводного каркаса внутриплатного объемного экрана, не превышает 5 мм.

Сущность изобретения, его реализуемость и возможность промышленного применения поясняются чертежами, представленными на фиг. 1 - 9, иллюстрирующими пример реализации радиоэлектронного блока на шестислойной печатной плате с одной объемно экранируемой зоной, распределенной на глубину в четыре проводящих слоя.

На фиг. 1 представлен фрагмент разреза шестислойной печатной платы радиоэлектронного блока в рассматриваемом примере реализации (расположение печатных проводников и металлизированных отверстий межслойных соединений - условное); на фиг. 2 - пример, иллюстрирующий расположение электрорадиоэлементов в наружном первом проводящем слое печатной платы (вид со стороны элементов первого слоя, печатные проводники условно не показаны); на фиг. 3 - пример, иллюстрирующий расположение электрорадиоэлементов в наружном шестом проводящем слое печатной платы (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные, печатные проводники условно не показаны); на фиг. 4 - пример рисунка печати наружного первого проводящего слоя печатной платы; на фиг. 5 - пример рисунка печати внутреннего второго проводящего слоя печатной платы (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные); на фиг. 6 - пример рисунка печати внутреннего третьего проводящего слоя печатной платы (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные); на фиг. 7 - пример рисунка печати внутреннего четвертого проводящего слоя печатной платы (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные); на фиг. 8 - пример рисунка печати внутреннего пятого проводящего слоя печатной платы (вид со стороны первого слоя, слои условно прозрачные); на фиг. 9 - сечение печатной платы по металлизированным отверстиям межслойных соединений, связывающих печатные экранирующие барьеры с дополнительной металлизированной плоскостью экранируемой зоны.

Заявляемый радиоэлектронный блок с внутриплатной экранировкой содержит, см. фиг. 1 - 9, многослойную печатную плату 1, в рассматриваемом примере реализации - с шестью проводящими слоями. Наружный первый проводящий слой 2 многослойной печатной платы 1 образует ее лицевую сторону, а наружный шестой проводящий слой 3 - тыльную сторону. Внутренние проводящие слои многослойной печатной платы 1 - 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 наружных проводящих слоях 2 и 3 многослойной печатной платы 1 размещаются контактные площадки 9, печатные проводники 10 и электрорадиоэлементы 11, а во внутренних проводящих слоях 4, 5, 6 и 7 - только печатные проводники. Межслойные соединения печатных проводников в многослойной печатной плате 1 осуществляются посредством металлизированных отверстий 12 межслойных соединений (на фиг. 1 выполнение металлизированных отверстий 12 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 представленном на фиг. 1 - 9 примере реализации радиоэлектронного блока показаны две функциональные зоны - объемно экранируемая зона 13, распределенная в глубину многослойной печатной платы 1 на четыре проводящих слоя 2, 4, 5 и 6, и зона 14, экранировка в которой осуществляется известным образом по типу внутриплатной плоскостной экранировки, реализованной в блоке-прототипе.

Представленный на фиг. 1 - 9 радиоэлектронный блок иллюстрирует пример возможного конструкторского воплощения устройства, формирующего в соответствии с результатами обработки сигналов СРНС управляющие сигналы для частотно-временной синхронизации управляемого напряжением генератора. Для такого радиоэлектронного блока экранируемой в соответствии с заявляемым изобретением зоной 13 является зона размещения цифроаналоговых преобразователей, осуществляющих формирование управляющих сигналов для прецизионной подстройки генератора на основе сигналов цифрового процессора, расположенного в зоне 14 - зоне размещения цифровых электрорадиоэлементов.

Экранировка в зоне 14 размещения цифровых электрорадиоэлементов осуществляется известными конструкторскими средствами - путем плоскостной экранировки, реализуемой с помощью заземленных металлизированных плоскостей 15, являющихся проводниками питания потенциалов "Земля" для экранируемых участков этой зоны. Металлизированные плоскости 15 в рассматриваемом примере реализации расположены во втором проводящем слое 4 и электрически связаны по печати с точкой 16 подвода потенциала "Земля" на многослойной печатной плате 1 (фиг. 5).

В экранируемой в соответствии с заявляемым изобретением зоне 13 в рассматриваемом примере реализации проводник питания потенциала "Земля" выполнен в виде металлизированной плоскости 17, расположенной в i = 2 внутреннем проводящем слое 4 многослойной печатной платы 1 (фиг. 5). Металлизированная плоскость 17 связана с точкой 16 подвода потенциала "Земля" на многослойной печатной плате 1 отдельным проводником 18, проложенным во втором проводящем слое 4 (фиг. 5).

В рассматриваемом примере реализации заявляемого радиоэлектронного блока экранируемая зона 13, распределенная в глубину многослойной печатной платы 1 на четыре проводящих слоя 2, 4, 5 и 6, окружена по периметру четырьмя печатными экранирующими барьерами 19, 20, 21 и 22, выполненными в указанных проводящих слоях 2, 4, 5 и 6 (фиг. 4, 5, 6, 7). В рассматриваемом примере реализации печатный экранирующий барьер 19 в первом проводящем слое 2 выполнен в виде двух печатных проводников и имеет соответствующие разрывы для выхода из экранируемой зоны двух печатных проводников 23 (фиг. 4). Печатный экранирующий барьер 20 во втором проводящем слое 4 выполнен в виде одного печатного проводника и имеет разрыв для выхода из экранируемой зоны печатного проводника 18, связывающего металлизированную плоскость 17 с точкой 16 подвода потенциала "Земля" на многослойной печатной плате 1 (фиг. 5). Печатный экранирующий барьер 21 в третьем проводящем слое 5 имеет разрыв для выхода из экранируемой зоны печатного проводника 24 (фиг. 6). Печатный экранирующий барьер 22 в четвертом проводящем слое 6 выполнен в виде замкнутого печатного проводника без разрыва (фиг. 7).

Все печатные экранирующие барьеры 19, 20, 21 и 22 связаны между собой и с дополнительной металлизированной плоскостью 25, расположенной в рассматриваемом примере реализации в заданном j = 5 внутреннем проводящем слое 7 многослойной печатной платы 1, посредством металлизированных отверстий межслойных соединений, расположенных по периметру экранируемой зоны 13 в ряд 26 (фиг. 8, 9).

Печатный экранирующий барьер 19, окружающий экранируемую зону 13 по наружному проводящему слою 2 многослойной печатной платы 1, дополнительная металлизированная плоскость 25, расположенная в пятом проводящем слое 7 многослойной печатной платы 1, и связывающие их отверстия межслойных соединений, расположенные по периметру экранируемой зоны 13 в ряд 26, образуют электропроводный каркас внутриплатного объемного экрана, внутри которого располагаются печатные проводники всех четырех слоев 2, 4, 5 и 6 экранируемой зоны 13, включая проводник питания потенциала "Земля" - металлизированную плоскость 17. При этом печатные экранирующие барьеры 20, 21 и 22, окружающие в рассматриваемом примере реализации экранируемую зону 13 по второму 4, третьему 5 и четвертому 6 внутренним проводящим слоям многослойной печатной платы 1, дают дополнительный эффект усиления объемного экранирования. В общем случае наличие печатных экранирующих барьеров во внутренних проводящих слоях многослойной печатной платы не является обязательным.

Электропроводный каркас внутриплатного объемного экрана соединен с точкой 16 подвода потенциала "Земля" на многослойной печатной плате 1 отдельным проводником - в рассматриваемом примере реализации проводником 27, выполненным в третьем проводящем слое 5 многослойной печатной платы 1 (фиг. 6).

В рассматриваемом примере реализации радиоэлектронного блока расстояние между металлизированными отверстиями межслойных соединений, соединяющих печатные проводники печатных экранирующих барьеров 19, 20, 21, 22 и дополнительную металлизированную плоскость 25 с образованием электропроводного каркаса внутриплатного объемного экрана, не превышает 5 мм (фиг. 9). Ширина печатных проводников, образующих печатные экранирующие барьеры 19, 20, 21, 22, при этом не менее 2 мм (фиг. 4, 5, 6, 7). Указанные параметры выбраны исходя из частотного диапазона 1200 - 1700 МГц сигналов СРНС.

В рассматриваемом примере реализации радиоэлектронного блока из экранируемой зоны 13 помимо печатных проводников 18, 23, 24 выходят также и металлизированные отверстия межслойных соединений. Для этого в дополнительной металлизированной плоскости 25, образующей дно электропроводного каркаса объемного экрана, выполняются свободные от металлизации участки 28 для металлизированных отверстий межслойных соединений, выходящих из экранируемой зоны (фиг. 8). Аналогичные участки 29, свободные от металлизации и предназначенные для прохождения металлизированных отверстий межслойных соединений выполняются в металлизированной плоскости 17 - проводнике питания потенциала "Земля" экранируемой зоны (фиг. 5).

При необходимости, рассмотренная внутриплатная экранировка зоны 13 может быть дополнена установкой на лицевой стороне многослойной печатной платы 1 внешнего металлического экрана коробчатой формы, закрывающего экранируемую зону 13 сверху. Практически, установка внешнего экрана может быть осуществлена путем запаивания его ножек (лапок) в некоторые из металлизированных отверстий межслойных соединений ряда 26, имеющих для этого соответствующий диаметр, или иным способом, позволяющим обеспечить электрический контакт внешнего экрана с печатным экранирующим барьером 19 наружного проводящего слоя 2.

Таким образом, в заявляемом радиоэлектронном блоке средствами многослойной печатной платы 1 реализуется внутриплатная объемная экранировка на заданную глубину многослойной печатной платы 1, обеспечивающая эффективную защиту элементов экранируемой зоны от паразитных наводок и наведенных помех, распространяющихся по любому из направлений в объеме многослойной печатной платы 1.

Как показали эксперименты, предложенная внутриплатная объемная экранировка обеспечивает эффект, сравнимый с эффектом, достигаемым при размещении экранируемого узла в отфрезерованной ячейке металлического основания.

Таким образом, в заявляемом радиоэлектронном блоке реализуется возможность локальной объемной экранировки отдельных функциональных узлов (зон), наиболее чувствительных к помехам или создающих помехи, на заданную глубину в объеме многослойной печатной платы, что позволяет осуществить плотную компоновку электрорадиоэлементов на многослойной печатной плате, а также снять указанные выше требования, предъявляемые к топологии многослойной печатной платы при применении плоскостной экранировки функциональных зон.

Из рассмотренного видно, что заявляемый радиоэлектронный блок осуществим, промышленно реализуем и решает поставленную техническую задачу по обеспечению возможности локального экранирования отдельного функционального узла (зоны, участка) путем реализации внутриплатной объемной экранировки с помощью конструктивных средств многослойной печатной платы. Это открывает перспективы по конструированию малогабаритных радиоэлектронных блоков, в которых, например, осуществляется аналоговая и цифровая обработка сигналов и в которых требуется эффективная экранировка отдельных функциональных зон или узлов в объеме многослойной печатной платы.

Источники информации 1. Новиков И.А., Рабкин B.C., Филатченков С.В., Шебанов А.А., Шебшаевич B. C. Использование спутниковой радионавигационной системы NAVSTAR для синхронизации шкал времени. Зарубежная радиоэлектроника, N 11, 1985, с. 3-15.

2. Патент РФ (RU) N 2146378 (C1), кл. G 01 S 5/14, опубл. 10.03.2000.

3. Бортовые устройства спутниковой радионавигации / И.В. Кудрявцев, И.Н. Мищенко, А.И. Волынкин и др. Под ред. В.С. Шебшаевича. М.: Транспорт, 1988.

4. Свидетельство РФ на полезную модель N 2157 (UI), кл. G 06 T 11/20, опубл. 16.05.96.

5. Свидетельство РФ на полезную модель N 11644 (UI), кл. Н 05 К 1/00, опубл. 16.10.99.

6. И. Н. Филатов, О.А. Бакрунов, П.В. Панасенко. Микроэлектронные СВЧ-устройства. М.: Высшая школа, 1987.

7. А. А. Яшин. Конструирование микроблоков с общей герметизацией. М.: Радио и связь, 1985.

8. Патент РФ N 2125775 (C1), кл. H 05 К 1/00, 3/46, опубл. 27.01.99.

Формула изобретения

1. Радиоэлектронный блок с внутриплатной экранировкой, содержащий многослойную печатную плату, несущую печатные проводники, контактные площадки и электрорадиоэлементы, образующие функциональные зоны, по крайней мере одна из которых является экранируемой и в которой проводник питания потенциала "Земля", расположенный в i-м внутреннем проводящем слое многослойной печатной платы, выполнен в виде металлизированной плоскости, электрически связанной с точкой подвода потенциала "Земля" на многослойной печатной плате, отличающийся тем, что экранируемая функциональная зона по крайней мере в наружном проводящем слое многослойной печатной платы окружена по периметру печатным экранирующим барьером, связанным посредством металлизированных отверстий межслойных соединений с дополнительной металлизированной плоскостью, расположенной в заданном j-м внутреннем проводящем слое многослойной печатной платы, где j>i, считая от наружного проводящего слоя с печатным экранирующим барьером, причем указанный печатный экранирующий барьер, дополнительная металлизированная плоскость и связывающие их металлизированные отверстия межслойных соединений образуют электропроводный каркас внутриплатного объемного экрана, внутри которого располагаются печатные проводники, относящиеся к экранируемой функциональной зоне, включая проводник питания потенциала "Земля" этой зоны, при этом электропроводный каркас внутриплатного объемного экрана и расположенный внутри него проводник питания потенциала "Земля" соединены с точкой подвода потенциала "Земля" на многослойной печатной плате отдельными проводниками.

2. Радиоэлектронный блок по п.1, отличающийся тем, что расстояние между металлизированными отверстиями межслойных соединений, соединяющих печатный экранирующий барьер и дополнительную металлизированную плоскость с образованием электропроводного каркаса внутриплатного объемного экрана, не превышает 5 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9