Яцуненко А. Г., Привалов Е. Н., Джевінскій В. П. Інститут технічної механіки НАН і НКА України вул. Лешко-Попеля, 15, Дніпропетровськ – 49005, Україна Тел.: +38 (0562) 467091, факс: +38 (0562) 471941, e-mail: anatoly@ramed.dp.ua

Анотація – У доповіді представлені результати проведеної практичної роботи з виготовлення ряду виробів для спеціальної апаратури КВЧ-діапазону з застосуванням методу багатошарової гальванопластики з елементами Гальве-нопластіческого монтажу. Показано, що запропонована, принципово нова технологія дозволяє виготовити практично квазімонолітние багатофункціональні пристрої для систем зв’язку та навігації. Демонструються фотографії деяких виробів, виготовлених за цією технологією.

I. Вступ

В якості основного вихідного моменту, що визначає розумно необхідний ступінь інтеграції або кількості функцій, які виконуються конструктивно завершеними СВЧ – модулями, може служити компроміс між прагненням до зменшення масогабаритних характеристик апаратури, зручністю і спрощенням її експлуатації та можливостями технології її виготовлення, контролю і перевірки відповідних електричних параметрів. Відомо, що вдосконалення елементної бази, яке зводиться лише до простого об’єднання різних за функціональним призначенням, але виготовлених окремо СВЧ – вузлів, не дозволяє суттєво покращити електричні та масогабаритні характеристики апаратури, спростити і здешевити технологію її виготовлення і, в кінцевому рахунку, підвищити ефективність її використання / 1 /. У першу чергу, цьому перешкоджає велика кількість стикувальних вузлів. Навіть в міліметровому діапазоні довжин хвиль, через те, що суттєву частку маси приймально-передавальної частини апаратури складають хвилеводи, хвилеводні фланці і корпусу приладів (з вимушеним застосуванням хвилеводних фланців), маса апаратури може доходити до 70-80 кг 121. Дозвіл виниклої дилеми можливо за рахунок створення багатофункціональних модулів, конструкція яких пристосована для серійного виробництва. Однак, орієнтація тільки на гібридно-інтегральну технологію виготовлення друкованих плат з імплантованими активними елементами, не завжди є економічно привабливою через їх неремонто-придатності, а також більш низького, в порівнянні з хвилеводами, допустимого рівня переданої потужності. Альтернативою цій технології може бути принципово нова хвилеводно-інтегральна технологія, що базується на основі багатошарової гальванопластики з елементами гальванопластичного монтажу / 3,4 /. Крім істотного виграшу в масі і габаритах виробів, корінним чином знижуються витрати на регулювання і налаштування, оскільки застосування методу багатошарової гальванопластики забезпечує не тільки високу точність виготовлення, але і повторюваність геометричних параметрів і електричних характеристик НВЧ – вузлів.

Досвід роботи протягом ряду років, над вирішенням даної складної, але актуальної проблеми, показує, що ретельно відпрацьована конструкція матриць багаторазового використання (матриця – це конструктивно оформлений копір, на якому методом електролітичного осадження формується відповідне виріб) в поєднанні з технологічним оснащенням, що забезпечує вращивание як металевих, так і неметалевих деталей, дозволяє виробляти практично квазімонолітние СВЧ – модулі з досить великим спектром функціональних можливостей. Забезпечується також легко здійсненна заміна напівпровідникових приладів (Генераторних, детекторних і змішувальних діодів). При цьому, прагнення до уніфікації конструктиву підсилювальних і генераторних вузлів призводить не тільки і не стільки до однотипності матриць багаторазового використання, але і до легкості перетворення усилительного вузла в генераторний і навпаки. А це створює оперативний простір, що дозволяє реалізувати схемотехнічні рішення при розробці квазімонолітних приймально-передавальних модулів.

II. Вироби для апаратури зв’язку і навігації, виготовлені методами гальванопластики та гальванопластичного монтажу

При розробці матриць багаторазового використання і технологічної оснастки для виготовлення елементів та вузлів апаратури зв’язку (в тому числі і супутникового), але пропонованої технології, необхідно, перш все, визначитися: виробництво яких з них є пріоритетним. Безумовно, такими є генераторний і підсилювальний модулі, а також розв’язують пристрої, – вентилі і циркулятори. Щодо генераторного модуля, слід зазначити, що для забезпечення чистоти спектра коливань, що генеруються, а також стабільності частоти і зниження рівня частотних шумів, в ньому повинна бути передбачена система стабілізації частоти. Найбільш просто рішення цього завдання може бути досягнуто шляхом параметричної стабілізації частоти за допомогою зовнішнього високодобротного резонатора. Основними критеріями, яким повинен задовольняти стабілізуючий резонатор це: висока добротність і некритичність його електричних параметрів до відхилень від номінальних значень при виготовленні (наприклад, відхилень від перпендикулярності поздовжньої осі резонатора щодо торцевих поверхонь). Як відомо / 5 /, таким вимогам задовольняють біконічні резонатори, до того ж, форма оправки для їх виготовлення органічно вписується в конструктив матриці багаторазового використання, призначеної для виготовлення стабілізованого за частотою, практично монолітного, генераторного модуля.

В деяких випадках, при варіюванні навантаження генератора, стабільність його частоти, що забезпечується параметричної стабілізацією, може виявитися недостатньою. У цій ситуації, для виключення впливу зміни навантаження на частоту коливань, що генеруються, зазвичай застосовують ферритові розв’язують пристрої, різновидом яких є хвилеводні циркулятори. Розрізняють симетричні (Y-) і несиметричні (Т-) циркулятори. Історично склалося так, що хоча конструкція Т-циркуляторов і простіше, Y-циркулятора присвячено більшу кількість робіт, що пов’язано, швидше за все, з більш простим розрахунком їх електродинамічних параметрів. Якщо розглядати поодинокі розв’язують елементи (Y-або Т-циркулятори), то виявляється, що шляхом відповідного вибору форми і розмірів феррито-вого вкладиша і діелектричної втулки можна домогтися приблизно однакових електродинамічних параметрів розглянутих елементів, причому, система: феритовий вкладиш – діелектрична втулка для Т-циркуляторов в порівнянні з Y-циркулятора виявляється, як правило, складніше. При однакових феритових вкладишах Т-іркулятори мають більш вузьку смугу частот. Природно, що матриця для виготовлення Т-циркуляторов значно простіше, ніж матриця для Y-циркуляторов, але ця обставина не є єдино привабливим при використанні Т-циркуляторов. Так, для каскадно-з’єднаних декількох циркуляторов, в разі реалізації такого ланцюжка за допомогою Y-циркуляторов виникають окремі ділянки збірної матриці, які виявляються “замурованими”, що робить практично неможливим реалізацію матриці багаторазового використання. Взагалі, створюється враження, що якщо на “стрижневий” хвилевід як би “нанизувати” функціональні вузли, то можна домогтися реалізації багатофункціонального пристрою як єдиного цілого, використовуючи збірну матрицю багаторазового використання, причому, головна умова при цьому, зводиться до того, щоб кожен окремо функціонуючий вузол був Електродинамически пов’язаний зі “стрижневим” хвилеводом через його бічні поверхні.

Для ілюстрації потенційних можливостей пропонованої технології виготовлення елементної бази апаратури зв’язку і навігації, на малюнку 1 представлені деякі СВЧ – елементи і багатофункціональні пристрої на їх основі, виконані методом гальванопластики та гальванопластичного монтажу. При створенні цього демонстраційного набору авторами переслідувалася мета не тільки показати потенційні можливості запропонованої технології, але й проілюструвати, що розроблені елементи і вузли апаратури зв’язку і навігації перевершують існуючі не тільки по масогабаритні, а й по електродинамічних показниками (або, принаймні, вони не гірше відомих аналогів).

Щодо деяких електричних параметрів виготовлених виробів можна сказати наступне.

Так, порівняльна оцінка довготривалої нестабільності стандартного генератора СВЧ Г4-141 і генератора на діоді Ганна, виготовленого методом гальванопластики (рис. 2а), проводилась за допомогою аналізатора спектра С4-60 в режимі запам’ятовування по ширині заштрихованої (сигналами порівнюваних генераторів), області на екрані електронно-променевої трубки і показала, що застосування стабілізуючого біконічної резонатора (Рис. 26) забезпечує стабільність частоти виготовленого генератора на порядок вище, ніж у серійно випускається Г4-141. На малюнку 2в представлений автодінного перетворювач частоти КВЧ-діапазоні на діоді Ганна. Стабілізація частоти автодинного перетворювача здійснюється за допомогою електрично перебудовується біконічної резонатора.

Слід зазначити, що на основі відпрацьованої матриці Т-циркулятора була виготовлена ​​більш складна матриця багаторазового використання, призначена для виготовлення багатофункціонального пристрою, представляє собою генератор на діоді Ганна з Двохкаскадний підсилювачем потужності на ЛПД, причому, як розв’язують елементів використовувалися вже згадані Т-циркулятори. Загальний вид цього пристрою показаний на малюнку 4. Представлене пристрій може бути легко трансформовано (за рахунок конструктивних змін матриці) в передавальний модуль, що містить генератор на діоді Ганна зі стабілізацією частоти за допомогою електрично перебудовується біконічної резонатора, згадані підсилювачі і рупорних антену. Аналогічним чином може бути виготовлений приймальний модуль, що містить рупорних антену, малошумливий підсилювач і автодінного перетворювач частоти на діоді Ганна. Приймальний і передавальний модулі виконані як конструктивно завершені монолітні вироби, які не містять жодного фланцевого з’єднання.

На малюнку 3 крупним планом і в дещо іншому ракурсі, ніж на малюнку 1, показані Y-і Т-циркулятори, виготовлені методом гальванопластичного монтажу.

III. Висновки

Результати проведеної практичної роботи підтверджують, що вироби, виготовлені за пропонованою технологією із застосуванням ретельно відпрацьованих матриць багаторазового використання в поєднанні з технологічною оснащенням, не тільки володіють позитивними якостями традиційних полоськових ліній і металевих порожнистих хвилеводних систем, а й, по своїх технічних, експлуатаційних та інших характеристик, перевершують їх, не маючи при цьому, властивих їм недоліків.

Встановлено, що ця технологія дозволяє підвищити якість, надійність і технологічність виробів, зменшити їх масу в 10-100 разів, а габарити в 2-4 рази.

Застосування багатошарової гальванопластики з розбірними матрицями багаторазового використання в поєднанні з елементами гальванопластичного монтажу дозволить істотно знизити вартість готових виробів при серійному виробництві.

IV. Список літератури

[1] Твердотільні пристрої НВЧ в техніці зв’язку / / Гассе-нов Л. Г., Ліпатов А. А., Марков В. В., Могільченко Н. А. – М.: Радіо і зв’язок, 1988, З . 288.

[2] Алибін В. Г. Шляхи побудови сучасних НВЧ – пристроїв для радіорелейних ліній та супутникових засобів зв’язку. – IV Кримська конференція та виставка “СВЧ – техніка і супутникові телекомунікаційні технології “. Матеріали конференції. Севастополь, Україна, 1995, т. 1, С. 11-15.

[3] Яцуненко А. Г., Привалов Е. Н. Нова волноводноінтегральная технологія для бортової апаратури мм-діапазону. II Міжнародна конференція “Супутниковий зв’язок”, 1996, Москва, Росія, 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. Про власну добротності біконічної резонатора. / / В сб: Електродинаміка і фізика НВЧ. Дніпропетровськ: ДДУ, 1983, С. 45-48.

Рис. 1. Демонстраційний набір елементів і вузлів апаратури зв’язку і навігації КВЧ-діапазону.

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

1. Випромінюючий модуль з рупорні антеною і феррито-вої розв’язкою генератора;

2. Діелектрична лінза;

3. Випромінюючий модуль з рупорні антеною і генератором, стабілізованим за частотою біконічні резонатором;

4. Випромінюючий модуль з рупорні антеною, феритовим Y-циркуляторов і змішувальної камерою;

5. КВЧ – генератор на діоді Ганна з Двохкаскадний підсилювачем потужності на ЛПД;

6. Випромінюючий модуль зі стабілізованою по частоті генератором, феритової розв’язкою і направленим відгалужувачі для контролю потужності генератора;

7. Випромінюючий модуль з феритової розв’язкою і направленим відгалужувачі;

8. Хрестоподібний спрямований відгалужувач;

9. Стабілізуючий біконічні резонатор в розібраному вигляді;

10. Ланцюжок Y-циркуляторов;

11. Y-циркулятор;

12. Т-циркулятор;

13. Генератори для КВЧ – терапії, (з вузькою та широкою смугою перебудови);

14. Параболічний відбивач.

Рис. 2. Вироби, виготовлені методом гальванопластичного монтажу.

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

а генератор на діоді Ганна із стабілізуючим біконічні резонатором;

б біконічні резонатор в розібраному вигляді; в автодінного перетворювач частоти на діоді Ганна з рупорні антеною.

Рис. 3 Хвилеводні циркулятори.

Fig. 3. Waveguide circulators а – Y-циркулятор; б – Т-циркулятор КВЧ-діапазону хвиль.

Рис. 4. КВЧ-генератор з Двохкаскадний підсилювачем потужності.

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

1 – Генератор на діоді Ганна; 2-5 – Т-циркулятори;

6, 7 – Підсилювачі потужності 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.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»