КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР-ТЕРМОСТАТ

Данная полезная модель относится к области радиоэлектроники и предназначена для работы в составе термостатированных кварцевых генераторов.
Известны кварцевые резонаторы-термостаты (КРТ), содержащие кварцевую пьезопластину (ПП) с нанесенными на нее пленочными электродами, для возбуждения в ПП толщинно-сдвиговых колебаний, а также систему термостатирования, включающую датчик температуры, усилитель и нагревательный элемент, которая вместе с ПП размещается в вакуумированном корпусе КРТ, обеспечивая точное поддержание температуры ПП при изменении окружающей температуры [Пьезоэлектрические резонаторы. Справочник под ред. П.Е.Кандыбы и П.Г.Позднякова, М., 1992 г., стр.332]. Благодаря размещению системы термостатирования внутри вакуумированного объема КРТ вместе с ПП, достигается низкая потребляемая мощность, малое время разогрева, а также уменьшение размеров термостатированного кварцевого генератора.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является КРТ [I.Abramzon, A.Gubarev, О.Rotova, V.Tapkov, "High stability miniature OCXOs based on advanced IHR technology", Proc. of 2007 IEEE International Frequency Control Symposium, p.242-245], содержащий диэлектрическую подложку с расположенными на ней элементами системы термостатирования КРТ, в периферийной части которой смонтированы металлические лепестки, в которых установлена кварцевая пьезопластина с пленочными возбуждающими электродами. Диэлектрическая подложка через разделительные прокладки приклеена в двух диаметрально противоположных местах к верхней части теплоизолирующего опорного кольца, которое, нижней частью в двух местах, расположенных ортогонально местам крепления кольца к диэлектрической подложке, приклеено через прокладки к основанию вакуумированного корпуса типа ТО-8 (НС-37). КРТ имеет выводы для подключения возбуждающих электродов к внешней схеме автогенератора, а также выводы для подключения схемы термостатирования к внешнему источнику электрического напряжения. Данный КРТ имеет миниатюрные размеры, малое время разогрева, а вакуумная теплоизоляция диэлектрической подложки и кварцевой ПП обеспечивает низкую по сравнению с генераторами с традиционной конструкцией термостата мощность подогрева резонатора в стационарном режиме. Недостатком такой конструкции КРТ является невозможность дополнительного снижения потребляемой мощности, так как при заданных размерах основания вакуумированного корпуса (например, внутренний диаметр основания корпуса ТО-8 составляет 12 мм), уменьшение теплопроводности теплоизолирующего кольца возможно только путем уменьшения площади его поперечного сечения, что приводит к снижению механической прочности конструкции КРТ.
На Фиг.1 изображена конфигурация тепловых потоков (Р) от диэлектрической подложки к основанию вакуумированного корпуса в КРТ-прототипе. Стрелками обозначено направление тепловых потоков от диэлектрической подложки к основанию вакуумированного корпуса КРТ. Максимальное тепловое сопротивление между нагретой диэлектрической подложкой и основанием вакуумированного корпуса можно приближенно (без учета площади прокладок между основание вакуумированного корпуса, диэлектрической подложки и теплоизолирующим кольцом) оценить по формуле (1):
T1
где R - тепловое сопротивление между диэлектрической подложкой и основанием вакуумированного корпуса;
D - внутренний диаметр основания вакуумированного корпуса, в пределах которого должна размещаться теплоизолирующая опора (в данном случае кольцо);
1
S - площадь поперечного сечения опорного теплоизолирующего кольца;
1
λ - удельная теплопроводность материала теплоизолирующего кольца.
Как следует из формулы (1), при заданном диаметре основания вакуумированного корпуса D и удельной теплопроводности материала теплоизолирующего опорного кольцаλ, дополнительное увеличение теплового сопротивления опорного теплоизолирующего кольца возможно только при уменьшении площади его поперечного сечения кольца, что приводит к снижению механической прочности конструкции КРТ.
Целью предлагаемой полезной модели является уменьшение потребляемой мощности КРТ в стационарном режиме без снижения его механической прочности. Эта цель достигается тем, что в КРТ, в котором кварцевая ПП с нанесенными на нее пленочными возбуждающими электродами через контактные лепестки смонтирована на диэлектрической подложке с размещенными на ней элементами системы термостатирования, которая, в свою очередь, закреплена на теплоизолирующей опоре, установленной на основании вакуумированного корпуса. Теплоизолирующая опора изготовлена из двух диэлектрических полосок, склеенных центральными частями между собой через разделительную прокладку или непосредственно, при этом периферийные части верхней полоски через разделительные прокладки приклеены к диэлектрической подложке, а периферийные части нижней диэлектрической полоски через разделительные прокладки приклеены к основанию вакуумированного корпуса.
На Фиг.2 изображена конфигурация тепловых потоков (Р) от диэлектрической подложки к основанию вакуумированного корпуса в предлагаемой полезной модели. Стрелками обозначено направление тепловых потоков от диэлектрической подложки к основанию вакуумированного корпуса КРТ. При такой конструкции теплоизолирующей опоры тепловое сопротивление между диэлектрической подложкой и основанием вакуумированного корпуса можно приближенно (без учета площади прокладок между основанием вакуумированного корпуса, диэлектрической подложки и теплоизолирующим кольцом) оценить по формуле (2):
T2
где R - тепловое сопротивление между диэлектрической подложкой и основанием вакуумированного корпуса;
D - внутренний диаметр основания вакуумированного корпуса, в пределах которого должна размещаться теплоизолирующая опора (в данном случае диэлектрические полоски);
2
S - площадь поперечного сечения диэлектрических полосок;
2
λ - удельная теплопроводность материала диэлектрических полосок.
Как следует из выражений (1) и (2) и из фигур 1 и 2, при одинаковой площади поперечного сечения теплоизолирующего кольца и диэлектрических полосок и одинаковой теплопроводности используемых материалов тепловое сопротивление теплоизолирующей опоры в предлагаемой полезной модели в 8/π раз больше, чем в прототипе. В реальных конструкциях КРТ для обеспечения одинаковой механической прочности площадь поперечного сечения диэлектрических полосок должна быть в 1.5-2 раза больше площади поперечного сечения теплоизолирующего кольца. При этом увеличение теплового сопротивления теплоизолирующей опоры в предлагаемой полезной модели по сравнению с прототипом составляет минимум 4/π раз. Следствием увеличения теплового сопротивления теплоизолирующей опоры в предлагаемой полезной модели является заметное уменьшение мощности, потребляемой КРТ в стационарном режиме. Поскольку в современных КРТ, имеющих давление остаточных газов в металлическом вакуумированном корпусе ниже 0.1 Па, более 60% потребляемой в стационарном режиме мощности теряется в окружающую среду через теплоизолирующую опору, предлагаемая полезная модель обеспечивает уменьшение потребляемой мощности КРТ на 15-20% по сравнению с прототипом.
Конструкция предлагаемой полезной модели КРТ показана на Фиг.3. КРТ состоит из вакуумированного корпуса 1, в котором кварцевая пьезопластина (ПП) 2 с нанесенными на нее пленочными возбуждающими электродами 3 через монтажные лепестки 4 установлена на краях диэлектрической подложке 5, на которой также размещены элементы системы термостатирования КРТ 6. Для создания равномерного температурного поля вокруг кварцевой ПП 2 на диэлектрической подложке 5 может устанавливаться металлический экран 7. Диэлектрическая подложка 5 через разделительные прокладки 8 закреплена на концах верхней диэлектрической полоски 9, центральная часть которой приклеена к нижней диэлектрической полоске 10, концы которой через разделительные прокладки 9 приклеены к основанию 12 вакуумированного корпуса 1, имеющего выводы 13 для подключения КРТ к автогенератору и источнику постоянного напряжения.
При подключении выводов 13 к автогенератору и источнику постоянного напряжения в кварцевой ПП 2 возникают механические и электрические колебания, а элементы системы термостатирования 6 нагревают диэлектрическую подложу 5, а вместе с ней и ПП 2 до заданной температуры термостатирования. После установления в КРТ стационарного температурного режима мощность подогрева, выделяемая в диэлектрической подложке 5 равна мощности, теряемой нагретыми элементами КРТ (кварцевой ПП 2, диэлектрической подложкой 5 и металлическим экраном 7) в окружающую среду. При этом основная часть мощности теряется через теплоизолирующую опору, которая в предлагаемой полезной модели КРТ состоит из верхней диэлектрической полоски 9, соединенной на концах через разделительные прокладки 8 с диэлектрической подложкой 5 и нижней диэлектрической полоски 10, соединенной на концах через разделительные прокладки 11 с основанием вакуумированного корпуса 12. Верхняя диэлектрическая полоска 9 и нижняя диэлектрическая полоска 10 соединены центральными частями между собой непосредственно или через разделительную прокладку. Такая конструкция теплоизолирующей опоры позволила при одинаковых с прототипом размерах основания корпуса КРТ, удельной теплопроводности материала теплоизолирующей опоры и ее механической прочности заметно увеличить тепловой сопротивление теплоизолирующей опоры и тем самым понизить мощность, потребляемую КРТ в стационарном режиме.
Предлагаемая полезная модель реализована в серийно выпускаемых КРТ, содержащих вакуумированный металлический корпус типа TO-8 (HC-37), в котором кварцевая ПП с нанесенными на нее пленочными возбуждающими электродами через два монтажных лепестка установлена на краях диэлектрической подложки, изготовленной из радиокерамики, на которой также размещены все элементы системы термостатирования КРТ. Диэлектрическая подложка через две прокладки, изготовленные из ситалла с размерами 3×1×0,4 мм, закреплена на концах верхней диэлектрической полоски, изготовленной из стекла с размерами 0,6×12×3 мм. Центральная часть верхней диэлектрической полоски приклеена к точно такой же нижней диэлектрической полоске, расположенной ортогонально верхней. Нижняя диэлектрическая полоска через две разделительные прокладки, расположенные на ее концах, приклеены к основанию вакуумированного корпуса.
КРТ герметизировались при остаточном давлении менее 0.01 Pa методом холодной сварки. Температура статирования диэлектрической подложки (внутреннего термостата) устанавливалась на 90°C±1°С. Измерение мощности подогрева КРТ производилось в камере тепла и холода при температуре 20°С±1°С после установления в КРТ стационарного режима - через 15 минут после включения.
Результаты измерений мощности подогрева описанной конструкции КРТ (предлагаемой полезной модели) сравнивались с мощностью подогрева КРТ, изготовленных по той же технологии, при той же температуре диэлектрической подложки, в конструкции теплоизолирующей опоры которых вместо стеклянных полосок использовалось стеклянное кольцо с внешним диаметром 12 мм и поперечным сечением 1×1 мм (прототип). В результате проведенных измерений мощность потребления КРТ, имеющего конструкцию предлагаемой полезной модели составила около 75 мВт, в то время как мощность, потребляемая КРТ, имеющего конструкцию прототипа - около 90 мВт. При этом механическая прочность обеих конструкций КРТ приблизительно одинакова и составляет 120 g при длительности ударного воздействия около 10 мс.