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 толщинно-сдвиговых колебаний, а также систему термостатирования, включающую нагреватель и датчик температуры, 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, Патент №103042 на Полезную модель «Кварцевый резонатор термостат», 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 закреплена в двух местах к теплоизолирующему опорному кольцу, которое, в свою очередь, приклеено к теплоизолирующей диэлектрической полоске, центральная часть которой через прокладку приклеено 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, благодаря вакуумной теплоизоляции нагретых частей своей конструкции (диэлектрической подложки, ПП и металлического экрана) и низкой теплопроводности теплоизолирующего кольца, имеет низкую потребляемую мощность подогрева и малое время установления частоты после включения. Недостатком такой конструкции является относительно невысокая стабильность частоты при изменении окружающей температуры из-за значительных градиентов температуры по диэлектрической подложки вследствие тепловых потоков от нагревательных элементов, расположенных в центральной части подложки, к ее периферийной части, где расположены лепестки с ПП и места крепления диэлектрической подложки к теплоизолирующей опоре.
Целью предлагаемой полезной модели является снижение нестабильности частоты КРТ при изменении окружающей температуры. 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 размещенной на ней системой термостатирования, которая закреплена на теплоизолирующей опоре, установленной на основании вакуумированного корпуса и состоящей из опорного кольца и приклеенной к нему в диаметрально противоположных местах теплоизолирующей полоски, крепление диэлектрической подложки к теплоизолирующей опоре осуществляется через прокладку в центральной части теплоизолирующей полоски, при этом опорное кольцо через две прокладки, расположенные в его диаметрально противоположных частях, приклеено к основанию вакуумированного корпуса. При таком креплении диэлектрической подложки к теплоизолирующей опоре тепловой поток от нагревательных элементов, расположенных в центральной части диэлектрической подложки, в окружающую среду, проходя через теплоизолирующую опору не приводит к температурным градиентам от центра диэлектрической подложки к ее периферии, что обеспечивает более высокую точность поддержания температуры лепестков и более однородное температурное поле вокруг ПП при изменении окружающей температуры, следствием чего является более высокая, по сравнению с прототипом, температурная стабильность частоты КРТ.
Конструкция предлагаемой полезной модели показана на чертеже. Она содержит основание вакуумированного корпуса 1, опорное кольцо 2, выполненное из материала с низкой теплопроводностью, закрепленное на основании 1 через прокладки 3, теплоизолирующую полоску 4, закрепленную на опорном кольце 2, диэлектрическую подложку 5, приклеенную к центру теплоизолирующей полоски 4 через прокладку 6, монтажные лепестки 7, установленные в периферийной части диэлектрической подложке 5, кварцевую ПП 8 с нанесенными на ней пленочными возбуждающими электродами 9, смонтированную в монтажных лепестках 7, систему термостатирования 10 с теплоотражающим экраном 11 или без него, расположенную на диэлектрической подложке 5, крышку 12 герметично соединенную в вакууме с основанием корпуса 1, выводы 13 для подключения возбуждающих электродов 9 к внешней схеме автогенератора и выводы 14 для подключения системы термостатирования 10 к внешнему источнику постоянного электрического напряжения.
При подачи электрического напряжения на выводы 14 система термостатирования 10 нагревает диэлектрическую подложку 5 до заданной температуры и поддерживает ее с высокой точностью при изменении окружающей температуры. Нагретая диэлектрическая подложка 5, главным образом, через монтажные лепестки 7 и, в значительно меньшей степени, через теплопроводность остаточного газа в вакуумированном объеме КРТ и инфракрасное излучение подогревает кварцевую ПП 8 до ее рабочей температуры. При этом нагретые части КРТ теряют энергию в окружающую среду через инфракрасное излучение, теплопроводность остаточного газа в объеме КРТ, но главным образом, через теплопроводность теплоизолирующей опоры, состоящей из опорного кольца 2 и теплоизолирующей полоски 4. Поскольку нагревательные элементы системы термостатирования 10 расположены, в основном, в центральной части диэлектрической пластины 5, где она приклеена к теплоизолирующей полоске 4, тепловой поток от центра диэлектрической пластины 5 к ее периферийной части, где установлены монтажные лепестки 7 с ПП 8, очень мал, что обеспечивает минимальные градиенты температуры по диэлектрической пластине 5, следствием чего являются более высокая точность поддержания температуры монтажных лепестков 7 и установленной в них ПП 8 при изменении окружающей температуры.
Предлагаемая полезная модель реализована в серийно выпускаемых КРТ, содержащих вакуумный металлический корпус типа TO-8 (HC-37), на основании которого через прокладки в двух диаметрально противоположных местах приклеено опорное кольцо с внешним диаметром 12 мм, изготовленное из стекла с сечением 1,0×1,0 мм. На стеклянное кольцо в двух местах, расположенных ортогонально с местами крепления стеклянного кольца на основании ТО-8, приклеена теплоизолирующая полоска, изготовленная из ситалла с размерами 12,0×3,0×0,6 мм. К центральной части теплоизолирующей полоски через прокладку из ситала размерами 3,0×3,0 мм и толщиной 0,4 мм приклеена диэлектрическая пластина, на которой расположена система термостатирования КРТ, а в периферийной части установлены монтажные лепестки, в которых при помощи токопроводящего клея смонтирована кварцевая пьезопластина с нанесенными на нее пленочными возбуждающими электродами. КРТ имеет выводы для подключения возбуждающих электродов к внешнему автогенератору, а также выводы для подключения термостата к внешнему источнику электрического напряжения. Объем КРТ откачан до высокого вакуума и герметизирован методом холодной сварки. Кварцевая пластина имеет угловую ориентацию yxbl/22°/34° (SC-срез), диаметр 10 мм, плоско-выпуклую форму с радиусом кривизны 300 мм и возбуждается на частоте 10 МГц по 3 механической гармонике.
Измерение нестабильности частоты КРТ проводилось после настройки температуры КРТ на первый экстремум его температурно-частотной характеристики (ТЧХ), около 88°С, при изменении окружающей температуры от 25°С до 85°С и от 25°С до -40°С. Результаты измерений нестабильности частоты предлагаемой полезной модели и прототипа приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Тип КРТ
Относительное изменение частоты КРТ при изменении окружающей температуры от +25°С до +85°С
Относительное изменение частоты КРТ при изменении окружающей температуры от +25°С до -40°С
КРТ - прототип
-5Е-9
-6Е-9
КРТ - полезная модель
-3Е-9
-2Е-9
Как видно из приведенных в таблице 1 данных, нестабильность частоты полезной модели от изменения окружающей температуры приблизительно в 2 раза ниже, чем температурная нестабильность частоты КРТ - прототипа.