ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ МНОГОКВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР
HIGH-FREQUENCY MULTI-CRYSTAL OSCILLATOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к области радиотехники, а именно к высокочастотным кварцевым генераторам, и может быть использовано в качестве задающего устройства для формирования опорных сигналов гетеродинов когерентных радиолокационных систем сантиметрового и миллиметрового диапазона волн.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны разнообразные конструкции термостатированных кварцевых генераторов (патенты США №4421621, 5180942, 6759913, 7023291, 7382204 и 7479835, заявки Японии №2003-309432, 2004-048686, 2004-320414, 2005-333315, 2007-110698, 2008-136033, 2009-253969, 2010-177732, 2010-183227, 2010-183324, 2010-154227, 2010-187060, патенты на изобретение РФ №2081506, 2122278, 2310974 и 2323517).
Их общим свойством, отрицательным по отношению к задаче настоящего изобретения, является то, что показанные в описаниях патентов конструкции представляют собой генераторы с одним кварцевым резонатором (КР).
Известны различные схемы построения многокварцевых генераторов (патент на изобретение СССР 1568771, патент на изобретение РФ 2158473; А.М. Семиглазов. Кварцевые генераторы. - М.: Радио и связь, 1982; Г.Б. Альтшуллер, Н.Н. Елфимов. Кварцевые генераторы. - М.: Радио и связь. 1984; А.В. Рыжков, В.Н. Попов. Синтезаторы частот в технике радиосвязи. - М.: Радио и связь. 1991).
Общий недостаток известных многокварцевых генераторов состоит в том, что они не являются высокочастотными.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения состоит в повышении «потолка» рабочей частоты выходных колебаний генератора, содержащего несколько КР (многокварцевого генератора).
Технический результат состоит в том, что, несмотря на увеличение количества КР, разработанный генератор по спектральной плотности мощности фазовых шумов, уровню технических шумов и стабильности частоты выходного колебания не уступает высокочастотным генераторам с одним КР.
Вышеуказанный результат достигается благодаря тому, что высокочастотный многокварцевый генератор содержит: внешний корпус с главным отсеком (ГО) и дополнительными отсеками (ДО), внутренние корпуса микросборок (ВКМ), снабженные отсеками спереди и сзади (ПО и ЗО), основную (ОПП) и вспомогательную печатную плату (ВПП), термостаты (ТС), включающие в себя контроллер (КТ), терморезистор (ТР) и электронагревательный элемент (ЭН), низкочастотные фильтры питания (ФНЧ), высокочастотные кварцевые автогенераторы (ВКГ) с кварцевыми резонаторами (КР), выполненные таким образом, что одномоментно работает лишь один из КР, буферные усилители (БУ) и сумматор мощности (СМ) опорного колебания; ВКГ смонтированы парами на четырех печатных платах, при этом каждый из них подключен к отдельному ФНЧ и БУ; пары ТР и ЭН смонтированы на отдельных печатных платах и вместе образуют тепловыделяющие элементы термостатов (ТЭ); ТЭ установлены в ЗО, а ВКГ - в ПО, при этом, ПО снабжены крышкой для экранирования паразитных наводок и тепловых потоков внутри ГО; БУ и СМ смонтированы на внешней стороне ОПП и соединены между собой печатными проводниками; на внутренней и внешней стороне ВПП имеются контактные площадки (КП), соединенные между собой металлизированными отверстиями (МО); ВКМ соединены с ВПП токопроводящими элементами с малой площадью поперечного сечения и установлены с зазором относительно ВПП; ВКМ установлены вдоль боковых граней воображаемой прямой призмы с ромбом в основании, при этом ПО ориентированы наружу; выходы ВКГ подключены к входам БУ посредством металлических перемычек, КП на внутренней стороне ВПП, МО, и КП на внешней стороне ВПП; ОПП установлена в ГО таким образом, что между ВКМ и стенками ГО имеется зазор; ФНЧ смонтированы на печатной плате и установлены на дне ГО; КТ смонтированы на печатных платах, выполнены с возможностью регулирования электрического тока через ЭН в зависимости от электрического сопротивления ТР и установлены в ДО.
Иными словами, элементы устройства обособлены в отдельные структурно и функционально самостоятельные блоки, каждый из которых изолирован от негативного влияния остальных блоков.
Как будет понятно из вышесказанного, некоторые рабочие элементы устройства объединены между собой и образуют несколько однотипных микросборок, каждая из которых содержит два ВКГ, собранных на одной печатной плате, установленной в компактном ВКМ из металла с высокой теплопроводностью и снабженного крышкой из аналогичного металла. Каждый КР расположен в индивидуальном отсеке ВКМ таким образом, чтобы его выводы располагались напротив соответствующих контактных площадок печатной платы ВКГ. При этом длины выводов КР и длины печатных проводников платы ВКГ до соответствующих элементов ВКГ минимальны. Устройство содержит четыре таких микросборки; они отличаются друг от друга только частотами КР и настройками автогенераторов. Использованный подход к компоновке микросборок и устройства в целом одинаково хорошо подходит для случаев, когда в каждый момент времени работает лишь один ВКГ (что имеет место в когерентных системах).
Этот подход позволяет минимизировать паразитные индуктивности выводов транзисторов, паразитные индуктивности и емкости разводки схемы ВКГ на печатной плате, а также паразитные индуктивности и емкости электрических связей каждого ВКГ с соответствующим КР. Кроме того, предложенная компоновка внутренних корпусов (микросборок) во внешнем корпусе устройства позволяет осуществить более тщательное экранирование автогенераторов, что необходимо для снижения уровня технических шумов выходного сигнала устройства.
В одной из предпочтительных форм выполнения ВКМ изготовлены из меди.
В еще одной предпочтительной форме выполнения токопроводящие элементы с малой площадью поперечного сечения выполнены из латуни, а их концы соединены с ВКМ и ВПП посредством пайки.
В другой предпочтительной форме выполнения КР имеют по существу одинаковое значение температуры точки перегиба температурно-частотных характеристик.
В предпочтительной форме выполнения диэлектрик платы, на которой смонтированы ЭН и ТР, выполнен из материала с высокой теплопроводностью.
Конструкция, принцип работы и преимущества вышеописанного генератора наглядно иллюстрируются чертежами и конкретными примерами, описанными ниже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 показан сборочный чертеж генератора согласно одной из частных форм выполнения для случая восьми автогенераторов, восьми буферных усилителей, сумматора мощности на восемь каналов, умножителя частоты, усилителя мощности и четырех термостатов.
На фиг.2 показан сборочный чертеж основной части устройства, состоящей из платы сумматора мощности, восьми буферных усилителей, сумматора мощности, вспомогательной платы для размещения четырех внутренних корпусов, заключающих в себе четыре микросборки восьми высокочастотных кварцевых автогенераторов с восемью КР, и платы фильтров цепей питания кварцевых автогенераторов и буферных усилителей.
На фиг.3 показана сборочная схема основной части устройства.
На фиг.4 представлена структурная схема устройства.
На фиг.5 представлен график экспериментально определенной зависимости спектральной плотности мощности фазового шума от частоты отстройки выходного колебания устройства от его номинальной частоты.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Высокочастотный многокварцевый генератор содержит восемь КР, из которых в каждый момент времени работает только один. ВКГ собраны на четырех печатных платах, каждая из которых помещена в один из четырех идентичных ВКМ из металла с высокой теплопроводностью. К стороне ВКМ, противоположной стороне, в отсеках которой расположены общая печатная плата двух ВКГ и два КР, припаяна печатная плата с электронагревательным элементом и ТР, выполняющим функцию датчика температуры. Внешние стороны ВКМ устройства снабжены крышками из металла с высокой теплопроводностью, защищающими ВКГ от тепловых потоков внутри ГО и экранирующими ВКГ от паразитных наводок. ВКМ прикреплены к ВПП, соединенной с ОПП тонкими стержнями из металла с относительно невысокой теплопроводностью, таким образом, что между основной и вспомогательной печатными платами образован воздушный зазор. ВКМ ориентированы по отношению к основной и вспомогательной печатным платам так, что длинные стороны их торцов, расположенных со стороны выходов ВКГ и закрепленных на нижней стороне ВПП, образуют вложенные один в другой и подобные друг другу ромбы, при этом расположение ВКМ таково, что все четыре печатные платы ВКГ обращены наружу по отношению к полученной ромбовидной фигуре. Выходы ВКГ подключены ко входам БУ через КП, расположенные на нижней стороне ВПП и соединенные через переходные МО с соответствующими КП на верхней стороне ВПП. КП верхней стороны ВПП соединены перемычками с соответствующими КП на нижней стороне ОПП, которые через переходные МО подключены к КП, являющимся входными для соответствующих БУ. Выходы БУ подключены печатными проводниками ОПП к входам СМ, расположенного на верхней стороне ОПП. ОПП вместе с прикрепленной к ней ВПП с ВКМ высокочастотных кварцевых автогенераторов помещена в ГО внешнего корпуса устройства таким образом, что ВКМ, не имея непосредственного теплового контакта со стенками ВКМ, расположены оптимальным, с точки зрения уменьшения тепловых связей между внешним корпусом устройства и его ВКМ, образом. На дне ГО внешнего корпуса устройства установлена печатная плата с ФНЧ для каждого ВКГ и каждого БУ. Помимо ГО для четырех ВКМ высокочастотных кварцевых автогенераторов во внешнем корпусе устройства предусмотрены два ДО для двух печатных плат контроллеров четырех независимых термостатов. Вынесение КТ вместе со схемами термостатирования из зон термостатирования, физически совпадающих с внутренними корпусами, в отдельные вспомогательные отсеки, имеющие пренебрежимо малые тепловые связи с зонами термостатирования, позволяет повысить точность термостатирования ВКГ и, следовательно, повысить стабильность частоты опорного колебания. Для печатной платы умножителя частоты опорного колебания и усилителя мощности опорного колебания в корпусе устройства имеется отдельный отсек. Опорное колебание с выхода усилителя мощности через выходной разъем устройства подается в тракт гетеродина для дальнейшего преобразования. В нижнем вспомогательном отсеке расположена печатная плата стабилизации и дополнительной фильтрации сигналов управления включением ВКГ.
Особенность генератора состоит не только в уменьшении длины проводников печатных плат ВКГ и выводов высокочастотных КР, но и в уменьшении длины всех электрических проводников, что достигается за счет обособления элементов устройства в функционально самостоятельные блоки и размещения их в разных отсеках внешнего корпуса. С одной стороны, этот подход полезен для экранирования тракта опорного колебания от внешних и внутренних наводок, а с другой - для повышения частотного «потолка» устройства. Этот подход наиболее полно реализован за счет того, что тракт опорного колебания сворачивается по трем последовательно расположенным плоскостям параллелепипеда, вписанного во внешний корпус устройства таким образом, что каждый функционально законченный фрагмент тракта устанавливается в предназначенный именно для него отсек внешнего или внутреннего корпуса устройства.
Микросборка, собранная в каждом из четырех ВКМ содержит два высокочастотных КР (на две опорные частоты из восьми заданных) и одну печатную плату, на которой размещены два идентичных ВКГ, соответствующих по своим частотным настройкам этим КР. ВКМ снабжен индивидуальными отсеками для каждого из КР. Для улучшения теплообмена отсеки примыкают к корпусу КР без зазора. ВКМ выполнен из металла с высокой теплопроводностью, для более динамичного обмена приращениями теплоты с КР. При этом КР является не только теплоприемником приращений теплоты, поступающей от ЭН, но и теплоотдатчиком приращений теплоты, выделяемой на корпус КР из-за потерь энергии в кварцевой пластине и в кварцедержателе.
Стабильность температуры КР дополнительно обеспечивается за счет выравнивания тепловых путей от ЭН до ТР и от ЭН до корпуса КР. Так как долговременная и кратковременная стабильности частоты опорного колебания ВКГ в большей степени, чем низкочастотного, зависят от стабильности температуры печатной платы, на которой реализована его электрическая схема, то режим обмена приращениями теплоты по принципу отрицательной обратной связи распространяется и на печатную плату автогенераторов. Она является как теплоприемником приращений теплоты, поступающей от ЭН, так и теплоотдатчиком приращений теплоты, выделяемых транзистором ВКГ и каждым из элементов электрической схемы ВКГ, имеющим сколько-нибудь резистивный характер (например, за счет потерь в чип-индуктивностях). Высокая скорость теплообмена между ЭН, ТР и корпусом КР повышает точность терморегуляции и может быть достигнута, во-первых, за счет расположения ЭН и ТР термостата на одной печатной плате и, во-вторых, за счет выполнения диэлектрика платы из материала с высокой теплопроводностью.
Объединение двух ВКГ в одной микросборке стало возможно постольку, поскольку в когерентной системе в каждый момент времени работает лишь один ВКГ. Для объединения двух ВКГ в одной микросборке, температурный режим которой контролируется одним термостатом, производится подбор КР с наиболее близкими значениями температур точек перегиба их температурно-частотных характеристик.
В одном из конкретных вариантов воплощения, как показано на фиг.1, 2, 3 и 4, устройство содержит восемь ВКГ 1 (ВКГ 1, ВКГ 2, и т.д. до ВКГ 8), помещенных в четыре ВК 2 из металла с высокой теплопроводностью (например, из меди), по два в каждый. В отсеках ВК 2 с их внешней стороны припаяны печатные платы 4 с размещенными на них ЭН (резисторами нагревателей термостатов) и ТР датчиков температуры. ВК 2 припаяны к ВПП 5, соединенной с ОПП 6 шестью стержнями из металла с относительно невысокой теплопроводностью (например, из латуни) 7, таким образом, что между платой 5 и платой 6 образован воздушный зазор. Выходы ВКГ 1 (ВКГ 1, ВКГ 2, и т.д. до ВКГ 8) соединены с входами БУ 8 (БУ 1, БУ 2, и т.д. до БУ 8) через КП, расположенные на нижней стороне ОПП 6. Все элементы БУ 8 и СМ 9 (Σ) расположены на верхней стороне ОПП 6 и не термостатированы. ОПП 6 вместе с прикрепленной к ней ВПП 5 с ВК 2 ВКГ 1 (ВКГ 1…ВКГ 8) помещена в ГО 11 внешнего корпуса 10 таким образом, что ВК 2 не имеют непосредственного контакта со стенками внешнего корпуса 10. На дне ГО 11 внешнего корпуса 10 закреплена переходная плата 12 с ФНП (ФНЧ 1, ФНЧ 2 и т.д. до ФНЧ 8) ВКГ 1 (ВКГ 1, ВКГ 2, и т.д. до ВКГ 8) и БУ 8 (БУ 1, БУ 2, и т.д. до БУ 8). Помимо ГО 11 для ВК 2 во внешнем корпусе 10 предусмотрены два ДО 13 для двух печатных плат четырех термостатов 14 (КТ 1, КТ 2, и т.д. до КТ 4) и отсек 15 для печатной платы умножителя частоты опорного колебания (xN) и усилителя мощности опорного колебания 16 (УМ). Опорное колебание с УМ 16 через разъем 17 подается в тракт гетеродина для дальнейшего преобразования. В нижнем ДО 18 расположена печатная плата стабилизации и дополнительной фильтрации сигналов Еупр.1, Еупр.2 и т.д. до Еупр.8, управляющих включением ВКГ 1 (ВКГ 1, ВКГ 2, и т.д. до ВКГ 8).
Для минимизации паразитных индуктивностей проводников печатной платы ВКГ и выводов КР печатную плату с ВКГ и КР выполняли в форме единого компактного конструктивного узла - микросборки. Микросборка в целях компактизации содержит единственную печатную плату, на которой размещены два идентичных, но имеющих разные настройки по частоте, ВКГ и два идентичных высокогармониковых КР, изготовленных на две из восьми заданных опорных частот. Каждый КР помещен в один из двух индивидуальных отсеков в одном из четырех ВК из металла с высокой теплопроводностью (например, из меди). С повышением теплопроводности металла увеличивается скорость обмена приращениями теплоты между работающим в данный момент времени КР и стенками его индивидуального отсека. При этом КР является не только теплоприемником приращений теплоты, поступающей от ЭН соответствующего термостата, но и теплоотдатчиком приращений теплоты, выделяемой в объеме кварцевой пластины КР. Для дополнительной стабилизации температуры КР стараются выровнять тепловые пути от ЭН термостата до ТР датчика температуры термостата и от ЭН термостата до КР.
Так как долговременная и кратковременная стабильность частоты опорного колебания высокочастотного кварцевого автогенератора в большей степени, чем низкочастотного, зависит от стабильности температуры печатной платы, на которой реализована его электрическая схема, в предлагаемом устройстве для поддержания стабильной температуры печатных плат ВКГ используют несколько подходов. В частности, благодаря общим для плат автогенераторов и для КР компактным ВК из металла с высокой теплопроводностью динамичный режим обмена приращениями теплоты по принципу отрицательной обратной связи устанавливается и для печатных плат ВКГ. Печатные платы ВКГ являются как теплоприемниками приращений теплоты, поступающей от ЭН соответствующего термостата, так и теплоотдатчиками приращений теплоты, выделяемой генераторным транзистором и каждым из элементов электрической схемы ВКГ, имеющим сколь-нибудь резистивный характер (например, за счет потерь энергии в чип-индуктивностях и чип-конденсаторах). Высокая скорость теплообмена между ЭН термостата и ТР датчика температуры термостата способствует увеличению точности поддержания температуры и устойчивости температурного авторегулирования.
Объединение двух ВКГ в одной микросборке возможно вследствие того, что в когерентной системе в каждый момент времени работает только один ВКГ из восьми. Для объединения двух ВКГ в одной микросборке производится отбор КР с близкими значениями температур точек перегиба температурно-частотных характеристик.
Для защиты ВКГ от наводок по цепям питания и внешних электромагнитных помех, в частности для снижения его технических шумов, на корпусах микросборок предусмотрены медные крышки.
Малая длина проводников, соединяющих выходы ВКГ с БУ, достигается за счет размещения внутренних корпусов на ВПП с распайкой проводников на соответствующих КП этой платы. Наличие воздушного зазора между ВПП, ВК и ОПП позволяет снизить потери тепла в процессе динамического авторегулирования температуры и, как следствие, уменьшить среднюю потребляемую нагревателями термостатов мощность. Несмотря на то, что в каждый момент времени работает только один ВКГ, все четыре термостата включены постоянно, что позволяет уменьшить время установления частоты выходного сигнала устройства при переключении ВКГ.
БУ на ОПП разведены таким образом, что длина проводников, соединяющих выходы ВКГ и входы БУ, а также выходы БУ и входы СМ, минимальна.
Конструкция, представленная на фиг.1, 2 и 3, позволяет реализовать структурную схему фиг.4 высокочастотного многокварцевого генератора, входящего в состав гетеродина, сантиметрового или миллиметрового диапазона волн когерентной радиолокационной системы.
Экспериментальная зависимость спектральной плотности мощности фазовых шумов от частоты отстройки от номинальной частоты выходного колебания одного из частных вариантов воплощения устройства представлена на фиг.5.
Генератор, схема которого представлена на фиг.4, работает следующим образом. Согласно некоторому коду на один из восьми высокочастотных кварцевых автогенераторов ВКГi через i-й фильтр низкой частоты и цепочку дополнительной стабилизации ФНЧi подается управляющее напряжение постоянного тока Еупр.i Высокочастотный кварцевый автогенератор ВКГi запускается и формирует на своем выходе колебание одной из опорных частот Fi, которое поступает на вход буферного усилителя опорного колебания БУi, настроенный на выбранную частоту Fi. Назначение БУ состоит в том, чтобы уменьшить влияние последующего тракта устройства на стабильность частоты и фазы опорного колебания, работающего в данный момент времени ВКГ, С буферного усилителя БУi колебание одной из опорных частот Fi подается на i-й вход сумматора мощности опорного колебания Σ. Назначение сумматора мощности состоит в том, чтобы максимально ослабить влияние выходных комплексных проводимостей неработающих в данный момент времени буферных усилителей на выходную комплексную проводимость работающего БУ. Пассивная схема развязки, поддерживаемая сумматором мощности опорного колебания, выбрана из соображения минимума дополнительных фазовых шумов, вносимых сумматором в шумы опорного колебания. С выхода сумматора мощности Σ опорное колебание подается на вход умножителя частоты xN. С выхода умножителя частоты xN опорное колебание частотой NFi подается на вход усилителя мощности УМ, усиливается и поступает на выход устройства для дальнейшего преобразования частоты NFi опорного колебания в тракте гетеродина.
Изменения и модификации показанного устройства, а также дополнительные применения принципов предлагаемого изобретения, очевидные для специалистов в данной области техники, входят в объем изобретения.