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 вакуумированный корпус, внутри которого размещается кварцевая ПП с нанесенными на нее пленочными электродами для возбуждения в ПП механических колебаний, а также смонтированы система термостатирования, нагревающая кварцевую ПП до заданной рабочей температуры и поддержания ее с высокой точностью [1]. Такие КРТ наряду со схемой автогенератора являются основными частями термостатированного генератора (ТСКГ). Благодаря размещению системы термостирования внутри вакуумированного корпуса КРТ вблизи кварцевой ПП такие ТСКГ имеют миниатюрные размеры при низкой потребляемой мощности, по сравнению с ТСКГ обычной конструкции.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является КРТ состоит из вакуумированного корпуса, в котором кварцевая пьезопластина с нанесенными на нее пленочными возбуждающими электродами через монтажные лепестки установлена на диэлектрической подложке, на которой также размещена система термостатирования КРТ. Диэлектрическая подложка закреплена на теплоизолирующей опоре, которая смонтирована на основании вакуумированного корпуса, имеющего выводы от возбуждающих электродов и системы термостатирования [2].
Недостатком этой конструкции является ее относительно невысокая температурная стабильность частоты, вызванная градиентами температуры по поверхности кварцевой ПП из-за тепловых потерь через излучение. Для устранения этого недостатка над поверхностью кварцевой ПП требуется установка теплоотражающего металлического экрана, что ухудшает технологичность сборки КРТ и увеличивает его размеры [2].
Задача данной полезной модели - повышение температурной стабильности КРТ без ухудшения его технологичности и увеличения размеров.
Данная задача достигается тем, что в КРТ, содержащем вакуумированный корпус, внутри которого на его основании монтируется теплоизолирующая опора, к верхней части которой крепится керамическая подложка с размещенными на ней элементами системы термостатирования, а также монтажные лепестками, в которых монтируется кварцевая ПП с нанесенными на обе ее поверхности пленочными возбуждающими электродами, один из пленочных электродов наносится на центральную часть нижней поверхности ПП, обращенной к керамической подложке, а второй пленочный электрод наносится на всю верхнюю поверхность ПП, при этом на периферийную часть нижней поверхности ПП могут дополнительно наноситься пленочные площадки, электрически изолированные от пленочного электрода, находящегося на той же поверхности кварцевой ПП.
Положительный эффект от применения данного технического решения состоит в том, что верхний пленочный возбуждающий электрод, выполненный из металла и нанесенный практически на всю верхнюю поверхность ПП, обеспечивает низкий коэффициент инфракрасного излучения с ПП в окружающую среду и, как следствие, незначительные температурные градиенты по поверхности ПП, что обуславливает значительное повышение стабильности частоты КРТ при изменении окружающей температуры по сравнению с прототипом без применения дополнительного теплоотражающего экрана. Дальнейшее снижение теплопотерь на излучение и повышение стабильности часты КРТ достигается нанесением на периферийную часть нижней поверхности ПП пленочных металлических площадок, электрически изолированных от пленочного электрода, находящегося на той же поверхности.
Конструкция предлагаемой полезной модели показана на Фиг. 1. Она содержит, содержащий вакуумированный корпус 1 с выводами 2 и 3 для подсоединения к источнику постоянного напряжения и схем автогенератора соответственно, внутри которого на его основании 4 монтируется теплоизолирующая опора 5, к верхней части которой крепится керамическая подложка 6 с размещенными на ней элементами системы термостатирования 7, а также монтажные лепестками 8, в которых монтируется кварцевая ПП 9 с нанесенными на обе ее поверхности пленочными возбуждающими электродами 10 и 11, при этом пленочный электрод 11 нанесен на всю верхнюю поверхность ПП 9, а нижний пленочный электрод 10 нанесен на центральную часть нижней поверхности ПП 9, кроме того, на периферийную часть нижней поверхности ПП 9 могут дополнительно наноситься пленочные металлические площадки 12, электрически изолированные от пленочного электрода 10.
Данный КРТ работает следующим образом. При подключении выводов 2 и 3 к источнику напряжения и схеме автогенератора в КРТ возбуждаются механические колебания и включается система термостатирования 7, размещенная на керамической подложке 6, которая нагревает КРТ до рабочей температуры. В стационарном режиме средняя температура ПП 8 точно поддерживается системой термостатирования. При этом теплоотток от ПП 9 в окружающую среду излучением с ее верхней поверхности будет незначителен благодаря низкой излучательной способности покрывающего ее металлического пленочного электрода 11, а слабый теплоотток с нижней поверхности ПП 9 обеспечивается близостью к ней нагретой керамической подложки 6 и нанесением пленочных металлических площадок 12 на периферийную часть нижней поверхности ПП 9, снижающих ее излучательную способность. Значительное снижение интенсивности теплооттока с поверхностей ПП 9 обеспечивает ее равномерный нагрев и, как следствие, отсутствие в ней существенных температурных напряжений, зависящих от изменения окружающей температуры и влияющих на частоту КРТ. В результате обеспечивается значительное повышение температурной стабильности частоты КРТ без применения дополнительного металлического экрана.
Для экспериментальной проверки достигнутого положительного эффекта в предлагаемой полезной модели были изготовлены образцы КРТ предлагаемой конструкции на частоту 100 МГц с ПП среза IT диаметром 9 мм, возбуждаемой на 7-й механической гармонике. Практически на всю верхнюю поверхность ПП нанесен пленочный электрод методом термического напыления серебра толщиной 0.3 мкм с подслоем хрома 500 А, а на нижнюю поверхность ПП, обращенную к керамической подложке, в ее центральной части был нанесен такой же пленочный электрод диаметром 3 мм. Во второй группе КРТ на нижнюю поверхность ПП в ее периферийной части дополнительно наносились пленочные площадки из серебра той же толщины. Третья группа КРТ имела конструкцию аналогичную прототипу с пленочными электродами из серебра диаметром 3 мм, нанесенными в центре на обе поверхности ПП. Все КРТ подключались к схеме автогенератора и источнику постоянного напряжения для питания системы термостатирования, их внутренняя температура была установлена на экстремум температурно-частотной характеристики (ТЧХ), а система термостатирования настроена так, чтобы средняя температура ПП оставалась в пределах 0.1°С при изменении окружающей температуры в широких приделах. Температурная стабильность КРТ измерялась в температурной камере при изменении температуры в диапазоне (20-80)°С, при этом схема автогенератора оставалась снаружи камеры при постоянной температуре. Результаты измерений для трех групп КРТ приведены в таблице 1.
Поскольку температура ПП настроена на экстремум ТЧХ резонатора и поддерживается с высокой точностью, около 0.1°С, то изменения частоты КРТ от изменения окружающей температуры в камере вызваны практически полностью влиянием температурных градиентов в ПП. Из результатов эксперимента видно, что конструкция полезной модели обеспечивает 3-4-х кратное повышение стабильности частоты КРТ без применения дополнительного теплоотражающего экрана, что подтверждает заявляемый положительный эффект.
Источники информации:
1. Igor Abramzon, Vadim Tapkov, Alexey Kornilov, "Extraordinary OCXO solutions based on the IHR technology", Proceedings of IEEE International Frequency control symposium, 2017, pp.
2. Патент RU на полезную модель №103042, H03B 5/32, опубликован 20.03.2011.