ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР
HIGH FREQUENCY QUARTZ CRYSTAL RESONATOR

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к области пьезотехники, и может быть использовано при разработке кварцевых резонаторов, применяемых в радиотехнической аппаратуре различного назначения.
Из уровня техники известны кварцевые резонаторы с колебаниями на механических гармониках (см. Плонский А.Ф. и др., Транзисторные автогенераторы метровых волн, стабилизированные на механических гармониках кварца, М.: Связь, 1969, стр.5-20). Известные конструкции таких резонаторов мало отличаются от конструкций кварцевых резонаторов, возбуждаемых на основной (первой) гармонике. Основные способы подавления нежелательных резонансных колебаний это: выбор диаметра пьезоэлемента, выбор диаметра электрода, выбор формы пьезоэлемента.
Все перечисленные методы борьбы с нежелательными резонансами очень трудоемки и требуют высокой квалификации разработчика.
Из уровня техники известны технические решения, в которых выбор рабочей гармоники резонатора осуществляется схемотехническими методами (см. Плонский А.Ф. и др., Транзисторные автогенераторы метровых волн, стабилизированные на механических гармониках кварца, М.: Связь, 1969, стр.114-141). Такие устройства содержат кварцевый резонатор, предназначенный для подключения к активному четырехполюснику. Активный четырехполюсник включает активный элемент и пассивную часть с элементами частотной селекции. Однако такие методы эффективно используются в аппаратуре в исполнении на дискретных элементах, поскольку высокоселективные элементы схемы (контуры, индуктивности, конденсаторы) имеют сравнительно большие габариты и плохо компануются с микроэлектронными элементами.
Данное техническое решение следует принять за прототип, поскольку оно наиболее близко по решению технической задачи и содержит наибольшее количество общих признаков.
Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение спектральной чистоты сигнала колебательной системы и надежности возбуждения резонатора на рабочей частоте. При этом упрощается схемотехническое исполнение прибора, в котором эксплуатируется кварцевый резонатор. Схема защищена от возникновения колебаний на любых частотах кроме рабочей частоты первого кварцевого пьезоэлемента, поскольку иные резонансные частоты кварцевых пьезоэлементов разнесены по частоте с резонансами смежного кварцевого пьезоэлемента. Кварцевый резонатор обладает практически всеми положительными свойствами, которые свойственны гармониковым пьезоизделиям. Резонаторы, возбуждаемые на механических гармониках, менее подвержены старению, чем резонаторы, работающие на основной частоте.
Технический результат достигается тем, что высокочастотный кварцевый резонатор содержит первый кварцевый пьезоэлемент, возбуждаемый на первой механической гармонике, возбуждающий электрод первого кварцевого пьезоэлемента, нанесенный на одной из сторон первого кварцевого пьезоэлемента, при этом первый кварцевый пьезоэлемент смонтирован на втором кварцевом пьезоэлементе с зазором между ними величиной не более 40 мкм, второй возбуждающий электрод нанесен на втором кварцевом пьезоэлементе, который вместе с первым возбуждающим электродом формирует поле, в котором возбуждаются оба кварцевых пьезоэлемента, причем резонансная частота первого кварцевого пьезоэлемента совпадает с частотой высшей механической гармоники второго кварцевого пьезоэлемента.
Признаки и сущность настоящего изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами.
На фиг.1 представлен гармониковый кварцевый резонатор, где:
1 - кварцевый пьезоэлемент,
2 - возбуждающие электроды,
3 - токопроводящая паста,
4 - основание держателя,
5 - стеклянный вакуумированный баллон.
Кварцевый пьезоэлемент 1 укреплен в держателе с помощью токопроводящей пасты 3.
Использование гармоникового кварцевого резонатора (см. фиг.1) в реальном устройстве предполагает обязательное применение дополнительных высокоселективных элементов, обеспечивающих коррекцию частотных характеристик схемы возбуждения.
На фиг.2 представлен заявленный высокочастотный кварцевый резонатор, содержащий следующие элементы и обозначения:
5 - первый кварцевый пьезоэлемент (первый кристаллический элемент), рабочая частота которого соответствует частоте первой механической гармоники,
6 - второй кварцевый пьезоэлемент (второй кристаллический элемент), рабочая частота которого соответствует частоте n-й механической гармоники, причем n≠1,
7 - пленочное покрытие,
8 - возбуждающие электроды,
9 - внешние выводы высокочастотного кварцевого резонатора.
Работа предложенного высокочастотного кварцевого резонатора (см. фиг.2) осуществляется следующим образом.
Первый и второй кварцевые пьезоэлементы 5 и 6 высокочастотного кварцевого резонатора возбуждаются электрическим полем, создаваемым возбуждающими электродами 8. Первый и второй кварцевые пьезоэлементы смонтированы в один пьезоблок, укрепленный на элементах кварцевого держателя. Первый кварцевый пьезоэлемент 5 возбуждается на первой механической гармонике, частота которой является рабочей частотой высокочастотного кварцевого резонатора. Второй кварцевый пьезоэлемент 6 возбуждается на n-й механической гармонике, частота которой совпадает с частотой основной гармоники первого кварцевого пьезоэлемента 5 и является рабочей частотой высокочастотного кварцевого резонатора. На внешних выводах 9 высокочастотного кварцевого резонатора формируется сигнал, частота которого определяется рабочей частотой первого и второго кварцевых пьезоэлементов 5 и 6. При включении внешних выводов высокочастотного кварцевого резонатора в цепь обратной связи активного 4-полюсника в электрической системе обеспечивается стабилизация частоты электрических колебаний. Стабильность этих колебаний определяется эквивалентными динамическими параметрами высокочастотного кварцевого резонатора, его эквивалентной добротностью.
При работе высокочастотного кварцевого резонатора в широком интервале рабочих температур необходимо предусмотреть возможное отрицательное влияние температурных деформаций первого и второго кварцевых пьезоэлементов. С целью минимизации этого влияния направления кристаллографических осей +X, +Y' и +Z' обоих пьезоэлементов в пространстве должны быть одинаковыми. Для исключения касания поверхностей активных областей пьезоэлементов между пьезоэлементами предусматривается зазор, величина которого определяется толщиной пленочных покрытий 7, выполненных в областях, удаленных от активных зон обоих пьезоэлементов, и не должна превышать 40 мкм.
Технический эффект изобретения обеспечивается за счет использования в конструкции пьезоэлектрической системы кварцевого резонатора двух пьезоэлектрических колебательных систем, работающих на разных механических гармониках. Это обеспечивает спектральную чистоту сигнала колебательной системы и надежность возбуждения устройства на рабочей частоте. При этом упрощается схемотехническое исполнение прибора, в котором эксплуатируется кварцевый резонатор. Схема защищена от возникновения колебаний на любых частотах кроме рабочей частоты первого пьезоэлемента, поскольку иные резонансные частоты пьезоэлементов разнесены по частоте с резонансами смежного пьезоэлемента. Кварцевый резонатор обладает практически всеми положительными свойствами, которые свойственны гармониковым пьезоизделиям. Резонаторы, возбуждаемые на механических гармониках, менее подвержены старению, чем резонаторы, работающие на основной частоте. В механизме старения главную роль играют поверхностные процессы, а пьезоэлемент, возбуждаемый на механической гармонике, при равной частоте имеет меньшее отношение поверхности к объему по сравнению с пьезоэлементом, возбуждаемым на основной гармонике. При этом в схеме не требуется включение дополнительных частотно-избирательных элементов (контуров, индуктивностей, конденсаторов), что значительно упрощает конструкцию устройства (генератора), в котором используется кварцевый резонатор. Конструкция предложенного кварцевого резонатора обеспечивает надежную работу устройства на рабочей частоте.