МИНИАТЮРНЫЙ ПРЕЦИЗИОННЫЙ ТЕРМОСТАТ ДЛЯ ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИИ ПАВ-РЕЗОНАТОРА В СОСТАВЕ ГЕНЕРАТОРА НА ПАВ

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована при создании высокочастотных генераторов на ПАВ.
Наибольший вклад в нестабильность частоты генератора вносит влияние изменения температуры окружающей среды на ПАВ-резонатор. Поддержание постоянной температуры ПАВ-резонатора является одним из методов уменьшения нестабильности частоты.
Одним из известных решений по поддержанию температурной стабильности частоты формируемого сигнала является использование двойного термостатирования, известное из патента RU 2731367, когда первый термостат, содержащий объект термостатирования, помещают внутри более грубого внешнего термостата.
Однако данное решение имеет существенные недостатки: увеличение габаритных размеров, массы и потребляемой мощности.
Известен из патентных документов US 4011526 и US 2007096839 автогенератор с устройством на ПАВ с обратной связью, изменяющей частоту автогенератора таким образом, чтобы температурный уход частоты компенсировался.
Недостатком данного способа является малая перестройка по частоте в силу свойства узкополосности, присущего пьезоэлектрическим резонаторам. Таким образом, диапазона перестройки может не хватить для компенсации температурных уходов частоты, которые могут быть значительно больше обеспечиваемой перестройки.
Наиболее близким по реализации аналогом является конструкция, известная из патентной заявки KR 20010076621. На керамической подложке размещены матрица пассивных элементов и переключатель, ПАВ-резонатор со схемой термокомпенсации, микросхема с реализацией функции управления массивом пассивных элементов, генерации и управления температурной компенсацией.
Недостатком наиболее близкого аналога является ступенчатое переключение цепей коррекции частоты, что неизбежно приводит к скачкам частоты ПАВ-резонатора при изменении внешней температуры и сложной схемной реализации с использованием процессора, множества электронных переключателей, набора дискретных корректирующих емкостей и индуктивностей.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание термостата для генератора на ПАВ, в котором отсутствуют недостатки известных аналогов, в частности повышенные массогабаритные параметры и сложность реализации.
Техническим результатом является повышение температурной стабильности частоты, снижение времени выхода на рабочий режим, уменьшение габаритных размеров при создании высокочастотных генераторов на ПАВ для работы в широком интервале температур.
Заявленная техническая проблема решается применением миниатюрного прецизионного термостата для локальной термостабилизации наиболее чувствительного к изменению температуры окружающей среды элемента в составе генератора – ПАВ-резонатора.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что термостат содержит электрические элементы: датчик температуры на основе биполярного транзистора; два нагревательных элемента на основе двух резисторов, соединенных параллельно; элементы формирования управляющего напряжения на основе трех биполярных транзисторов и двух резисторов; элементы, задающие рабочую точку термостата, выполненные на основе делителя напряжения и резистора; элементы регулировки тока, выполненные на основе пары биполярных транзисторов; при этом датчик температуры соединен с элементами, задающими рабочую точку термостата; два нагревательных элемента соединены с элементами регулировки тока; элементы формирования управляющего напряжения включены между датчиком температуры и двумя нагревательными элементами.
Сущность полезной модели заключается в том, что изменение прямого падения напряжения на p-n переходе датчика температуры, в роли которого выступает биполярный транзистор, линейно зависит от температуры окружающей среды и приводит к формированию управляющего напряжения, которое, в свою очередь, регулирует ток, протекающий через нагревательные элементы, изменяя степень нагрева.
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1, 2, на которых изображены:
фиг. 1 - схема расположения элементов термостатирования ПАВ-резонатора в составе генератора на ПАВ;
фиг. 2 - электрическая схема миниатюрного прецизионного термостата, поясняющая принцип его работы.
На фиг. 1, 2 позициями 1-10 показаны:
1 – ПАВ-резонатор;
2 - керамическое основание;
3 - стеклотекстолитовая плата;
4 - датчик температуры (VT4);
5 - нагревательный элемент (R1, R2);
6 - металлизированная область;
7 - элементы формирования управляющего напряжения (R3, R7, VT3, VT5, VT6);
8 - элементы, задающие рабочую точку термостата (R4, R5, R6);
9 - элементы регулировки тока (VT1, VT2);
10 - элементы фильтрации напряжения питания (С1, С2).
2
3
На верхней стороне стеклотекстолитовой платы 3 расположено керамическое основание 2 для размещения ПАВ резонатора 1. В качестве керамического основания может быть использована поликоровая подложка (AlO), обладающая высокой теплопроводностью. На обратной стороне стеклотекстолитовой платы 3, строго напротив ПАВ-резонатора 1, расположено аналогичное керамическое основание 2, содержащее схему миниатюрного прецизионного термостата, включая датчик температуры 4 и нагревательные элементы 5. Нагревательные элементы 5 могут быть выполнены в виде тонкопленочного резистивного слоя (TaAlN), напыленного на керамическое основание 2. В роли датчика температуры 4 выступает биполярный транзистор, который отслеживает рабочую температуру ПАВ-резонатора 1. Для снижения оттока тепла на элементы конструкции, и, как следствие, уменьшения времени выхода на рабочий режим, в структуре стеклотекстолитовой платы 3 отсутствует металлизация, за исключением металлизированной области 6 под ПАВ-резонатором 1, повторяющей форму керамического основания 2. Металлизированная область 6 под ПАВ-резонатором 1, содержащая металлизацию во всех слоях стеклотекстолитовой платы 3, прошита сквозными металлизированными отверстиями для повышения теплопроводности системы на участке от нагревательных элементов до ПАВ-резонатора 1.
Термостат состоит из датчика температуры 4 на основе биполярного транзистора (VT4), двух нагревательных элементов 5 (R1, R2), включенных параллельно. Элементы, задающие рабочую точку термостата, 8: делитель напряжения на резисторах (R5, R6), а также резистор R4, позволяют задать рабочую точку термостата, определяющую температуру термостатирования. Элементы формирования управляющего напряжения 7 - биполярные транзисторы (VT3, VT5, VT6) в сочетании с резисторами (R3, R7) - по показаниям датчика температуры 4 формируют и регулируют управляющее напряжение для элементов регулировки тока 9 - пары биполярных транзисторов (VT1, VT2), которые, в свою очередь, регулируют электрический ток, протекающий через соответствующие нагревательные элементы 5. Параллельно нагревательным элементам 5 включены элементы фильтрации напряжения питания 10. Таким образом, происходит создание температурно-зависимого управляющего воздействия для поддержания температуры ключевого элемента опорного генератора – ПАВ-резонатора 1.
Описанное устройство миниатюрного прецизионного термостата было реализовано на предприятии в составе генератора на ПАВ в качестве опытного образца. Размер керамического основания, содержащего схему миниатюрного прецизионного термостата, включая датчик температуры и нагревательные элементы, составил 14,6 × 8,6 мм, что позволило значительно снизить габаритные размеры разрабатываемого изделия. В ходе испытаний опытного образца при изменении внешней температуры от -50°C до +65°C время выхода на рабочий режим составило менее трех минут.