Виброзащищенный кварцевый генератор
VIBRATION-PROTECTED QUARTZ OSCILLATOR

Изобретение относиться к области радиоэлектроники и предназначено для работы в составе высокостабильных кварцевых генераторов.
Высокостабильные кварцевые генераторы (КГ) являются радиоэлектронными устройствами, вырабатывающими сигнал с высокой стабильностью частоты и фазы, благодаря стабилизирующим свойствам кристаллического кварцевого резонатора, выполняющего роль колебательного контура, а также системе термостабилизации кварцевого резонатора и электрической схемы его возбуждения. Однако в реальных условиях эксплуатации КГ на мобильных объектах, на него действуют различные механические факторы, прежде всего, механическая вибрация, влияющая на частоту и фазу генерируемого сигнала, что приводит к появлению индуцированного вибрацией ухудшению фазового шума КГ.
Для снижения чувствительности радиоэлектронных устройств к внешней вибрации применяют различные методы их защиты, в том числе, виброизолирующие конструкции (ВИК), отделяющие радиоэлектронный модуль от его внешнего корпуса [1]. ВИК состоит из амортизирующих элементов, прикрепленных с одной стороны к радиоэлектронному модулю, а с другой стороны к внешнему корпусу устройства [1]. ВИК обеспечивает ослабление амплитуды вибрации на радиоэлектронный модуль по сравнению с амплитудой вибрации на внешнем корпусе на частотах вибрации, превышающей приблизительно вдвое собственную резонансную частоту ВИК. При этом собственная резонансная частота и добротность ВИК, а значит нижняя частота вибрации, подавляемая ВИК зависит от упругих и демпфирующих свойств входящих в нее амортизирующих, а также массы радиоэлектронного модуля. При одной и той же массе радиоэлектронного модуля и жесткости ВИК собственная частота последней определяется, в основном, ее линейными размерами. В результате, для получения достаточно низкой собственной частоты ВИК, а следовательно, подавления низкочастотной вибрации требуется увеличивать габариты такого радиоэлектронного устройства.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является конструкция КГ, содержащая генерирующий модуль (ГМ), вырабатывающий сигнал стабильной частоты, металлического основания с выводами для соединения КГ с внешними устройствами, закрываемого крышкой или без нее и ВИК, выполненной в виде 4-х криволинейных стальных стержней, концы которых жестко крепятся к основанию корпуса, а к их средним частям крепятся свободно обхватывающие скобы, жестко связанные с боковыми поверхностями ГМ [2]. Благодаря применению такой ВИК существенно снижается чувствительность частот КГ к внешней вибрации, что обеспечивает низкий уровень фазового шума выходного сигнала в условиях внешних вибрационных воздействий при относительно небольших габаритах устройства.
Недостатком такого КГ являются относительно высокая собственная частота его ВИК, вызванная относительно высокой жесткостью стальных виброизолирующих элементов, что обуславливает слабое подавление вибрационных воздействий на частотах вибрации ниже 200-300 Гц. При этом снижение собственной резонансной частоты ВИК путем уменьшения жесткости стальных виброизолирующих элементов, например, уменьшением их поперечного сечения, приводит к уменьшению механической прочности ВИК или увеличению размеров устройства, ограничивающих допустимую амплитуду вибрационного воздействия.
Задача данного изобретения - повышение виброзащищенности КГ на низких частотах вибрации при сохранении небольших размеров устройства.
Поставленная задача достигается тем, что в КГ, содержащем основание корпуса с выводами, генерирующий модуль (ГМ), вырабатывающий электрический сигнал стабильной частоты и четыре виброизолирующих элемента, закрепленных концами на основании корпуса и связанных с ГМ при помощи скоб свободно обхватывающих центральные части виброизолирующих элементов и жестко прикрепленных к боковым поверхностям ГМ, виброизолирующие элементы выполнены в виде прямолинейных упругих стержней из полимерного материала, расположенных симметрично вокруг ГМ в форме прямоугольника, при этом концы прямолинейных упругих стержней крепятся в одной плоскости к 4-м дополнительно введенным вертикальным стойкам, жестко смонтированным на основании корпуса.
В таком КГ собственная частота ВИК определяется длиной упругих стержней и их жесткостью. При этом длина упругих стержней превышает боковые размеры ГМ, а их коэффициент жесткости благодаря применению полимерного материала значительно меньше коэффициента жесткости стальных стержней, что обеспечивает существенное понижение частоты собственных колебаний ВИК и как следствие, повышение виброзащищенности КГ на низких частотах вибрации по сравнению с прототипом.
Конструкция предлагаемого виброзащищенного КГ схематично показана на фиг. 1 (вид сверху) и на фиг. 2 (вид сбоку). Она состоит из генерирующего модуля (ГМ) 1, основания 2 с выводами 3 для механического соединения и электрического подсоединения КГ к внешним устройствам, к которым изнутри подключается ГМ 1 через проводники 4, а также ВИК, выполненной в виде 4-х упругих прямолинейных стержней 5, изготовленных из полимерного материала, закрепленных на 4-х вертикальных стойках 6, смонтированных на основании 2 или совмещенных с внутренними частями его выводов 3, между которыми размещается ГМ 1, механически соединенный с упругими стержнями 5 при помощи 4-х металлических скоб 7, свободно обхватывающих средние части упругих стержней 5 и жестко прикрепленных по ортогональным осям к центральным частям боковых поверхностей ГМ 1. Основание может закрываться крышкой для защиты КГ от внешних климатических факторов.
Предлагаемый КГ работает следующим образом. При подаче на выводы 3 электрического напряжения ГМ 1 вырабатывает электрический сигнал с высокой стабильностью частоты, который через проводники 4 и выводы основания 3 передается подключенному к нему внешнему устройству. При воздействие внешней вибрации на основание 2 механические нагрузки передаются на ГМ 1 через вертикальные стойки 6, упругие стержни 5 и металлические скобы 7, значительно ослабляясь на частотах выше собственной резонансной частоты ВИК благодаря ее фильтрующим и диссипативным свойствам. При этом вследствие значительной длины упругих стержней 5, расположенных вдоль 4-х сторон ГМ 1, обеспечивается более низкая частота собственного резонанса ВИК при сохранении тех же или меньших, чем у прототипа габаритов виброзащищенного КГ. В процессе воздействия вибрации, благодаря отсутствию жесткого крепления ГМ 1 к упругим стержням 5 возникают перемещения скоб 7 с прикрепленным к ним ГМ 1 относительно упругих стержней 5, вызывающие благодаря трению между скобами 7 и упругими стержнями 5, диссипацию колебательной энергии, обуславливающую снижение добротности всей колебательной системы. В результате уменьшается амплитуда собственного резонанса ВИК и, как следствие, улучшается подавление внешней вибрации на низких частотах.
Для проверки предлагаемых технических решений были изготовлены макеты КГ на частоту 10 МГц в металлическом корпусе с размерами 25×25×16 мм, внутри которого на 4-х вертикальных стойках, совмещенных с выводами основания, закреплены упругие стержни из силикона с поперечным сечением 1×1 мм и длиной 20 мм, между которыми располагается генерирующий модуль с размерами 15×15×9 мм, к центральным частям которого жестко крепятся 4 металлические скобы с толщиной 0.1 мм и внутренними размерами 2×2 мм, свободно обхватывающие центральные части силиконовых полосок.
2
Макеты КГ были испытаны на действие случайной вибрации в полосе 10-2000 Гц с плотностью мощности ускорения 0.01 G/Гц по трем ортогональным осям X, Y, Z, ориентированных вдоль трех сторон металлического корпуса КГ. Измерение чувствительности КГ к действию вибрации производилось путем измерения фазового шума КГ прибором АРРН6000 Signal Analyzer под вибрацией на вибростенде LDS V406. Результаты измерений фазового шума в полосе частот случайной вибрации 10-2000 Гц по трем ортогональным осям приведены на фиг. 3.
Как видно из приведенных графиков, собственная частота ВИК предлагаемого виброзащищенного КГ находится ниже 40 Гц, а уровень фазового шума под вибрацией на отстройке 100 Гц от несущей не превышает -125 дБ для любой из трех ортогональных осей, что на 35 дБ ниже уровня фазового шума прототипа на этой частоте вибрации при существенного больших размерах последнего [2].
Источники информации
1. Токарев М.Ф., Талицкий Е.Н., Фролов В.А., «Механические воздействия и защита радиоэлектронной аппаратуры», учебное пособие для вузов / Под редакцией В.А. Фролова, М., Радио и связь, 1984 г.
2. Songtao Jiang, Xu Wang, "The Design of a Novel Low Phase Noise Anti-Vibration OCXO", Proceedings of IEEE International Frequency Control Symposium, 2017, pp. 227-230.