Устройство для измерения температурного коэффициента частоты диэлектрического резонатора
DEVICE FOR MEASUREMENT OF TEMPERATURE COEFFICIENT OF FREQUENCY OF DIELECTRIC RESONATOR

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерению температурного коэффициента частоты диэлектрического резонатора и может быть использовано для измерения температурного коэффициента частоты диэлектрического резонатора различных изделий электронной техники СВЧ, в том числе интегральных схем СВЧ.
Известно устройство для измерения температурного коэффициента частоты (ТКЧ) диэлектрического резонатора, содержащее установленные горизонтально по одной оси катушки возбуждения, через которые проходит исследуемый образец, постоянные магниты, создающие подмагничивающее поле в исследуемом образце.
В котором с целью использования магнитострикционного резонатора по новому назначению, а именно для измерения температурного коэффициента частоты образцов из ферроматериала, катушки возбуждения установлены в двух корпусах из диэлектрического материала, расположенных на основании последовательно и на определенном расстоянии, при этом одна из катушек возбуждения подключена к генератору звуковой частоты и частотомеру, а другая - к осциллографу, регистрирующему резонанс, постоянные магниты установлены у наружных торцов корпусов.
Известно устройство для измерения температурного коэффициента частоты цилиндрического диэлектрического резонатора, содержащее измерительную камеру, в измерительной камере расположены диэлектрическая подставка с низкими диэлектрическими потерями для расположения на ее лицевой стороне измеряемого цилиндрического диэлектрического резонатора, при этом диэлектрическая подставка и цилиндрический диэлектрический резонатор расположены по центру измерительной камеры [«Resomics», каталог Murata Manufacturing Co., Ltd., 1992 г., стр. 4].
Данные устройства для измерения температурного коэффициента частоты отличаются достаточной точностью, но имеют низкую производительность.
Известно устройство для измерения температурного коэффициента частоты цилиндрического диэлектрического резонатора, содержащее измерительную камеру с вводом и выводом сигнала СВЧ, в измерительной камере расположены диэлектрическая подставка с низкими диэлектрическими потерями (Tg ) для расположения на ее лицевой стороне измеряемого цилиндрического диэлектрического резонатора, элементы связи цилиндрического диэлектрического резонатора с вводом и выводом сигнала СВЧ, при этом диэлектрическая подставка и цилиндрический диэлектрический резонатор расположены соосно относительно центральной вертикальной оси измерительной камеры, измерительный блок СВЧ, в составе генератора, анализатора сигналов, частотомера, вольтметра, термопары, последняя расположена на внешней стороне измерительной камеры, при этом элементы измерительной камеры и измерительного блока СВЧ соединены электрически согласно электрической схемы устройства, измерительная камера расположена в термостате с заданной температурой статирования [«A Designer's Guide То Microwave Dielectric Ceramics», Каталог Trans-Tech, INC, 1988 г., стр. 2-3] - прототип.
Данное устройство позволяет производить измерения температурного коэффициента частоты, как и предыдущие аналоги, с достаточно высокой точностью.
Однако отличается, как и предыдущие аналоги, низкой производительностью, из-за возможности измерения за один цикл измерений, который является достаточно длительным, только одного диэлектрического резонатора.
Техническим результатом заявленного устройства для измерения температурного коэффициента частоты является повышение производительности, при сохранении точности измерения.
Указанный технический результат достигается заявленным устройством для измерения температурного коэффициента частоты диэлектрического резонатора, содержащим измерительную камеру с вводом и выводом сигнала СВЧ, в которой расположены диэлектрическая пластина с низкими диэлектрическими потерями для расположения на ее лицевой стороне измеряемого диэлектрического резонатора, элементы связи последнего с вводом и выводом сигнала СВЧ, при этом диэлектрическая пластина и диэлектрический резонатор расположены соосно относительно центральной вертикальной оси измерительной камеры, измерительный блок СВЧ в составе генератора, анализатора сигналов, частотомера, вольтметра, термопары, последняя расположена на внешней стороне измерительной камеры, при этом элементы измерительной камеры и измерительного блока СВЧ соединены электрически согласно электрической схемы устройства, измерительная камера расположена в термостате с заданной температурой статирования.
В котором измерительная камера дополнительно содержит центрирующий элемент из материала с малыми диэлектрическими потерями и относительной диэлектрической проницаемостью менее 5,0, выполненный в виде двух одинаковых прямоугольных пластин длиной 3,0-5,0 мм, шириной 1,5-2,5 мм, толщиной 1,0-2,5 мм, при этом каждая из них расположена на лицевой стороне диэлектрической пластины, симметрично относительно центральной вертикальной оси измерительной камеры, на расстоянии от последней равном половине размера сечения продольно горизонтальной плоскости диэлектрического резонатора, под углом (90-100) градусов друг к другу и закреплена, нагревательный элемент термостата выполнен в виде термостола, с размером рабочей поверхности, обеспечивающей расположение измерительной камеры и более одного измеряемого диэлектрического резонатора, при этом измерительная камера расположена по центру термостола, верхняя стенка термостата выполнена в виде съемной крышки, представляющей собой два слоя прозрачного, гибкого, материала, каждый толщиной 80-120 мкм, размерами соизмеримыми с внешними размерами сечения продольно горизонтальной плоскости термостата, каждый упомянутый слой имеет разрезы, один из которых, первый выполнен сплошным, по середине слоя, параллельно горизонтальной плоскости термостола, соосно относительно центральной вертикальной оси измерительной камеры, длиной соизмеримой с размером внутреннего размера сечения продольно горизонтальной плоскости термостата, другие - длиной каждый 6-8 мм, перпендикулярно первому и равномерно пересекают последний по всей его длине с шагом 5-7 мм,
при этом упомянутые слои расположены между собой параллельно, на расстоянии 4-6 мм и закреплены посредством рамки с внешним и внутренним размерами сечения продольно горизонтальной плоскости соизмеримыми с внешним и внутренним размерами сечения продольно горизонтальной плоскости термостата соответственно,
при этом расположение съемной крышки и термостола в термостате выполнено с обеспечением подачи через упомянутые разрезы в слоях съемной крышки диэлектрического резонатора с термостола в измерительную камеру,
термостат расположен с наклоном под углом 5-10 градусов относительно центральной горизонтальной оси измерительной камеры в направлении диэлектрического резонатора и центрирующего элемента.
Каждая из двух прямоугольных пластин центрирующего элемента закреплена посредством эпоксидного клея.
Упомянутые два слоя съемной крышки выполнены из пленки полистирола либо полиэтилена.
Упомянутая подача диэлектрического резонатора с термостола в измерительную камеру выполнена посредством пинцета из материала с низкой теплопроводностью.
Раскрытие сущности изобретения.
Заявленная совокупность существенных признаков устройства для измерения температурного коэффициента частоты диэлектрического резонатора обеспечивает, а именно.
Наличие в измерительной камере дополнительно центрирующего элемента из материала с малыми диэлектрическими потерями и относительной диэлектрической проницаемостью менее 5, выполненного в виде двух одинаковых прямоугольных пластин длиной 3,0-5,0 мм, шириной 1,5-2,5 мм, толщиной 1,0-2,5 мм,
при этом, когда каждая из двух прямоугольных пластин расположена на лицевой стороне диэлектрической пластины, симметрично относительно центральной вертикальной оси измерительной камеры, на расстоянии от последней равном половине размера сечения продольно горизонтальной плоскости диэлектрического резонатора, под углом (90-100) градусов друг к другу и каждая закреплена.
Это обеспечивает:
во-первых, значительное повышение точности и качества центровки диэлектрического резонатора в измерительной камере,
во-вторых, идентичность положения в измерительной камере одного и того же диэлектрического резонатора в режиме «поставил - снял - поставил».
И, как следствие, первого и второго - саму возможность измерения в одном - едином цикле партии диэлектрических резонаторов и в одной измерительной камере при сохранении точности измерения.
Выполнение нагревательного элемента термостата в виде термостола, с размером рабочей поверхности, обеспечивающей расположение измерительной камеры и более одного измеряемого диэлектрического резонатора, при этом, когда измерительная камера расположена по центру термостола и, в совокупности когда:
верхняя стенка термостата выполнена в виде съемной крышки, представляющей собой два слоя прозрачного, гибкого, материала, каждый толщиной 80-120 мкм, размерами соизмеримыми с внешними размерами сечения продольно горизонтальной плоскости термостата,
каждый упомянутый слой имеет разрезы, один из которых, первый выполнен сплошным, по середине слоя, параллельно горизонтальной плоскости термостола, соосно относительно центральной вертикальной оси измерительной камеры, длиной соизмеримой с размером внутреннего размера сечения продольно горизонтальной плоскости термостата, другие - длиной каждый 6-8 мм, перпендикулярно первому и равномерно пересекают последний по всей его длине с шагом 5-7 мм,
при этом упомянутые слои расположены между собой параллельно, на расстоянии 4-6 мм и закреплены посредством рамки с внешним и внутренним размерами сечения продольно горизонтальной плоскости соизмеримыми с внешним и внутренним размерами сечения продольно горизонтальной плоскости термостата соответственно,
при этом расположение съемной крышки и термостола в термостате выполнено с обеспечением подачи через упомянутые разрезы в слоях съемной крышки диэлектрического резонатора с термостола в измерительную камеру.
Это обеспечивает:
во-первых, одновременное и оптимальное расположение на термостоле термостата измерительной камеры и подлежащих измерению партии отдельных диэлектрических резонаторов (в отличие от прототипа только одного) и
во-вторых, тем самым - возможность осуществления поочередного измерения резонансной частоты партии отдельных диэлектрических резонаторов при комнатной температуре и температуре статирования в режиме «поставил - снял - поставил» в одном - едином рабочем цикле и тем самым - практически исключение нарушения теплоизоляции термостата, и тем самым - необходимую и достаточную термостабильность в измерительной камере и на термостоле и, как следствие, - значительное повышение производительности при сохранении точности измерения,
Расположение термостата с наклоном под углом 5-10 градусов относительно центральной горизонтальной оси измерительной камеры в направлении диэлектрического резонатора и центрирующих элементов обеспечивает более надежное и воспроизводимое прилегание диэлектрического резонатора к двум прямоугольным пластинам центрирующего элемента и, тем самым - повышение надежности и воспроизводимости идентичного положения диэлектрического резонатора в измерительной камере в режиме «поставил - снял - поставил» и, как следствие, - сохранение точности измерения при значительном повышении производительности.
Итак, наличие заявленных элементов устройства - центрирующего элемента, термостола, съемной крышки, с указанными их конструкционными параметрами, а также их расположение являются оптимальными и достаточными для достижения заявленного технического результата, а именно - повышение производительности, при сохранении точности измерения.
Выполнение элементов устройства:
центрирующего элемента в виде двух одинаковых прямоугольных пластин длиной как менее 3,0 мм, так и более 5,0 мм, шириной как менее 1,5 мм, так и более 2,5 мм, толщиной как менее 1,0 мм, так и более 2,5 мм, расположенных на лицевой стороне диэлектрической пластины, симметрично относительно центральной вертикальной оси измерительной камеры, на расстоянии от последней равном как менее, так и более половине сечения продольно горизонтальной плоскости диэлектрического резонатора, под углом как менее 90, так и более 100 градусов друг к другу;
равно как выполнение верхней стенки термостата в виде съемной крышки из двух слоев прозрачного, гибкого материала, каждая толщиной как менее 80 мкм, так и более 120 мкм, параллельно расположенных между собой на расстоянии как менее 4 мм, так и более 6 мм, с разрезами, один из которых - первый выполнен длиной менее длины сечения продольно горизонтальной плоскости термостата, другие - длиной каждый как менее 6 мм, так и более 8 мм и которые равномерно пересекают по всей длине первый с шагом как менее 5 мм, так и более 7 мм;
равно как расположение термостола с наклоном под углом как менее 5, так и более 10 градусов относительно центральной горизонтальной оси измерительной камеры в направлении диэлектрического резонатора и центрирующего элемента не желательно, так как нарушает оптимальные размеры указанных элементов устройства, обеспечивающих технический результат.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 дан общий вид заявленного устройства для измерения температурного коэффициента частоты диэлектрического резонатора, где:
- измерительная камера - 1 с вводом и выводом сигнала СВЧ - 2, 3 соответственно,
- диэлектрическая пластина - 4,
- по меньшей мере, один диэлектрический резонатор - 5, -элементы связи - 6,
измерительный блок СВЧ - 7 (а, б, в, г, д) в составе: генератора, анализатора сигналов, частотомера, вольтметра, термопары соответственно,
термостат - 8,
центрирующий элемент - 9 (а, б) в виде двух одинаковых прямоугольных пластин соответственно,
- нагревательный элемент термостата в виде термостола - 10,
- съемная крышка, представляющая собой два слоя прозрачного, гибкого материала 11 (а, б) соответственно,
- разрезы - 12 в каждом слое съемной крышки,
- рамка - 13 для крепления двух слоев прозрачного, гибкого материала съемной крышки,
пинцет - 1для подачи диэлектрического резонатора.
На фиг. 2 дана его электрическая схема.
Работа устройства.
В термостат 8, на рабочую поверхность термостола 10 размером 80×80 мм располагают измерительную камеру 1 с вводом и выводом сигнала СВЧ 2, 3 соответственно по центру термостола и подлежащие измерению всю партию отдельных диэлектрических резонаторов 5 в количестве 10 штук.
Далее в измерительную камеру 1, в центре лицевой стороны диэлектрической пластины 4 располагают по одному подлежащие измерению диэлектрические резонаторы 5 из партии, расположенной на термостоле 10.
Осуществляют прогон измерения резонансной частоты всех диэлектрических резонаторов 5 поэтапно в двух температурных режимах в одном-едином рабочем цикле и в одной измерительной камере:
на первом этапе - при комнатной температуре, при снятой съемной крышке 11,
на втором этапе - при температуре статирования 60-70°С, при закрытой съемной крышке 11,
при этом подача очередного диэлектрического резонатора 5 выполнено посредством пинцета через разрезы 12 в прозрачных, гибких слоях 11 съемной крышки.
При этом при измерении резонансной частоты каждого из упомянутых диэлектрических резонаторов.
На ввод 2 измерительной камеры 1 подают сигнал СВЧ от генератора измерительного блока СВЧ 7 (а), частотой соответствующей частоте диэлектрического резонатора.
С выхода 3 измерительной камеры 1 сигнал СВЧ поступает на анализатор сигналов 7 (б), одновременно с генератора СВЧ 7 (а) сигнал СВЧ поступает на частотомер 7 (в).
1
1
2
2
Далее синхронно изменяя частоту генератора СВЧ 7 (а) и анализатора сигналов 7 (б), достигают совпадения их частот с частотой диэлектрического резонатора и формирования на экране последнего изображения резонансной кривой диэлектрического резонатора 5, максимум которой (кривой) соответствует его резонансной частоте F при комнатной температуре - Т и F при температуре статирования - Т
Осуществляют расчет температурного коэффициента частоты по формуле:
Примеры конкретного выполнения заявленного устройства для измерения температурного коэффициента частоты диэлектрического резонатора.
Пример 1.
Устройство содержит.
Измерительную камеру 1 цилиндрической формы с внутренним диаметром 16 мм с вводом 2 и выводом 3 сигнала СВЧ, в которой расположены диэлектрическая пластина 4 из материала - кварцевое стекло (С5-1 ГОСТ 15130-86, диэлектрические потери - 0,0002) для расположения на ее лицевой стороне подлежащие измерению всю партию отдельных диэлектрических резонаторов 5 из керамического материала (БЦНТ ТУ 6349-00107622667-00), диаметром 7,0 мм, высотой 3,8 цилиндрической формы в количестве 10 штук,
элементы связи 6 в виде металлической петли из меди (ГОСТ 495-92) последнего с вводом 2 и выводом 3 сигнала СВЧ, при этом упомянутые диэлектрическая пластина 4 и диэлектрический резонатор 5 расположены соосно относительно центральной вертикальной оси измерительной камеры 1.
Измерительный блок СВЧ 7 в составе генератора СВЧ (Е8257Д), анализатора сигналов (9010A), частотомера (5352 В), вольтметра (В7-38), термопары (хромель-капель) (а, б, в, г, д) соответственно, термопара расположена на внешней стороне измерительной камеры 1, при этом элементы измерительной камеры и измерительного блока СВЧ соединены электрически согласно электрической схемы устройства (фиг. 2).
Измерительная камера 1 расположена в термостате 8 с температурой статирования (60-70)°С.
Измерительная камера 1 дополнительно содержит центрирующий элемент 9,выполненный из материала - кварцевое стекло (С5-1 ГОСТ 15130-86, диэлектрические потери - 0,0002, относительная диэлектрическая проницаемость - 3,75), выполненный в виде двух одинаковых прямоугольных пластин длиной 4,0 мм, шириной 2,0 мм, толщиной 1,75 мм, при этом каждая из двух прямоугольных пластин расположена на лицевой стороне диэлектрической пластины 4, симметрично относительно центральной вертикальной оси измерительной камеры 1, на расстоянии от последней равном 3,5 мм (половине размера сечения продольно горизонтальной плоскости диэлектрического резонатора), под углом 95 градусов друг к другу и закреплена посредством эпоксидного клея (ТЭК-1 ТСО.028.040 ТУ).
Нагревательный элемент термостата 8 выполнен в виде термостола 10 (Магистр Ц20-Т-1.8) с размером рабочей поверхности термостола 80×80 мм, обеспечивающей расположение измерительной камеры и 10 упомянутых измеряемых диэлектрических резонаторов.
верхняя стенка термостата выполнена в виде съемной крышки, представляющей собой два слоя 11 прозрачного, гибкого материала из пленки полистирола (ТУ 2214-126-05766801-2003), каждый толщиной 100 мкм, размерами 100×100 мм (соизмеримыми с внешними размерами сечения продольно горизонтальной плоскости термостата),
каждый упомянутый слой имеет горизонтальные разрезы 12, один из которых, первый выполнен сплошным, по середине слоя, параллельно горизонтальной плоскости термостола, соосно относительно центральной вертикальной оси измерительной камеры, длиной 80 мм (соизмеримой с размером внутреннего размера сечения продольно горизонтальной плоскости термостата), другие - длиной каждый 7 мм, расположены перпендикулярно первому и равномерно пересекают последний по всей его длине с шагом 6 мм,
при этом упомянутые слои 11 расположены между собой параллельно, на расстоянии 5 мм и закреплены посредством рамки 13 из материала текстолит конструкционный (ГОСТ 5-78), с внешним и внутренним размерами сечения продольно горизонтальной плоскости 80×80 мм (соизмеримыми с внешним и внутренним размерами сечения продольно горизонтальной плоскости термостата соответственно),
при этом съемная крышка 11 и термостол 10 в термостате 8 расположены на расстоянии 40 мм, обеспечивающим подачу через горизонтальные разрезы 12 в слоях съемной крышки диэлектрического резонатора 5 с термостола 10 в измерительную камеру 1, посредством пинцета из фторопласта-4 (ГОСТ 1007-80).
термостат расположен с наклоном под углом 7,5 градусов относительно центральной горизонтальной оси измерительной камеры 1 в направлении диэлектрического резонатора 5 и центрирующего элемента 9.
Примеры 2-3.
Аналогично примеру 1 выполнено устройство для измерения температурного коэффициента частоты диэлектрического резонатора, но с другими конструкционными параметрами (примеры 2-3).
Посредством заявленного устройства (частных случаев выполнения) был измерен температурный коэффициент частоты образцов диэлектрического резонатора в количестве 10 штук, при этом диэлектрические резонаторы измерены в одном - едином рабочем цикле, в одной измерительной камере без нарушения термостабильности в последней (примеры 1-3).
При этом были определены.
1. Производительность N - количество измеренных образцов диэлектрического резонатора в течение часа (60 мин) по формуле:
, где
n - количество образцов (штук) диэлектрических резонаторов в партии,
t - время измерения партии образцов диэлектрического резонатора.
2. Точность измерения (ТСО.027.004 ТУ).
Аналогично были проведены измерения температурного коэффициента частоты тех же образцов диэлектрических резонаторов в количестве 10 штук, но с использованием устройства прототипа (пример 4).
Данные представлены в таблице. Как видно из таблицы:
1. Производительность составляет примерно тринадцать измерений в час.
2. Точность измерений температурного коэффициента частоты составляет примерно двенадцать процентов (примеры 1-3).
В отличие от измерений температурного коэффициента частоты, проведенных с использованием устройства прототипа, при этом производительность составляет два образца /час, при той же точности измерений (примерно 12 процентов) (пример 4).
Таким образом, заявленное устройство для измерения температурного коэффициента частоты диэлектрического резонатора по сравнению с прототипом обеспечит повышение производительности примерно в 6,5 раза (при измерении 10 образцов), при сохранении точности измерения примерно двенадцать процентов.