Генератор

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в качестве генераторов опорных частот, высокочастотных источников стабильных колебаний, частотно-модулированных генераторов, высокочастотных генераторов, управляемых напряжением, высокочастотных тактовых генераторов.
Генераторы опорных частот являются неотъемлемой частью приемо-передающих блоков многих радиотехнических систем. Низкий уровень фазовых шумов, обеспечиваемый этими генераторами, делает возможным их применение в системах связи, радиолокации, радионавигации, телеметрии, а также в измерительных и многих других систем.
В настоящее время ведущие изготовители генераторов работают в направлении улучшения их характеристик, таких, как обеспечение работы в широком диапазоне температур окружающей среды, сокращение времени выхода на режим – установление номинальной частоты, повышение стойкости к воздействующим вибрациям и акустическим шумам.
Известны различные конструкции генераторов, описанные в следующих информационных источниках:
в патенте RU на изобретение №2480891,
в патенте RU на полезную модель №104798,
в патенте RU на полезную модель №144346,
в патенте US на изобретение №4011526,
в патентной заявке US на изобретение № 2007/0096839.
Известна конструкция генератора, описанная в патентной заявке на изобретение JP2006074096. Данное устройство имеет функцию температурной компенсации. Генератор включает керамический корпус, в котором размещены интегральная схема с элементом на поверхностных акустических волнах (ПАВ), блок коррекции частоты колебаний, схемы преобразования частоты и напряжения.
Известна также конструкция ПАВ-генератора, описанная в патентной заявке на изобретение JP2000114873. ПАВ-генератор включает помещенные в корпус ПАВ-резонатор, датчик определения температуры ПАВ-резонатора, блок температурной компенсации и схему постоянного напряжения. Рабочий диапазон температур устройства от -20ºС до +60 ºС.
Однако в описанных выше аналогах не обеспечивается достаточная температурная стабильность частоты в широком интервале рабочих температур и защита от термоударов (быстрых изменений температуры), приводящих к значительному градиенту температуры на поверхности генератора.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является генератор, описанный в патенте США на изобретение №7466210. Генератор имеет основание с контактными и соединительными площадками, крышку, функциональную схему генератора и ПАВ-резонатор, установленный на верхней поверхности основания. В качестве основания – печатная плата из нескольких диэлектрических и металлических слоев с плакированными сквозными отверстиями. На торцевой поверхности основания расположены зубчатые элементы, обеспечивающие электрическое соединение.
Недостатком наиболее близкого аналога является подверженность воздействию на конструкцию в процессе ее работы упругих деформаций со стороны корпуса, что в свою очередь влечет деградацию фазовых шумов при внешних механических воздействиях.
Задачей заявляемой полезной модели является обеспечение равномерности теплового поля в термостатируемом объеме при снижении воздействия широкополосных случайных вибраций.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что в металлическом корпусе генератора размещена и зафиксирована крепежными элементами, размещенными по ее периметру на равном расстоянии друг от друга, основная плата круглой формы, имеющая в центре вырез в виде квадрата со скошенными углами для фиксации крепежными элементами на основной плате термостатированного узла формирования СВЧ сигнала, выполненного на металлическом основании, с одной стороны которого расположена плата формирования СВЧ сигнала, а с другой – керамическая подложка и ПАВ-резонатор, закрытый сверху дополнительно металлической крышкой с размещенными на ней нагревательными элементами термостата.
Заявляется также полезная модель, в которой наряду с вышеописанными признаками в качестве нагревательных элементов термостата использованы полевые транзисторы.
Технический результат заявляемого технического решения заключается в следующем.
Основная плата к металлическому корпусу крепится в точках, разнесенных друг относительно друга на равные расстояния, для снижения возможного числа степеней свободны при воздействии на генератор широкополосных случайных вибраций и ударных воздействий. Прилегание основной платы к металлическому корпусу осуществляется только в местах крепления, благодаря особой внутренней форме металлического корпуса, что обеспечивает тепловую развязку между ним и основной платой, благодаря чему снижаются тепловые потери из-за теплопроводности между термостатированным узлом формирования СВЧ сигнала и металлическим корпусом генератора. Более того, такая форма корпуса позволяет максимально эффективно использовать поверхность круглой основной платы для двухстороннего расположения на ней различных радиоэлементов.
Особенностью внутреннего устройства данного генератора также является закрепление и расположение термостатированного узла формирования СВЧ сигнала в вырезе в центре основной платы. Благодаря такому расположению и закреплению, а также высокой механической жёсткости узла удаётся добиться максимальной равномерности передаваемых на ПАВ-резонатор упругих деформаций со всех сторон, при воздействии на генератор различного рода вибраций и ударов. Кроме того достигается максимальная равномерность теплового поля в термостатируемом объёме, ограниченным ПАВ-резонатором, платой формирования СВЧ сигнала и крышкой, за счёт расположения узла формирования СВЧ сигнала в геометрическом центре генератора. Минимизация тепловых потерь термостатируемого объёма достигается также благодаря низкому коэффициенту планарной теплопроводности основной платы, на которой расположен узел формирования СВЧ сигнала.
Выполнение термостатированного узла формирования СВЧ сигнала на металлическом основании, с одной стороны которого расположена плата формирования СВЧ сигнала, а с другой стороны керамическая подложка позволяет снизить возможные деформации при воздействии на генератор внешних вибраций и ударов. Закрепление ПАВ-резонатора по технологии  «upside down» (приклеен к металлическому основанию крышкой, а не звукопроводом) значительно снижает чувствительность к воздействующим вибрациям. Кроме того сверху ПАВ-резонатор закрыт крышкой, на которой расположены нагревательные элементы, такие как мощные греющие полевые транзисторы, обеспечивающие нагрев до необходимой температуры термостатирования, определяемой кристаллографическим срезом пьезоэлектрика, используемым при изготовлении ПАВ-резонатора.
Выбор в пользу полевых транзисторов был сделан в связи с их большим запасом по тепловой мощности в корпусе малых размеров, что обеспечивает большие возможности по регулированию стартовой мощности термостатирования и высокую надежность.
Полезная модель поясняется с помощью Фиг., на которой изображен заявляемый генератор и позициями 1-16 обозначены:
1 – основание металлического корпуса,
2 – основная плата,
3 – крепежный элемент для фиксации платы 2,
4 – термостатированный узел формирования СВЧ сигнала,
5 – крепежный элемент для фиксации узла 4,
6 – металлическое основание,
7 – плата формирования СВЧ сигнала,
8 – керамическая подложка,
9 – звукопровод ПАВ-резонатора,
10 – крышка звукопровода ПАВ-резонатора,
11 – металлическая крышка,
12 – нагревательный элемент,
13 – теплоизоляционная крышка,
14 – уплотнительное кольцо,
15 – крышка металлического корпуса,
16 – заглушка.
Внутри металлического корпуса, состоящего  из основания 1 и крышки 15, располагается несколько стеклотекстолитовых и керамических (поликоровых) плат, на которых размещены схемы формирования малошумящего СВЧ сигнала, его преобразования и усиления, а также схемы стабилизаторов напряжения и схемы управления термостатами. Основная плата 2 – стеклотекстолитовая плата толщиной, как правило, не менее 2-х миллиметров, имеет круглую форму с вырезом в середине в виде квадрата со скошенными углами для закрепления с помощью крепежных элементов 3 непосредственно термостатированного узла формирования СВЧ сигнала 4, включающий ПАВ-резонатор, фазовращатель, делитель мощности, электронный фильтр и усилитель. Крепежные элементы 3 размещены по периметру основной платы 2 на равном расстоянии друг от друга. Узел формирования СВЧ сигнала 4 выполнен на металлическом основании 6 и зафиксирован на основной плате 2 крепежными элементами 5. С одной стороны основания расположена плата формирования СВЧ сигнала 7, а с другой – керамическая подложка 8 и звукопровод ПАВ-резонатора 9 с крышкой 10, образующие ПАВ-резонатор. Последний закрыт дополнительно металлической крышкой 11, с размещенными на ней нагревательными элементами 12, например, в виде полевых или биполярных транзисторов. Сверху на металлическую крышку 11 надета теплоизоляционная крышка 13 для минимизации тепловых потерь термостатируемого объёма.
В основании металлического корпуса 1 есть паз, в который укладывается уплотнительное кольцо 14, например, из силикона. Конструкция закрывается крышкой металлического корпуса 15, благодаря чему обеспечивается герметичность. В крышке 15 предусмотрено отверстие с заглушкой 16 для откачки воздуха из изделия для обеспечения вакуума внутри, что так же снижает потери тепла от термостата за счёт отсутствия теплопроводности газа внутри изделия и гарантирует отсутствие образования росы и инея при эксплуатации в условиях отрицательных внешних температур.
Генератор работает следующим образом.
При включении генератора тепловой поток от нагревательных элементов 12 распространяется до платы формирования СВЧ сигнала 7 и ПАВ-резонатора. Благодаря высокой теплопроводности металлической крышки 11 и металлического основания 6 обеспечивается равномерный прогрев платы 7 с минимальными потерями энергии. Кроме того, равномерный прогрев конструкции обеспечивает высокую точность стабилизации температуры. При этом обеспечивается разогрев ПАВ-резонатора равномерно по его объёму, что значительно снижает время выхода на режим. В дальнейшем ток нагревательных элементов 12 начинает снижаться в соответствии с достижением заданной температуры и стабилизируется при достижении теплового равновесия генератора в целом. Высокая теплоемкость и большой запас по мощности нагревательных элементов 12 позволяет минимизировать влияние тепловых ударов.
Заявляемая конструкция генератора изготовлена и опробована на предприятии в качестве опытного образца. В ходе испытаний опытного образца генератора при изменении внешней температуры в течение нескольких секунд от +70ºС до -60ºС не наблюдалось скачков частоты генерируемого СВЧ сигнала, а чувствительность к механическим воздействиям (g-чувствительность) снижена в несколько раз по сравнению с известными аналогами.