КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР-ТЕРМОСТАТ

Данная полезная модель относится к области радиоэлектроники и предназначена для работы в составе термостатированных кварцевых генераторов.
Известны кварцевые резонаторы-термостаты (КРТ), содержащие кварцевую пьезопластину (ПП) с нанесенными на нее пленочными электродами, для возбуждения в ПП толщинно-сдвиговых колебаний, а также систему термостатирования, включающую датчик температуры, усилитель и нагревательный элемент, которая вместе с ПП размещается в вакуумированном корпусе КРТ, обеспечивая точное поддержание температуры ПП при изменении окружающей температуры [Пьезоэлектрические резонаторы. Справочник под ред. П.Е.Кандыбы и П.Г.Позднякова, М., 1992 г., стр.332]. Благодаря размещению системы термостатирования внутри вакуумированного объема КРТ вместе с ПП, достигается низкая потребляемая мощность, малое время разогрева, а также уменьшение размеров термостатированного кварцевого генератора.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является КРТ, содержащий диэлектрическую подложку, на которой размещена система термостатирования, включающая датчик температуры, усилитель, и нагревательные резисторы, а также металлические лепестки, в которых установлена кварцевая пьезопластина с пленочными возбуждающими электродами [I.Abramzon, A.Gubarev, О.Rotova, V.Tapkov, "High stability miniature OCXOs based on advanced IHR technology", Proc. of 2007 IEEE International Frequency Control Symposium, p.242-245]. Кроме того, на диэлектрической подложке установлен металлический экран, создающий вокруг ПП равномерное температурное поле. Диэлектрическая подложка закреплена при помощи клея на теплоизолирующей опоре, представляющей собой кольцо, изготовленное из стекла, которое в двух местах приклеено к основанию вакуумированного корпуса типа ТО-8 (НС-37). КРТ имеет выводы для подключения возбуждающих электродов к внешней схеме автогенератора, а также выводы для подключения схемы терморегулятора к внешнему источнику электрического напряжения. Данный КРТ, благодаря вакуумной теплоизоляции нагретых частей своей конструкции (диэлектрической подложки, ПП и металлического экрана) и низкой теплопроводности теплоизолирующего кольца, имеет низкую потребляемую мощность подогрева. Однако мощность подогрева такого КРТ значительно возрастает при повышенных требованиях к его механической прочности, обуславливающих необходимость увеличения площади поперечного сечения стеклянного кольца или изготовление кольца из металла с низкой теплопроводностью, что приводит к уменьшению теплового сопротивления теплоизолирующей опоры.
Целью предлагаемой полезной модели является снижение потребляемой мощности подогрева КРТ при повышенных требованиях к его механической прочности. Эта цель достигается тем, что в КРТ, в котором кварцевая ПП с нанесенными на нее пленочными возбуждающими электродами через контактные лепестки смонтирована на диэлектрической подложке с размещенной на ней системой термостатирования, которая закреплена на теплоизолирующей опоре, установленной на основании вакуумированного корпуса. Теплоизолирующая опора состоит из опорного кольца, изготовленного из материала с низкой теплопроводностью, закрепленного на краях диэлектрической теплоизолирующей пластины, центральная часть которой закреплена на основании вакуумированного корпуса через прокладку, отделяющую от основания вакуумированного корпуса остальную часть диэлектрической теплоизолирующей пластины. В результате применения в конструкции теплоизолирующей опоры диэлектрической теплоизолирующей пластины тепловое сопротивление теплоизолирующей опоры увеличивается, что обеспечивает в данной полезной модели снижение потребляемой мощности подогрева КРТ по сравнению с прототипом. При повышенных требованиях к механической прочности КРТ опорное кольцо может быть сделано более прочным путем увеличения площади его поперечного сечения или применения для его изготовления металла с низкой теплопроводностью. При этом, благодаря значительному вкладу диэлектрической теплоизолирующей пластины в тепловое сопротивление КРТ, потребляемая мощность подогрева увеличивается незначительно, оставаясь на приемлемом уровне.
Конструкция предлагаемой полезной модели показана на чертеже. Она содержит основание вакуумированного корпуса 1, диэлектрическую теплоизолирующую пластину 2, закрепленную на основании 1 через прокладку 3, опорное кольцо 4, выполненное из материала с низкой теплопроводностью и закрепленное на краях диэлектрической теплоизолирующей пластины 2; диэлектрическую подложку 5, установленную на опорном кольце 4, монтажные лепестки 6, закрепленные на диэлектрической подложке 5, кварцевую ПП 7 с нанесенными на ней пленочными возбуждающими электродами 8, смонтированную в монтажных лепестках 6, систему термостатирования 9 с металлическим экраном 10 или без него, расположенную на диэлектрической подложке 5, крышку 11 герметично соединенную в вакууме с основанием корпуса 1, выводы 12 для подключения возбуждающих электродов 8 к внешней схеме автогенератора, выводы 13 для подключения системы термостатирования 6 к внешнему источнику электрического напряжения.
При подачи электрического напряжения на выводы 13 система термостатирования нагревает диэлектрическую подложку 5 до заданной температуры и поддерживает ее с определенной точностью при изменении окружающей температуры. Нагретая диэлектрическая подложка 5 через монтажные лепестки 6, теплопроводность остаточного газа в вакуумированном объеме и инфракрасное излучение подогревает кварцевую ПП 7 до ее рабочей температуры. При этом нагретые части КРТ теряют энергию в окружающую среду через инфракрасное излучение, теплопроводность остаточного газа в объеме КРТ, но главным образом, через теплопроводность теплоизолирующей опоры, состоящей из опорного кольца 4 и диэлектрической теплоизолирующей пластины 2. Поскольку тепловое сопротивление теплоизолирующей опоры складывается из теплового сопротивления опорного кольца 4 и диэлектрической теплоизолирующей пластины 2, изготовленной из материала с низкой теплопроводностью, например, стекла или ситалла, достигается увеличение теплового сопротивления конструкции КРТ и, как следствие, снижение потребляемой мощности подогрева. При повышенных требованиях к механической прочности КРТ опорное кольцо может быть сделано более прочным путем увеличения площади его поперечного сечения или применения для его изготовления металла с низкой теплопроводностью. При этом потребляемая мощность подогрева КРТ увеличивается не существенно, оставаясь на приемлемом уровне, благодаря значительному вкладу диэлектрической теплоизолирующей пластины в тепловое сопротивление теплоизолирующей опоры.
Предлагаемая полезная модель реализована в серийно выпускаемых КРТ, содержащих вакуумный металлический корпус типа TO-8 (HC-37), на основании которого диэлектрическая теплоизолирующая пластина, изготовленная из ситалла с размерами 12,0×3,0×0,6 мм, приклеена своей центральной частью к основанию корпуса через металлическую прокладку размерами 3,0×3,0 мм и толщиной 0,1 мм. На узких краях диэлектрической теплоизолирующей пластины при помощи эпоксидного клея монтируется опорное кольцо диаметром 12 мм, изготовленное из стекла с сечением 1,0×1,0 мм, а для КРТ с повышенной механической прочностью - из нихромовой ленты шириной 1,0 мм и толщиной 0,12 мм; на верхней части опорного кольца в двух местах закреплена диэлектрическая подложка, на которой расположена система термостатирования, а также установлены монтажные лепестки, в которых при помощи токопроводящего клея смонтирована кварцевая пьезопластина с нанесенными на нее пленочными возбуждающими электродами. КРТ имеет выводы для подключения возбуждающих электродов к внешнему автогенератору, а также выводы для подключения термостата к внешнему источнику электрического напряжения. Объем КРТ откачан до высокого вакуума и герметизирован методом холодной сварки.
В таблице 1 приведены значения потребляемой мощности для полезной модели КРТ со стандартной и повышенной механической прочностью при окружающей температуре 25°С и рабочей температуре внутри КРТ около 85°С. Кроме того в таблице приведены значения потребляемой мощности для КРТ-прототипа, теплоизолирующая опора в котором содержит только опорное кольцо, изготовленное из стекла с сечением 1,0×1,0 мм или при повышенной механической прочности КРТ - из нихрома с сечением 1,0×0,12 мм.
Таблица 1.
Тип КРТ
Потребляемая мощность при 25°С
Механическая прочность к удару
Прототип с опорным кольцом из стекла
60 мВт
Полезная модель с опорным кольцом из стекла
40 мВт
150 g
Прототип с опорным кольцом из нихрома
120 мВт
Полезная модель с опорным кольцом из нихрома
60 мВт
250 g
Как видно из приведенных в таблице 1 данных, потребляемая мощность при стандартных требованиях к механической прочности КРТ у полезной модели в 1,5 раза ниже, чем у прототипа, а при повышенных требованиях к механической прочности - почти в 2 раза ниже, чем у прототипа.