Генератор с динамическим разогревом термостата ПАВ-резонатора
GENERATOR WITH DYNAMIC HEATING OF SAW RESONATOR THERMOSTAT

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при создании высокочастотных генераторов на поверхностно-акустических волнах (ПАВ) для улучшения их температурной стабильности частоты и уменьшения времени выхода на рабочий режим.
Известен генератор, описанный в патентном документе Японии JPH 0897636. Генератор включает преобразователь постоянного напряжения, колебательный контур, содержащий элемент на основе ПАВ, пьезоэлектрический элемент и периферийную плату, блок определения температуры и блок управления напряжением. Элемент на основе ПАВ расположен на пьезоэлектрическом элементе. При подаче низкого напряжения на генератор с температурной компенсацией от низковольтного источника питания, колебательный контур колеблется с резонансной частотой характерной для элемента на основе ПАВ. Преобразователь постоянного напряжения определяет температуру окружающей среды с помощью термистора, являющегося частью блока определения температуры, повышает напряжение, подаваемое от низковольтного источника питания, и выводит его на пьезоэлектрический элемент. Поскольку пьезоэлектрический элемент расширяется и сжимается в соответствии с величиной напряжения, получаемого от преобразователя, расстояние между электродами встречно-штыревого преобразователя, связанных с пьезоэлектрическим элементом, также изменяется. Соответственно изменяется частота колебаний. Таким образом, осуществляется управление частотой колебаний посредством напряжения, соответствующего температуре.
Известен также ПАВ-генератор, описанный в патенте на изобретение JPH 09298420. ПАВ-генератор состоит из ПАВ-резонатора, схемы преобразования резонансной частоты в напряжение и схемы температурной компенсации с датчиком определения температуры. Управление генератором осуществляется путем определения температуры самого ПАВ-резонатора, температурная компенсация для подавления колебаний выходной частоты обеспечивается даже при внезапном изменении температуры.
Однако в описанных выше конструкциях генераторов диапазона перестройки может не хватать для компенсации температурных уходов частоты в широком диапазоне температур, которые могут быть значительно больше обеспечиваемой перестройки. Кроме того, температурная зависимость частоты ПАВ-генератора носит сильно нелинейный характер, что значительно усложняет схемное решение компенсации.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является конструкция модуля ПАВ-генератора, описанная в патентной заявке KR на изобретение №20010076621. ПАВ-генератор включает в себя керамическую подложку, с размещенными на ней матрицей пассивных элементов и переключателем, ПАВ-резонатор на керамической подложке со схемой термокомпенсации, микросхему с реализацией функций 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.
Задачей заявляемого изобретения является обеспечение температурной стабильности частоты формируемого СВЧ сигнала при сокращении времени выхода на рабочий режим и повышении устойчивости к тепловым ударам.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что генератор с динамическим разогревом термостата ПАВ-резонатора включает: узел формирования и управления СВЧ сигналом, состоящий из расположенного на керамической подложке ПАВ-резонатора с крышкой и звукопроводом, усилителя и буферного каскада; внешний термостат, состоящий из металлического корпуса с размещенными на нем нагревателями, датчика температуры и блока управления; внутренний термостат, включающий управляемый тонкопленочный нагреватель, основной и дополнительный датчики температуры и блок управления, при этом дополнительный датчик температуры внутреннего термостата размещен на металлическом корпусе внешнего термостата.
Управляемый тонкопленочный нагреватель внутреннего термостата может быть выполнен из титана, а в качестве нагревателей внешнего термостата могут быть использованы полевые транзисторы.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в следующем.
Обеспечить температурную стабильность частоты формируемого СВЧ сигнала, сокращение времени выхода на рабочий режим и стойкости к тепловым ударом удалось благодаря применению двойной системы термостатирования, представленной внешним и внутренним термостатом. Внутренний термостат, выполненный миниатюрным и прецизионным за счет использования в его составе управляемого тонкопленочного нагревателя, нанесенного на обратную поверхность звукопровода ПАВ-резонатора, и внешний термостат, в виде металлического корпуса с размещенными на нем нагревательными элементами, расположенный вокруг замкнутого термостатируемого объёма, включающего в себя ПАВ-резонатор с управляемым тонкопленочным нагревателем, схемой управления тонкопленочным нагревателем и усилителем.
Введение в заявляемую конструкцию дополнительного датчика температуры внутреннего термостата и размещение его на металлическом корпусе внешнего термостата позволяет при неизменном значении потребляемой устройством мощности сократить время выхода на рабочий режим, а при фиксированном времени выхода на режим снизить потребляемую устройством мощность.
Заявляемое техническое решение поясняется с помощью Фиг., на которой изображена схема построения генератора с динамическим разогревом термостата ПАВ-резонатора и позициями 1-12 обозначены:
1 – ПАВ-резонатор,
2 – управляемый тонкопленочный нагреватель,
3 – основной датчик температуры внутреннего термостата,
4 – схема управления тонкопленочным нагревателем,
5 – блок управления внутренним термостатом,
6 – металлический корпус внешнего термостата,
7 – нагреватели внешнего термостата,
8 – датчик температуры внешнего термостата,
9 – блок управления внешним термостатом,
10 – усилитель,
11 – буферный каскад,
12 – дополнительный датчик температуры внутреннего термостата,
вых
U – выходное СВЧ напряжение генератора.
На металлическом основании, выполненном, например, из дюрали, расположен узел формирования и управления СВЧ сигналом. На основании сформирована керамическая подложка, повторяющая форму металлического основания, на которой размещен ПАВ-резонатор 1 с крышкой и звукопроводом. На обратной поверхности звукопровода расположен управляемый тонкоплёночный нагреватель 2 внутреннего термостата. К поверхности управляемого тонкоплёночного нагревателя 2 приклеен основной датчик температуры 3, например, в виде терморезистора. Управляемый тонкоплёночный нагреватель 2 может быть выполнен из титана. На поверхности керамической подложки по ее краям размещена также схема управления 4 нагревателем 2, включающая транзисторы. Работа внутреннего термостата регулируется блоком управления 5 в зависимости от заданного температурного режима. Внешний термостат имеет симметричный металлический корпус 6, выполненный преимущественно из дюрали, в который помещен узел формирования и управления СВЧ сигналом и основные элементы внутреннего термостата. На металлическом корпусе 6 расположены нагреватели 7, например, в виде полевых транзисторов, имеющих стандартный корпус КТ-89, D-pak или аналогичный с массивным теплоотводящим электродом. Кроме того, на металлическом корпусе 6 расположен датчик температуры 8, который соединен с блоком управления внешним термостатом. Рабочие температуры термостатов выбираются с разницей в 5-7 градусов. При этом температура термостатирования выбирается на 10-15 градусов выше, чем максимально возможная рабочая температура окружающей среды для данного генератора с целью исключения перегрева за счёт внутреннего статического нагрева остальных узлов конструкции: усилитель 10, буферный каскад 11. Дополнительный датчик температуры 12 внутреннего термостата размещен на металлическом корпусе 6 внешнего термостата.
При включении заявляемого генератора тепловой поток от внешнего термостата распространяется по узлу формирования и управления СВЧ сигналом. Благодаря высокой теплопроводности металлического корпуса внешнего термостата 6 обеспечивается равномерный прогрев с минимальными потерями энергии. Кроме того, равномерный прогрев конструкции обеспечивает высокую точность стабилизации температуры. Одновременно начинает работать внутренний термостат с обеспечением разогрева ПАВ-резонатора 1, что значительно снижает время выхода на рабочий режим. К тому моменту, когда тепловой поток от внешнего термостата достигает внутреннего, он уже прогрет до рабочей температуры. В дальнейшем ток внутреннего термостата начинает снижаться в соответствии с ростом температуры внешнего термостата и в итоге стабилизируется при достижении теплового равновесия системы генератора. Кроме того, благодаря большой теплоемкости металлического корпуса внешнего термостата 6 и большого запаса мощности нагревательных элементов внешнего термостата 7, а также внутреннему термостату с меньшей теплоемкостью, чувствительному к малейшим колебаниям температуры, конструкция нечувствительна к тепловым ударам, и значительно улучшает температурную стабильность частоты.
Следует отметить, что при включении управляемого тонкопленочного нагревателя 2 вследствие возникновения градиента температур по объему ПАВ-резонатора 1 происходит скачок частоты вверх, пропорциональный стартовому току нагревателя 2.
Изначально температура металлического корпуса внешнего термостата 6 с расположенным на нем дополнительным датчиком температуры внутреннего термостата 12 равна температуре окружающей среды. При возрастании температуры среды выше определенного значения и, соответственно, уменьшении разницы между стартовой и рабочей частотой генератора, дополнительный датчик температуры внутреннего термостата 12 информирует об этом блок управления внутренним термостатом 5, который в свою очередь ограничивает максимальный стартовый ток управляемого тонкопленочного нагревателя 2 обратно пропорционально температуре окружающей среды посредством воздействия на схему управления тонкопленочным нагревателем 4. Величина ограничения стартового тока управляемого тонкопленочного нагревателя 2 выбрана таким образом, чтобы в процессе выхода на рабочий режим генератора величина скачка частоты формируемого сигнала не выходила за пределы диапазона перестройки, а время выхода на рабочий режим оставалось минимальным.
При снижении температуры окружающей среды до минимальной рабочей, блок управления внутренним термостатом 5, опираясь на показания дополнительного датчика температуры внутреннего термостата 12, увеличивает стартовый ток управляемого тонкопленочного нагревателя 2, вследствие чего величина стартового тока достигает пикового значения, допустимого для данного нагревателя. В этом случае разница стартовой и рабочей частоты достигает большой величины и температурная деформация, приводящая к скачкообразному изменению частоты вверх формируемого сигнала, значительно ускоряет процесс выхода на рабочий режим.
В процессе нагрева по мере приближении температуры термостатируемого объёма, измеряемой дополнительным датчиком температуры внутреннего термостата 12 к пороговому значению, блок управления внутренним термостатом 5 посредствам воздействия на схему управления тонкопленочным нагревателем 4 плавно ограничивает стартовый ток управляемого тонкопленочного нагревателя 2 от пикового значения до минимального, а дальнейшее регулирование и стабилизация температуры внутреннего термостата осуществляется блоком управления внутренним термостатом 5 на основании данных, получаемых от датчика температуры внутреннего термостата 3.
Такой подход позволяет сократить время выхода на рабочий режим используя эффект скачкообразного изменения частоты формируемого сигнала генератора вследствие температурных деформаций ПАВ-резонатора и исключить влияние данных деформаций в установившемся режиме на стабильность частоты и спектральную плотность мощности частотных флуктуаций формируемого сигнала.
Заявляемая конструкция генератора с динамическим разогревом термостата ПАВ-резонатора изготовлена и опробована на предприятии в качестве опытного образца. В ходе испытаний опытного образца при изменении внешней температуры в течение нескольких секунд от +70ºС до минус 60ºС не наблюдалось скачков частоты генерируемого СВЧ сигнала, температурная стабильность характеризовалась значениями 0,5…1 ppm, а время выхода на рабочий режим составило ~ 120 секунд при температуре окружающей среды -60ºС, что является приоритетным показателем в сравнении с известными отечественными и зарубежными аналогами.