Исследование кварцевых резонаторов тд среза с улучшенной моночастотностью

оказывают влияние на энергетическим спектр автогенераторной системы сканирования поверхности (рис. 9—10). Эту информацию возможно применять для достаточно точной оценки любых геометрических и физико-механических неровностей поверхности деталей.

4. Перспективы использования автогенераторного метода оценки качества поверхности связаны с проведением сравнительных исследований с другими подобными системами.

Библиографический список

1. Проблемы надежности и ресурса в машиностроении / Под ред. К. В. Фролова. - М. : Наука, 1986. - 248 с.

2. Контроль, прогнозирование и повышение надежности работы газовых промыслов и подземных газохранилищ /

B. И. Бирюков, В. Н. Виноградов [и др.]. — М. : ВНИИЭгаз-пром, 1984. — 46 с. — (Обзор. информ. Сер. Транспорт и хранение газа, вып. 4).

3. ГОСТ 9378-93. Образцы шероховатости поверхности (сравнение). — Взамен ГОСТ 9378-75 ; введ. 1997 — 01—01.01. — М. : Изд-во стандартов ИПК, 1996. — 12 с.

4. Кобенко, В. Ю. Определение качества поверхности бумаги методом фрактального анализа / В. Ю. Кобенко,

C. З. Ихлазов, А. В. Голунов // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2011. — № 3 (103). — С. 330 — 335.

5. ГОСТ 9847-79. Приборы оптические для измерения параметров шероховатости поверхности. Типы и основные параметры. — Введ. 1981—01—01. — М. : Изд-во стандартов ИПК, 1979. — 8 с.

6. Назаров, Ю. Ф. Методы исследования и контроля шероховатости поверхности металлов и сплавов / Ю. Ф. Назаров,

А. М. Шкилько, В. В. Тихоненко, И. В. Компанеец // Физическая инженерия поверхности. — 2007. — №3-4. — С. 207 — 216.

7. J. F. Song and T. V. Vorburger, Stylus profiling at high resolution and low force, Applied Optics, Vol. 30, Issue 1, pp. 42-50 (1991).

8. Мальков, О. В. Измерение параметров шероховатости поверхности детали / О. В. Мальков, А. В. Литвиненко. — М. : Изд-во МГТУ им. Баумана, 2012. — С. 42 — 58.

9. Пат. 1566629 Российская Федерация, МПК G01B 7/00. Устройство для измерения шероховатости электропроводных изделий / Греков К. С., Долганев Ю. Г. ; заявитель и патентообладатель Греков К. С., Долганев Ю. Г. — № 2015118952/28 ; заявл. 20.05.2015 : опубл. 10.11.2015, Бюл. № 31. — 1 с.

10. А. с. 781557 СССР, МКИ G01B7/34. Устройство для измерения шероховатости электропроводных изделий / Ю. Г. Долганев, В. Н. Кулагин. — № 2707828/25-28 ; за-явл.05.01.79 ; опубл. 23.11.80.

11. Глава 1. Основные виды анализа и методика их применения [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://cmpo. vlsu.ru/reason/wp8/ADS_RUS/Chapter1_Section5_Theory.htm (дата обращения: 06.04.2014).

ГРЕКОВ Константин Сергеевич, аспирант кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики» (РТУ и СД).

Адрес для переписки: stanleyipkiss87@gmail.com ДОЛГАНЕВ Юрий Григорьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры РТУ и СД. Адрес для переписки: dolganev47@mail.ru КОСЫХ Анатолий Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой РТУ и СД, ректор.

Статья поступила в редакцию 08.12.2015 г. © К. С. Греков, Ю. Г. Долганев, А. В. Косых

УДК 621.372.412

А. О. ЛОЖНИКОВ

Омский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ ТД СРЕЗА С УЛУЧШЕННОЙ МОНОЧАСТОТНОСТЬЮ

Показано, что модифицированная конструкция пьезоэлемента кварцевого резонатора ТД среза позволяет ослабить не только температурную моду, но и ангармонические колебания основной и температурной мод, что позволяет создавать схемы автогенератора повышенной надежности без опасности возбуждения неосновного колебания. Исследования проведены в широком интервале рабочих температур и диапазоне частот.

Ключевые слова: ТД срез, мода B, мода С, кварцевый резонатор, двухпово-ротный срез, моночастотность.

Кварцевые генераторы широко используются в качестве вторичных эталонов частоты в различных радиотехнических устройствах и системах. В случаях, когда требуется стабильность частоты генератора лучше, чем Ы0-8, используют кварцевые резонаторы двухповоротных срезов, в частности,

резонаторы ТД среза. Эти резонаторы имеют ряд преимуществ перед резонаторами одноповоротных срезов (АТ, ВТ), например, малую чувствительность к вибрациям и скачкам температуры. Однако у этих резонаторов при стандартной конструкции пьезоэлемента, когда два одинаковых электрода

Рис. 1. Конструкции № 1

Рис. 2. Конструкция № 2: поверхностная плотность поляризационного тока мод C

расположены один над другим, есть недостаток — активное сопротивление температурной В-моды меньше сопротивления основной С-моды колебаний. Это приводит к тому, что при обычном включении данного резонатора в цепь автогенератора последний, как правило, возбуждается на частоте моды В. Для устранения данной проблемы схемы возбуждения генераторов необходимо усложнять, например, вводить частотно-избирательные цепи, обеспечивающие повышение коэффициента регенерации схемы на частоте основной моды и снижение ее на частоте температурной моды. Поскольку в резонаторах SC-среза частота В-моды выше частоты моды С примерно на 10 %, избирательность этих цепей должна быть довольно высока (эквивалентная добротность должна быть не менее 10). В силу малой температурной стабильности этих цепей появляются дополнительные компоненты общей нестабильности частоты, а также возрастает уровень шумов.

В этой связи актуальной является задача улучшения моночастотности кварцевых резонаторов, то есть ослабление побочных колебаний непосредственно в самом резонаторе, путем изменения конструкции электродов. В резонаторах SC-среза появляется возможность ослабления наиболее активной температурной моды вследствие того, что у них велики значения пьезоэлектрических коэффициентов e21, e23 и e25. Это приводит к тому, что при сильной локализации колебаний появляются дополнительные компоненты поляризации, в результате чего максимумы распределения плотности поверхностного тока получаются сдвинутыми относительно центра, причем для мод В и С эти сдвиги происходят в разных направлениях. Несмотря

на то что упоминания об этом эффекте присутствует в патенте [1] и работах [2, 3], до сих пор в серийных генераторах применяются схемные решения для возбуждения генератора на основной моде.

Целью данной работы является исследование и сопоставление активности рабочих и побочных мод колебаний двух пьезоэлементов, отличающихся конструкцией электродов: в пьезоэлементе стандартной конструкции (конструкция № 1, рис. 1а) и в пьезоэлементе со смещенными электродами (конструкция № 2, рис. 1б). На рис. 2 приведены результаты расчета [2] поверхностной плотности поляризационного тока резонатора для мод C и B для графического пояснения причин увеличения сопротивления В-моды для второй конструкции электродов.

Для исследований были использованы одинаковые кристаллические элементы с различными электродными конструкциями. Кристаллический элемент представлял собой прямоугольную плосковыпуклую линзу ТД-среза с радиусом кривизны 300 мм с частотой 10 МГц, изготовленную из искусственного кварца и работающую на 3-й механической гармонике. Длинная сторона пьезоэлемен-та направлена вдоль оси X', короткая — вдоль оси Z'. Пластина имеет размеры 10х7 мм. Серебряные электроды толщиной 1000 ангстрем напылялись на поверхность термическим методом через различные маски. Пьезоэлементы крепились токопроводя-щим клеем по четырем углам к никелевым держателям. Затем вся конструкция ваккумировалась.

Все результаты измерений амплитудно-частотных характеристик, сопротивлений и частот в интервале температур получены с помощью установки измерения резонаторов Saunders 250B. При этом

б

Рис. 3. Зависимость сопротивлений моды B от температуры для двух исследуемых конструкций

Рис. 4. Зависимость сопротивлений моды С от температуры для двух исследуемых конструкций

Рис. 5. Температурно-частотные характеристики мод С и В двух исследуемых конструкций

Рис. 6. Спектр колебаний (моды А, В, С первая гармоника) резонаторов двух исследуемых конструкций

контактное устройство с резонатором помещалось в камеру тепла и холода Б8рес.

В первом эксперименте были измерены сопротивления и частоты мод В и С двух конструкций в интервале температур от —60 до +80 0С (рис. 3 — 5).

На графике (рис. 3) видно, что сопротивление температурной В-моды в области рабочей температуры (72 — 80 0С — область экстремума ТЧХ) резонатора стандартной конструкции № 1 существенно (не менее чем в 6 раз) меньше, чем у модифицированной конструкции № 2. Одновременно с этим сопротивление рабочей моды С (рис. 4) резонатора стандартной конструкции № 1 на 40 % меньше, чем у модифицированной конструкции № 2. Ранее

в работе [2] были приведены результаты экспериментов, в которых сопротивление рабочей моды в конструкциях № 1 и № 2 были одинаковыми. Однако в той работе использовался нестандартный держатель резонатора, осуществляющий только электрический контакт в 2-х углах и пьезоэлемент не был приклеен. В данном эксперименте была использована конструкция серийного резонатора. Резонаторы крепились токопроводящим клеем по углам в четырех точках, что, вероятно, и привело к увеличению сопротивлений мод В и С. При этом отношение сопротивлений мод В и С для двух конструкций оказалось схожим с представленным ранее в работе [3], что подтверждает правильность приведенной там методики расчетов.

А, дБ -15

-20 -25 -30 -35 -40 -45 -50 -55

: №1

- №2

:

в 320

; вз 02

: В311 1

- —

Б, Гц

Рис. 7. Спектр колебаний в области рабочей моды С резонаторов двух конструкций

Рис. 8. Спектр колебаний в области побочной моды В резонаторов двух конструкций

Рис. 9. Рассчитанный спектр ангармонических колебаний [4] в области рабочей моды С

На рис. 5 приведены температурно-частотные характеристики мод В и С резонаторов двух конструкций. Для наглядности и удобства сравнения результаты измерений переведены в относительные единицы — миллионные доли (ррт) относительно соответствующих частот при температуре экстремума основной моды. Из рис. 5 видно, что температурно-частотные характеристики конструкций № 1, № 2 практически совпадают.

Далее был исследован спектр колебаний двух конструкций резонаторов в диапазоне частот от 3 до 11,1 МГц при температуре экстремума ТЧХ ( + 75 °С). В этом диапазоне частот наблюдаются колебания мод А, В и С первой гармоники и ангармонические колебания мод С и В третьей гармоники. В остальном частотном диапазоне (от 1 до 250 МГц) заметные колебания обнаружены не были. Результаты измерений представлены на рис. 6 — 8.

На рис. 6 видно, что в диапазоне частот ниже 10 МГц резонаторы имеют практически одинаковые частоты всех трех мод для первой гармоники, причем сопротивления мод В и С отличаются незна-

чительно. Для моды А заметно различие сопротивлений, причем в модифицированной конструкции эта мода менее активна. Что касается ангармонических колебаний мод С (рис. 7) и В (рис. 8), здесь заметны отличия в частотах мод и их сопротивлениях. Для более точной оценки ангармонических колебаний были проведены эксперименты по измерению частот и сопротивлений мод колебаний двух конструкций. Результаты измерений сопротивления и частоты пяти наиболее активных мод колебаний двух конструкций приведены в табл. 1. Из табл. 1 видно, что ангармонические моды колебаний резонатора конструкции № 2 имеют сопротивления, превышающие более чем в 2 раза соответствующие сопротивления мод стандартной конструкции № 1. Например, наиболее активная в стандартной конструкции № 1 ангармоника С-моды (мода С302) в конструкции № 2 имеет существенно меньший уровень (относительное сопротивление увеличилось более чем в 7 раз). Улучшение моночастотности можно объяснить, если наложить электроды конструкции № 2 на результаты расчетов

Таблица 1

Результаты измерений сопротивлений пяти наиболее активных колебаний

Конструкция Колебание Параметр Отношение ^С300

Частота, МГц Сопротивление, Ом

№1 C300, основное 9,999956 88 1

№1 C C320 10,133911 243 2,8

№1 B300 10,893310 63 0,7

№1 B302 10,984757 174 2,0

№1 B320 11,023300 336 3,8

№2 С300, основное 9,999854 127 1

№2 C C302 10,113581 690 5,4

№2 C C320 10,123106 2600 20,5

№2 B300 10,892280 355 2,8

№2 B302 11,020790 750 5,9

поверхностной плотности поляризационного тока из работы [4] (рис. 9). На рис. 9 видно, что модифицированная конструкция № 2 еще больше ухудшает условия возбуждения ангармонических колебаний по сравнению со стандартной конструкцией из-за меньшей площади электрода и смещения его центра относительно центра пьезоэлемента, что и подтверждается результатами измерений.

В результате экспериментальных исследований показано, что резонаторы модифицированной конструкции № 2 обладают лучшей моночастотностью по сравнению со стандартной конструкцией, все ангармонические колебания и побочная мода имеют сопротивления, более чем в 2,8 раза превышающие сопротивления рабочей моды. Таким образом, резонаторы данной конструкции могут быть применены в схемах кварцевых генераторов без введения дополнительных частотнозависимых элементов для фильтрации побочных колебаний, что позволяет более просто настроить схему возбуждения для достижения необходимых параметров. Подавление побочных колебаний непосредственно в конструкции резонатора резко увеличивает надежность схемы и исключает возможность возбуждения генератора на частоте, отличной от основной. Несмотря на увеличение сопротивления рабочей моды С в конструкции № 2 на 40 %, применение резонаторов данной конструкции возможно во всех случаях, за исключением тех, когда необходим уровень фазовых шумов генератора лучше, чем минус 100 дБн/Гц при отстройке 1 Гц.

В дальнейшем необходимо решить вопрос уменьшения сопротивления рабочей моды С конструкции № 2 до значений, близких к значениям стандартной конструкции, что позволит полностью отказаться от стандартной конструкции и достичь

лучшей совокупности параметров генератора, а также проверить данную конструкцию в составе генератора, чтобы количественно оценить улучшения температурной нестабильности и других параметров генератора.

Библиографический список

1. Пат. 2276455 Российская Федерация, МПК Н03Н9/54. Кварцевый резонатор / Безматерных Г. В., Дикиджи А. Н., Теренько В. С. ; заявитель и патентообладатель федеральное государственное унитарное предприятие «Омский научно-исследовательский институт приборостроения». — № 2004128125/09 ; заявл. 21.09.2004 ; опубл. 10.05.2006, Бюл. № 13. - 4 с.

2. Ложников, А. О. Исследование возможности подавления моды B в пьезоэлементах кварцевых резонаторов ТД среза / А. О. Ложников, А. Н. Лепетаев // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2015. — № 2 (140). — С. 195 — 198.

3. Lepetaev A. N., Kosykh A. V., Investigation of optimal electrode structure of SC-cut resonators, Proceedings, 2013 IEEE International Frequency Control Symp. Prague, Chech Rep. Jule, 2013, pp. 146—149.

4. Ложников, А. О. Расчет спектра колебаний кварцевого резонатора двухповоротного среза / А. О. Ложников, А. Н. Лепетаев // Успехи современной радиоэлектроники : науч.-техн. журн. — 2013. — № 10. — С. 17 — 22.

ЛОЖНИКОВ Алексей Олегович, аспирант кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики».

Адрес для переписки: lognikov@gmail.com

Статья поступила в редакцию 14.12.2015 г. © А. О. Ложников