Термостатированный пьезоэлектрический генератор

Изобретение относится к области электротехники, в частности к источникам высокостабильных колебаний, и может быть использовано при разработке термостатированных генераторов с пьезоэлектрическими резонаторами. Техническим результатом изобретения является уменьшение массогабаритных характеристик устройства при сохранении высокой стабильности частоты в широком интервале температур. Функцию теплораспределяющей камеры в предложенном устройстве выполняет корпус пьезоэлектрического резонатора, изготовленный из материала с высокой теплопроводностью, который обеспечивает равномерное температурное поле по всей площади пьезоэлектрической пластины при изменении температуры окружающей среды. Генератор содержит наружный герметичный корпус с крышкой, на котором закреплена первая печатная плата с установленными на ней нетермостатируемыми элементами схемы и корпус пьезоэлектрического резонатора. Термостатируемые элементы схемы генератора и корпус пьезоэлектрического резонатора размещены на противоположных главных гранях второй печатной платы, которая закреплена па теплоизоляционной прокладке с выполненным в ней углублением для размещения в нем корпуса резонатора. Пространство между внутренней поверхностью крышки наружного корпуса и элементами схемы генератора заполнено материалом с низкой теплопроводностью. 2 ил.

 

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к области пьезотехники, и может быть использовано при разработке термостатированных генераторов с пьезоэлектрическими резонаторами.

Высокостабильные автогенераторы, в которых используют кварцевые резонаторы, находят широкое применение в самых различных областях техники, в том числе в устройствах генерирования и формирования радиосигналов, в телекоммуникационных и навигационных системах, в космической технике, в системах сбора и обработки информации, в устройствах мобильной связи, микропроцессорах и др. В частности, использование кварцевых генераторов в навигационном оборудовании и космической аппаратуре предъявляет к ним высокие требования по стабильности частоты в широком диапазоне термператур, к массогабаритным характеристикам и энергопотреблению.

Чтобы обеспечить высокую термостабильность частоты в широком диапазоне температур, в автогенераторах используют термокомпенсацию уходов частоты кварцевого резонатора или его термостабилизацию.

Полученные в настоящее время достижения в области проектирования термокомпесированных кварцевых генераторов с резонаторами AT - среза позволяют реализовать температурную стабильность частоты Δf/f=±(1...5)·10^-6 в диапазоне температур от минус 50°С до плюс 60°С.

Более высокой стабильностью частоты в широком диапазоне температур обладают термостатированные кварцевые генераторы. Их стабильность частоты в интервале температур от -10 до +70°С при современных элементной базе и технологии изготовления микросхем составляет порядка Δf/f=±(1...5)·10^-8 при минимальных габаритах 36×27×16. Развитие радиоэлектроники в последние годы и непрерывное совершенствование радиоаппаратуры требуют постоянного совершенствования термостатированных генераторов, в частности не только повышения стабильности частоты, уменьшения фазовых шумов, но и уменьшения габаритов.

Известен термостатированный кварцевый генератор, описанный в патенте РФ №2122278, МПК Н03В 5/32, 5/36, 1997, содержащий наружный корпус и размещенную в нем печатную плату с установленными на ней нетермостатируемыми элементами схемы генератора, а также установленную на этой плате теплораспределяющую камеру, в которой размещен резонатор, а снаружи, на боковых стенках теплораспределяющей камеры, установлены нагревательные элементы, при этом теплораспределяющая камера и крышка, которой она снабжена, выполнены из материала с высокой теплопроводностью. Однако необходимо отметить, что при относительно высокой температурной стабильности частоты, известная конструкция не обеспечивает эту стабильность в широком диапазоне температур и имеет значительные массогабаритные характеристики, что ограничивает область применения таких генераторов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому генератору является термостатированный кварцевый генератор по патенту РФ №2207704, МПК Н03Н 5/32, с приоритетом от 31.08.2001, опубликованный в Бюл. №18, 27.06.2003. Термостатированный кварцевый генератор содержит наружный корпус, печатную плату с установленными на ней нетермостатируемыми элементами схемы генератора и теплораспределяющей камерой, в которой размещен резонатор, а на ее боковых стенках установлены нагревательные элементы, при этом теплораспределяющая камера выполнена в виде тонкостенного прямоугольного параллепипеда, нижняя грань которого является основанием теплораспределяющей камеры, а в центральной части основания установлен держатель, в котором закреплены кварцевый резонатор, имеющий прямоугольную форму, и датчик температуры, при этом нагревательные элементы размещены симметрично относительно плоскости симметрии теплораспределяющей камеры.

Данная конструкция, однако, не может обеспечить малые габариты генератора при высокой температурной стабильности частоты в широком интервале температур, поскольку большой объем занимает тепловая камера с размещенным внутри нее держателем кварцевого резонатора. А нагреватели на боковых стенках теплораспределяющей камеры не могут обеспечить постоянство распределения температурного градиента внутри камеры. При изменении температуры окружающей среды нагреваемый тепловой поток внутри камеры постоянно движется вверх, поскольку верхняя грань теплораспределяющей камеры всегда в большей степени охлаждается. Скорость движения теплового потока при этом зависит от температуры окружающей среды, что вызывает соответственно изменение температурного градиента при изменении температуры.

Задачей, которую решает данное изобретение, является уменьшение массогабаритных характеристик при сохранении высокой стабильности частоты в широком интервале температур.

Технический результат достигается за счет того, что в термостатированный пьезоэлектрический генератор, содержащий схему генератора с пьезоэлектрическим резонатором и буферным усилительным каскадом, регулятор температуры с датчиком температуры и нагревательными элементами, размещенными внутри наружного корпуса, на основании которого закреплена первая печатная плата с установленными на ней нетермостатируемыми элементами схемы генератора и теплоизоляционной прокладкой, с размещенной па пей теплораспределяющей камерой, при этом термостатируемые элементы схемы генератора и пьезоэлектрический резонатор размещены на второй печатной плате, в качестве теплораспределяющей камеры используется корпус пьезоэлектрического резонатора, выполненный из никеля, меди или другого материала с высокой теплопроводностью, при этом в теплоизоляционной прокладке выполнено углубление с возможностью размещения в нем пьезоэлектрического резонатора, а терморегулятор с нагревательными элементами размещен на второй печатной плате, толщина которой выбрана, по крайней мере, в два раза меньше толщины первой печатной платы и ее обратная сторона покрыта материалом с высокой теплопроводностью, имеющим тепловой контакт с корпусом пьезоэлектрического резонатора, который размещен с обратной стороны второй печатной платы, а его выводы подведены к контактным площадкам схемы генератора через изолированные участки, при этом пространство между внешней поверхностью элементов схемы генератора и внутренней поверхностью наружного корпуса заполнено материалом с низкой теплопроводностью.

Сущность технического решения поясняется чертежами. На фиг.1 (вид сбоку) и фиг.2 (вид сверху) представлен один из вариантов конструкции термостатированного пьезоэлектрического генератора.

Согласно формуле изобретения термостатированный пьезоэлектрический генератор содержит показанные на фиг.1 и 2 наружный герметичный корпус с крышкой 1 и основанием 2, на котором закреплена первая печатная плата 3 с установленными на ней нетермостатируемыми элементами схемы генератора 4 (в частности, элементами схемы буферного усилительного каскада и стабилизатора напряжения) и корпусом пьезоэлектрического резонатора 5, выполняющего одновременно роль теплораспределяющей камеры. Термостатируемые элементы схемы генератора 6, в частности терморегулятор с одним или несколькими нагревательными элементами и пьезоэлектрический резонатор с корпусом 5, размещены на противоположных главных гранях второй печатной платы 7, которая закреплена на теплоизоляционной прокладке 8 с выполненным в ней углублением для размещения в нем корпуса пьезоэлектрического резонатора 5. Нижняя грань теплоизоляционной прокладки 8 закреплена на основании корпуса термостатированного пьезоэлектрического генератора 2, а пространство между внутренней поверхностью крышки 1 наружного герметичного корпуса и элементами схемы генератора заполнено материалом с низкой теплопроводностью 9, который обеспечивает дополнительно сохранение тепла, в том числе возникающее из-за конвекции и излучения элементами схемы.

Технический результат - уменьшение массогабаритных характеристик при сохранении высокой стабильности частоты в широком интервале температур - достигается за счет исключения отдельной теплораспределяющей камеры, функции которой выполняет в данном устройстве корпус пьезоэлектрического резонатора, обеспечения равномерного температурного поля по всей площади пьезоэлектрической пластины при изменении температуры окружающей среды, поскольку нагревается верхняя поверхность корпуса пьезоэлектрического резонатора 5, которая параллельна основной грани пьезоэлектрической пластины. Поскольку пьезоэлектрическая пластина размещена между двумя параллельными нагреваемыми поверхностями корпуса резонатора, это обеспечивает отсутствие тепловых потоков. В качестве нагревателя использован транзистор выходного каскада схемы регулятора температуры, размещенного на второй печатной плате 7, выбор толщины которой значительно меньше толщины первой печатной платы, обеспечивает быстрый прогрев размещенной на ее противоположной грани фольги с высокой теплопроводностью. А использование фольги второй грани печатной платы в качестве элемента нагрева корпуса пьезоэлектрического резонатора 5 обеспечивает равномерное распределение тепла по основной нагреваемой грани корпуса пьезоэлектрического резонатора, а также уменьшение габаритов. Причем корпус резонатора, если он выполнен из никеля, который обладает меньшей теплопроводностью, чем медь, может быть дополнительно обвернут фольгой из меди, с толщиной порядка высоты бортика для сварки корпуса с основанием резонатора. Причем медная фольга должна доходить только до сварочного бортика, чтобы обеспечить надежный механический и тепловой контакт корпуса резонатора с фольгой второй грани печатной платы. Если же корпус резонатора выполнен из меди, но имеет сварочный бортик, то для обеспечения надежного теплового контакта он также может быть жестко соединен с фольгой печатной платы через медную пластинку или для повышения технологичности обвернут фольгой из меди с соответствующей толщиной. Внешняя температура окружающей среды обеспечивает минимальное воздействие на корпус пьезоэлектрического резонатора 5, выполняющий одновременно роль теплораспределяющей камеры, за счет того, что она не имеет непосредственного теплового контакта с наружным корпусом 1 и основанием 2, от которого она изолирована теплоизоляционной прокладкой 8. Дополнительную теплоизоляцию обеспечивает также материал с низкой теплопроводностью 9, которым заполнено пространство между внешней поверхностью всех элементов схемы генератора и внутренней поверхностью наружного корпуса 1.

Кварцевый генератор был выполнен в корпусе для микросхем 155 серии с габаритными размерами 30×20×10 мм. В результате объем составил 6 см², что значительно меньше по сравнению с объемом прототипа 26,1 см².

В генераторе в частности были использованы кварцевые резонаторы АТ-среза с экстремумом ТЧХ при температуре +(72÷73)°С, которая соответствовала температуре термостатирования.

При проведении температурных испытаниях кварцевого генератора были получены следующие результаты;

Температурная стабильность частоты

в интервале температур (-40÷+70)°С составила ±1,2·10^-8;

в интервале температур (-10÷+60)°С составила ±0,5·10^-8

Термостатированный пьезоэлектрический генератор, содержащий схему генератора с пьезоэлектрическим резонатором и буферным усилительным каскадом, терморегулятор с нагревательными элементами, размещенными внутри наружного корпуса, на основании которого закреплена первая печатная плата с установленными на ней нетермостатируемыми элементами схемы генератора и теплоизоляционной прокладкой, с размещенной на ней теплораспределяющей камерой, при этом термостатируемые элементы схемы генератора и пьезоэлектрический резонатор размещены на второй печатной плате, отличающийся тем, что в качестве теплораспределяющей камеры используется корпус пьезоэлектрического резонатора, выполненный из никеля, меди или другого материала с высокой теплопроводностью, при этом в теплоизоляционной прокладке выполнено углубление с возможностью размещения в нем корпуса пьезоэлектрического резонатора, а терморегулятор с нагревательными элементами размещен на второй печатной плате, толщина которой выбрана, по крайней мере, в два раза меньше толщины первой печатной платы и ее обратная сторона покрыта материалом с высокой теплопроводностью, имеющим тепловой контакт с корпусом пьезоэлектрического резонатора, который размещен с обратной стороны второй печатной платы, а его выводы подведены к контактным площадкам схемы генератора через изолированные участки, при этом пространство между внешней поверхностью элементов схемы генератора и внутренней поверхностью наружного корпуса заполнено материалом с низкой теплопроводностью.