Термостатированный кварцевый генератор
Владельцы патента RU 2503122:
Закрытое акционерное общество "Научно-производственный центр "Алмаз-Фазотрон" (RU)
Изобретение относится к радиоэлектронике, а именно к термостатированным генераторам с кварцевыми резонаторами. Технический результат - повышение стабильности частоты в широком интервале рабочих температур при минимизации массогабаритных параметров. Термостатированный кварцевый генератор содержит внешний корпус, в который помещены печатная плата с элементами схемы генератора, печатная плата с элементами схемы термостата, корпус для кварцевого резонатора и размещенный в нем кварцевый резонатор, печатные платы беззазорно зафиксированы на противоположных сторонах корпуса для кварцевого резонатора посредством теплопроводного соединения и выполнены из материала с высокой теплопроводностью, корпус для кварцевого резонатора выполнен из металла или сплава с температурным коэффициентом линейного расширения, соответствующим температурному коэффициенту линейного расширения материала печатных плат. 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.
Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к области пьезотехники, и может быть использовано при разработке термостатированных генераторов с кварцевыми резонаторами.
Кварцевые генераторы используются в различной радиоэлектронной аппаратуре в качестве высокостабильных источников сигнала с низким уровнем фазового шума. К кварцевым генераторам в качестве источников опорной частоты в радиолокации и различных системах связи предъявляются повышенные требования: низкий уровень фазового шума - подавление порядка -150 дБ/Гц и низкая относительная нестабильность частоты - порядка 10-8. В качестве таких высокопрецизионных генераторов используют термостатированные кварцевые генераторы, обладающие большей стабильностью частоты по сравнению с термокомпенсированными, но и большими массогабаритными параметрами. Для бортовой аппаратуры наряду с высокими требованиями к вышеперечисленным параметрам выходного сигнала большое значение имеют также и массогабаритные параметры кварцевого генератора. Однако необходимо соблюдать баланс между стабильностью частоты за счет улучшения термостатирования и массогабаритными параметрами генератора. Одним из путей улучшения термостатирования при сохранении требуемых массогабаритных параметров является усовершенствование конструкции кварцевого генератора.
Известен термостатированный пьезоэлектрический генератор, описанный в патенте RU №2310974. Данный генератор состоит из корпуса, теплораспределяющей камеры, пьезоэлектрического резонатора и трех печатных плат. Первая печатная плата расположена в корпусе и содержит нетермостатируемые элементы. Пьезоэлектрический резонатор и вторая печатная плата, которая содержит термостатируемые элементы, расположены в теплораспределяющей камере. Третья печатная плата содержит также термостатируемые элементы и расположена поверх теплораспределяющей камеры.
Однако несмотря на высокие показатели стабильности частоты данного кварцевого генератора его конструкция имеет увеличенные массогабаритные параметры, не подходящие для использования в бортовой аппаратуре. Кроме того, разделение схемы на термостатируемые и нетермостатируемые элементы приводит к ограничению температурного диапазона из-за того, что большинство радиоэлементов не работают или работают некорректно при крайне низких температурах - ниже -50°С.
Известен также термостатированный кварцевый генератор, описанный в патенте US №8149068 и содержащий корпус и размещенную в нем печатную плату, на которой расположены кварцевый резонатор, схема резонатора и схема термостата. В данной конструкции все элементы расположены на одной двусторонней печатной плате, а тепловой контакт между нагревателем и пьезоэлементом обеспечивается за счет теплопроводящей резины.
Однако несмотря на простоту конструкции и небольшие массогабаритные параметры недостатком данной конструкции является то, что теплопроводящая резина не может обеспечить достаточный тепловой контакт между нагревателем, термостатируемыми элементами и пьезоэлементом, т.к. герметики или компаунды не обладают достаточной теплопроводностью по сравнению с металлами или сплавами. Кроме того, распределение резины по всей поверхности платы относительно тонким слоем приводит к большим потерям тепла и увеличению теплового градиента через пьезоэлемент.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является термостатированный кварцевый генератор в соответствии с патентом RU №2122278. Согласно патентному описанию генератор содержит наружный корпус, размещенную в этом корпусе печатную плату с установленными на ней элементами схемы, включая кварцевый резонатор и терморегулятор, и зафиксированный на печатной плате корпус. Все термостатируемые элементы схемы генератора сосредоточены в центральной части печатной платы, которая отделена от периферийной части печатной платы сквозными по толщине прорезями и соединяется с периферийной частью печатной платы перемычками между концами прорезей. Кварцевый резонатор установлен на днище корпуса, выполненного в виде открытого короба из материала с высокой теплопроводностью. Корпус, в котором расположен кварцевый резонатор, снабжен высокотеплопроводящими стержнями и крышкой из материала с высокой теплопроводностью, установленной с теплоизолирующим зазором относительно корпуса кварцевого резонатора. Причем корпус расположен так, что днище корпуса плотно прилегает к печатной плате через слой клея, имеющего высокую теплопроводность, а стержни проходят сквозь печатную плату в ее центральной части вблизи каждой из перемычек. На концах указанных стержней, выступающих над противоположной поверхностью печатной платы, закреплена крышка из материала с высокой теплопроводностью с теплоизолирующим зазором относительно установленных на этой поверхности в центральной части печатной платы элементов схемы генератора.
Однако сложность конструкции и настройки данного генератора приводит к увеличению его массогабаритных параметров. При заявленной потребляемой мощности - 1,5 Вт - выход генератора на рабочую частоту с указанной стабильностью будет происходить через длительный промежуток времени за счет недостаточной мощности для данной конструкции. Разделение печатной платы на термостатируемые и нетермостатируемые участки ограничит также диапазон рабочих температур.
Задачей заявляемого изобретения является создание высокостабильного кварцевого генератора, обеспечивающего высокую стабильность частоты в широком интервале рабочих температур с минимально возможным временем установления частоты при минимально возможных для требуемой стабильности частоты массогабаритных параметрах.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в термостатированном кварцевом генераторе, содержащем внешний корпус, в который помещены печатная плата с элементами схемы генератора, печатная плата с элементами схемы термостата, корпус для кварцевого резонатора и размещенный в нем кварцевый резонатор, печатная плата с элементами схемы генератора и печатная плата с элементами схемы термостата беззазорно зафиксированы на противоположных сторонах корпуса для кварцевого резонатора посредством теплопроводного соединения;
при этом печатная плата с элементами схемы генератора и печатная плата с элементами схемы термостата выполнены из материала с высокой теплопроводностью, а корпус для кварцевого резонатора - из металла или сплава с температурным коэффициентом линейного расширения, соответствующим температурному коэффициенту линейного расширения материала печатной платы с элементами схемы генератора и печатной платы с элементами схемы термостата.
Кроме того, заявляется термостатированный кварцевый генератор, в котором наряду с вышеназванными признаками печатные платы выполнены из поликора.
Кроме того, заявляется термостатированный кварцевый генератор, в котором наряду с вышеназванными признаками корпус выполнен из ковара.
Кроме того, заявляется термостатированный кварцевый генератор, в котором наряду с вышеназванными признаками теплопроводное соединение печатных плат и корпуса для кварцевого резонатора выполнено пайкой.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении стабильности частоты и уменьшении времени установления частоты в широком интервале рабочих температур при минимизации массогабаритных параметров кварцевого генератора. Данный технический результат достигается за счет использования заявляемой трехслойной конструкции генератора совместно с применением материала печатных плат с высокой теплопроводностью и корпуса из металла или сплава с температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), соответствующим ТКЛР материала печатных плат, при отказе от разделения элементов схемы генератора на термостатируемые и нетермостатируемые.
Трехслойная конструкция, в которой печатная плата с элементами схемы генератора и печатная плата с элементами схемы термостата расположены на противоположных гранях корпуса для кварцевого резонатора и находятся с этим корпусом в непосредственном тепловом контакте без воздушных зазоров, является одной из необходимых составляющих, обеспечивающих равномерность теплового поля по всему объему генератора. Кроме того, обеспечение высокотеплопроводных соединений при отсутствии воздушных зазоров между печатными платами и корпусом для кварцевого резонатора приводит к снижению тепловых потерь, а следовательно, снижению энергопотребления кварцевого генератора. Второй составляющей для обеспечения равномерности теплового поля по всему объему генератора, которая способствует повышению точности определения температуры резонатора, а следовательно, улучшению термостатирования, является исполнение печатных плат из материала с высокой теплопроводностью и корпуса из металла или сплава с ТКЛР, соответствующим ТКЛР материала печатных плат. Высокая теплопроводность материала печатных плат обеспечивает равномерный необходимый прогрев элементов схем генератора и термостата, а корпус для кварцевого резонатора из металла или сплава с требуемым ТКЛР позволяет одновременно добиться равномерности прогрева по всему объему генератора и сохранить целостность конструкции без деформации прилегающих к нему печатных плат. Такое построение позволяет исключить выход из строя элементов схем генератора и термостата при низких температурах и обеспечить широкий диапазон рабочих температур. Отказ от разделения элементов на термостатируемые и нетермостатируемые позволяет обеспечить прогрев всех элементов схем генератора и термостата, обеспечивая их работу в одном тепловом режиме. Благодаря тому что заявляемая конструкция обладает высокой теплопроводностью, происходит быстрое и равномерное распределение теплового поля, что обеспечивает малое время выхода на рабочий режим генератора. Конструкция генератора устроена так, что прогрев всех элементов генератора происходит быстро и равномерно. Если поместить генератор в теплоизоляционную камеру, то температурная стабильность будет зависеть только от свойств самой камеры. За счет того что все элементы генератора прогреваются одинаково, генератор способен работать при очень низких температурах. Образцы данного генератора уверенно работают в диапазоне температур -60 до +80°С. Таким образом, благодаря комплексному использованию совокупности вышеперечисленных признаков заявляемая конструкция позволяет получить высокую стабильность частоты в широком диапазоне температур при сохранении минимально возможных массогабаритных параметров генератора.
Заявляемое изобретение поясняется с помощью Фиг.1-3, на которых изображено:
на Фиг.1 - вид сбоку кварцевого генератора;
на Фиг.2 - вид сверху на кварцевый генератор со стороны печатной платы с элементами схемы генератора;
на Фиг.3 - вид сверху на кварцевый генератор со стороны печатной платы с элементами схемы термостата.
На Фиг.1-3 позициями 1-7 обозначены:
1 - печатная плата с элементами схемы генератора;
2 - печатная плата с элементами схемы термостата;
3 - корпус для кварцевого резонатора;
4 - кварцевый резонатор;
5 - крышка;
6 - крепежные элементы;
7 - нагревательный элемент.
Термостатированный кварцевый генератор содержит внешний корпус (на Фиг.1-3 не показан), в котором размещены печатная плата с элементами схемы генератора 1, печатная плата 2 с элементами схемы термостата, корпус 3 для кварцевого резонатора и размещенный в нем кварцевый резонатор 4. Корпус 3 для кварцевого резонатора имеет углубление для размещения кварцевого резонатора 4. Корпус 3 для кварцевого резонатора имеет крышку 5 из того же материала. Корпус 3 для кварцевого резонатора снабжен крепежными элементами 6, с помощью которых конструкция кварцевого генератора крепится во внешнем корпусе. Крышка 5 выполнена с выборкой для размещения печатной платы 2 с элементами термостата. Печатная плата 1 с элементами схемы генератора размещена на нижней грани корпуса 3 для кварцевого резонатора. Нагревательный элемент 7, входящий в состав схемы термостата, размещен на крышке 5 корпуса 3 для кварцевого резонатора рядом с печатной платой 2 с элементами схемы термостата.
Кварцевый генератор изготавливают следующим образом.
Печатную плату 1 с элементами схемы генератора и печатную плату 2 с элементами схемы термостата изготавливают из материала с высокой теплопроводностью и в зависимости от выбранного материала печатных плат 1, 2 выбирают материал корпуса 3 для кварцевого резонатора с ТКЛР близким к ТКЛР печатных плат 1, 2. В частном случае исполнения могут быть использованы: поликор в качестве материала печатных плат 1, 2 и ковар в качестве материала корпуса 3 для кварцевого резонатора. ТКЛР данных материалов в интервале температур 20-400°С имеют следующие значения: (7,5-8,5)·10-6 К-1 для поликора и (4,5-5,2)·10-6 К-1 для ковара.
К корпусу 3 для кварцевого резонатора и крышке 5 крепят печатные платы 1, 2 с элементами схем генератора и термостата. В частном случае использования в качестве теплопроводного соединения паяный шов печатные платы 1, 2 имеют одностороннюю металлизацию медью. В этом случае к крышке 5 и нижней грани корпуса 3 для кварцевого резонатора припаиваются печатные платы 1, 2. После чего крышку 5 припаивают к корпусу 3 для кварцевого резонатора.
В качестве нагревательного элемента 7 служит полевой транзистор с изолированным затвором. Транзистор представляет собой параллелепипед размерами 6×5×1 мм. Основной металлизированной подложкой (сток) он припаивается непосредственно к крышке 5, а два других (исток, затвор) - к печатной плате 2 с элементами схемы термостата. Это возможно за счет того, что крышку 5 выполняют с выборкой для печатной платы 2 с элементами схемы термостата, в которой последняя после монтажа оказывается утопленной на всю толщину. Гибкие концы кварцевого резонатора 4 припаиваются к площадкам печатной платы 1 с элементами схемы генератора.
В углублении корпуса 3 для кварцевого резонатора размещают кварцевый резонатор 4, фиксируя его пластичной теплопроводной пастой. Полученную конструкцию посредством крепежных элементов 6 крепят во внешнем корпусе.
При нагреве тепловой поток распространяется от нагревательного элемента через корпус 3 для кварцевого резонатора и крышку 5 к печатным платам 1, 2. Благодаря высокой теплопроводности печатных плат 1, 2 и их соединений обеспечивается равномерный нагрев всей конструкции с минимальными потерями энергии. Кроме того, равномерный нагрев конструкции обеспечивает точность определения температуры кварцевого резонатора 4, что приводит к улучшению термостатирования, повышая стабильность частоты. Быстрый и равномерный прогрев конструкции в целом снижает время выхода на режим и расширяет диапазон рабочих температур.
Заявляемая конструкция кварцевого генератора изготовлена и опробована на предприятии в качестве опытного образца. Характеристики последнего с резонатором SC-среза представлены в Таблице 1. Массогабаритные параметры генератора даны без учета внешнего корпуса.
| Таблица 1 | |
| Параметр | Значение |
| Кратковременная относительная нестабильность частоты за 10 с при температуре окружающей среды t=-60°C через 2 мин после включения | (1-3)·10-8 |
| Кратковременная относительная нестабильность частоты за 10 с при температуре окружающей среды t=-60°C через 5 мин после включения | (1-3)·10-9 |
| Кратковременная относительная нестабильность частоты за 10 с при температуре окружающей среды t=-60°C через 10 мин после включения | (3-5)·10-10 |
| Габаритные размеры без внешнего корпуса, мм | 22,5×12,5×8,5 |
| Масса, г | 17 |
1. Термостатированный кварцевый генератор, содержащий внешний корпус, в который помещены печатная плата с элементами схемы генератора, печатная плата с элементами схемы термостата, корпус для кварцевого резонатора и размещенный в нем кварцевый резонатор, отличающийся тем, что печатная плата с элементами схемы генератора и печатная плата с элементами схемы термостата беззазорно зафиксированы на противоположных сторонах корпуса для кварцевого резонатора посредством теплопроводного соединения; при этом печатная плата с элементами схемы генератора и печатная плата с элементами схемы термостата выполнены из материала с высокой теплопроводностью, а корпус для кварцевого резонатора - из металла или сплава с температурным коэффициентом линейного расширения, соответствующим температурному коэффициенту линейного расширения материала печатной платы с элементами схемы генератора и печатной платы с элементами схемы термостата.
2. Термостатированный кварцевый генератор по п.1, отличающийся тем, что печатная плата с элементами схемы генератора и печатная плата с элементами схемы термостата выполнены из поликора.
3. Термостатированный кварцевый генератор по п.1, отличающийся тем, что корпус для кварцевого резонатора выполнен из ковара.
4. Термостатированный кварцевый генератор по п.1, отличающийся тем, что теплопроводное соединение печатной платы с элементами схемы генератора, печатной платы с элементами схемы термостата и корпуса для кварцевого резонатора выполнено пайкой.
