ТЕРМОСТАТИРОВАННЫЙ КВАРЦЕВЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2003 года по МПК H03B5/32 

Область техники
Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к генераторам частоты с пьезоэлектрическими резонаторами, и может найти применение при разработке высокостабильных кварцевых генераторов.

Уровень техники
Известно, что в настоящее время термостатированные кварцевые генераторы находят широкое применение в различных областях техники, особенно в телекоммуникационном и навигационном оборудовании, а также в космической радиоаппаратуре, в микропроцессорах, системах сбора данных, мобильных телефонах. Использование термостатированных кварцевых генераторов в навигационном оборудовании, а также в космической радиоаппаратуре предъявляет особенно высокие требования не только к температурной стабильности частоты генераторов, но и к массогабаритным характеристикам и энергопотреблению, то есть современные конструкции термостатированных кварцевых генераторов должны иметь минимальные массогабаритные характеристики и энергопотребление. Учитывая это, одной из главных проблем, возникающих при разработке конструкций термостатированных кварцевых генераторов, является устранение технического противоречия между требованиями к уменьшению массогабаритных характеристик и энергопотребления таких генераторов, с одной стороны, и обеспечению высокой температурной стабильности частоты этих генераторов, с другой стороны. Следует отметить, что стабильность частоты кварцевых генераторов зависит от температурного режима чувствительных элементов, входящих в состав кварцевых генераторов, в особенности кварцевого резонатора, поэтому для обеспечения стабильной работы кварцевых генераторов необходимо путем нагрева поддерживать заданную температуру чувствительных элементов кварцевого генератора при изменении температуры окружающей среды.

В известном кварцевом генераторе по патенту США 4985687, опубликованному 15.01.91, МПК Н 03 В 1/02, 5/04, 5/32, за счет размещения нагревательного элемента непосредственно на резонаторе, помещенном в герметичный корпус, обеспечивают минимальные потери тепла при передаче его от нагревательного элемента к резонатору и тем самым позволяют снизить потребляемую мощность нагревателя. Однако в такой конструкции снижается температурная стабильность частоты за счет влияния нетермостатированной части схемы. Кроме того, такая конструкция имеет значительные массогабаритные характеристики.

В термостатированных высокостабильных кварцевых генераторах, описанных в книге Альтшуллера Г.Б. и др. Кварцевые генераторы, М.: Радио и связь, 1984, содержащих печатные платы с элементами схемы генератора, помещенные в камеру термостата, а также датчик температуры и нагревательный элемент, осуществляют нагрев практически всех элементов схемы, что приводит к большой потребляемой мощности и увеличивает время выхода кварцевого генератора на рабочий режим из-за большой массы всех нагреваемых элементов. Кроме того, из-за больших тепловых потоков, вызванных большой потребляемой мощностью, снижается температурная стабильность частоты таких генераторов. Кроме того, известные конструкции обладают большими массогабаритными характеристиками.

В известном термостатированном кварцевом генераторе по патенту Франции 2660499, опубликованному 04.10.91, МПК Н 03 В 5/32, 5/04, содержащем резонатор, печатную плату с элементами схемы генератора и схему термостатирования, состоящую из нагревательного элемента, датчика температуры и терморегулятора, резонатор для повышения стабильности температуры помещен в герметичную камеру, на корпусе которой с наружной стороны установлены нагревательные элементы, а вся конструкция помещена в наружный корпус. Описанная выше конструкция имеет значительные массогабаритные характеристики и потребляет на обогрев большую мощность, так как тепло обогрева распространяется через нижнюю часть герметичной камеры по всей печатной плате. Вследствие этого снижается температурная стабильность частоты кварцевого генератора.

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является термостатированный кварцевый генератор, описанный в патенте РФ 2122278, приоритет от 1997 г., МПК Н 03 В 5/32, 5/36, содержащий наружный корпус и размещенную в этом корпусе печатную плату с уставленными 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. Необходимо отметить, что при очевидных достоинствах этого генератора, таких как высокая температурная стабильность частоты, известная конструкция имеет значительные массогабаритные характеристики, что ограничивает область применения таких кварцевых генераторов.

Сущность изобретения
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание термостатированного кварцевого генератора с минимальными массогабаритными характеристиками и энергопотреблением, обеспечивающего температурную стабильность частоты порядка ±1•10^-9 и выше.

Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретения, является устранение технического противоречия между жесткими требованиями к уменьшению массогабаритных характеристик и энергопотребления, с одной стороны, что требует уменьшения, прежде всего, габаритов и массы теплораспределяющей камеры и тем самым приводит к уменьшению расстояния между кварцевым резонатором, нагревательными элементами и термостатируемыми элементами схемы. Это обстоятельство увеличивает перепады температур по всему объему теплораспределяющей камеры и затрудняет создание равномерного температурного поля по кварцевому резонатору. С другой стороны, для обеспечения высокой температурной стабильности частоты требуется обеспечить равномерное температурное поле по кварцевому резонатору, что требует вынесения резонатора из области теплового потока.

Указанное противоречие удалось разрешить путем использования указанных ниже конструктивных решений.

Необходимая равномерность температурного поля по кварцевому резонатору и уменьшение массогабаритных характеристик достигаются в термостатированном кварцевом генераторе, содержащем наружный корпус и размещенную в этом корпусе 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.

Согласно изобретению теплораспределяющая камера выполнена в виде тонкостенного прямоугольного параллелепипеда с длиной ребра, образованного смежными боковыми гранями, значительно меньше длины каждого из ребер, образованных каждой из боковых граней с нижней гранью, являющейся основанием теплораспределяющей камеры, в центральной части этого основания установлен держатель, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, в котором закреплены кварцевый резонатор и датчик температуры, причем резонатор выполнен прямоугольной формы и установлен так, что его ось симметрии лежит в плоскости симметрии теплораспределяющей камеры, а нагревательные элементы установлены на боковых стенках теплораспределяющей камеры симметрично относительно плоскости симметрии теплораспределяющей камеры, при этом термостатируемые элементы закреплены на печатной плате, которая установлена в теплораспределяющей камере так, что контактирует с боковыми стенками этой камеры и имеет воздушный зазор с держателем резонатора, причем площадь контакта держателя с основанием теплораспределяющей камеры значительно меньше площади этого основания.

Краткий перечень фигур
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен упрощенный эскиз термостатированного кварцевого генератора (вид сверху), на фиг. 2 - сечение по А-А фиг.1, на фиг.3 - сечение по Б-Б фиг.1, совпадающее с плоскостью симметрии теплораспределяющей камеры.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
В одном из возможных вариантов выполнения изобретения согласно формуле изобретения термостатированный кварцевый генератор (фиг.1) содержит наружный герметичный корпус 1, внутри которого закреплена печатная плата 2 (фиг.2, 3). На плате 2 установлены нетермостатируемые элементы схемы генератора, в частности усилитель 3 и схема коррекции 4. На плате 2 установлена также теплораспределяющая камера 5, выполненная из материала с высокой теплопроводностью, например из меди. Теплораспределяющая камера 5 (фиг.2, 3) выполнена в форме тонкостенного (толщина стенки 0,4 мм) прямоугольного параллелепипеда. Длина ребра, образованного смежными боковыми гранями параллелепипеда, равна 5 мм, что значительно (в 6 раз) меньше длины каждого из ребер (30 мм), образованных каждой из боковых граней с нижней гранью, являющейся основанием 6 теплораспределяющей камеры 5. В центральной части этого основания 6 установлен держатель 7. Площадь контакта держателя 7 с основанием 6 теплораспределяющей камеры 5 составляет 5•6 мм, что значительно меньше (в 30 раз) площади этого основания, которая равна 30•30 мм. В держателе 7, выполненном из материала с высокой теплопроводностью, например из меди, закреплены кварцевый резонатор 8 и датчик температуры 9, причем кварцевый резонатор 8 закреплен с обеспечением максимального теплового контакта с держателем 7.

Кварцевый резонатор 8 выполнен прямоугольной формы и установлен так, что его ось симметрии лежит в плоскости симметрии теплораспределяющей камеры 5 (фиг. 3, сечение по Б-Б фиг.1 совпадает с плоскостью симметрии теплораспределяющей камеры). Нагревательные элементы 10 установлены снаружи на боковых стенках теплораспределяющей камеры 5 симметрично относительно плоскости симметрии этой камеры. Термостатируемые элементы, в частности автогенератор 11, источник опорного напряжения 12, варикап 13, терморегулятор 14, закреплены на печатной плате 15. Печатная плата 15 с термостатируемыми элементами установлена в теплораспределяющей камере 5 так, что контактирует с боковыми стенками этой камеры и имеет воздушный зазор с держателем 7 кварцевого резонатора 8. Теплораспределяющая камера 5 снабжена крышкой 16, закрепленной на боковых стенках этой камеры. Крышка 16 выполнена из материала с высокой теплопроводностью, например из меди. Внутренняя полость наружного корпуса 1 заполнена волокнистым теплоизолятором, который устраняет потери тепла, возникающие из-за конвекции и излучения, и увеличивает механическую прочность конструкции.

Термостатированный кварцевый генератор работает следующим образом. При поступлении на него питания нагревательные элементы 10, расположенные симметрично относительно плоскости симметрии теплораспределяющей камеры 5, разогреваются до заданной температуры, измеряемой датчиком температуры 9. При этом тепло от нагревательных элементов 10 быстро распространяется по тонкостенной медной теплораспределяющей камере 5 и через основание 6 камеры и держатель 7, выполненный из меди, поступает на резонатор 8. Тепло от нагревательных элементов 10 поступает также на плату 15 с термостатируемыми элементами схемы. При этом в области закрепления держателя 7 с резонатором 8 образуется область наименьшего перепада температур и наиболее равномерное температурное поле. Наличие области наименьшего перепада температур в центральной части теплораспределяющей камеры 5, то есть там, где установлен держатель 7 с резонатором 8, обеспечивает равномерное температурное поле на резонаторе 8 и, следовательно, высокую температурную стабильность. Следует отметить, что повышению равномерности температурного поля способствует медная крышка 16, не допускающая потерь тепла от кварцевого резонатора 8 на внешний корпус 1 генератора. Кроме того, поскольку мощность, выделяемая на термостатируемых элементах 11, 12, 13, 14 схемы генератора, может вызвать нежелательные перепады температур, печатная плата 15 с этими элементами, закрепленная в теплораспределяющей камере 5, имеет тепловой контакт только с боковыми стенками теплораспределяющей камеры и не имеет контакта с держателем 7 и резонатором 8, так как между этой платой 15 и держателем 7 имеется воздушный зазор. Выделяемое термостатируемыми элементами тепло стекает по плате 15 на боковую стенку теплораспределяющей камеры 5 и далее на внешний корпус 1 и в окружающую среду, не возмущая тепловое поле вокруг кварцевого резонатора 8. Небольшая масса тонкостенной теплораспределяющей камеры 5 в сочетании с формой ее выполнения в виде параллелепипеда с малой длиной ребер, образованных смежными боковыми гранями, а также симметричная установка нагревательных элементов 10 позволяют значительно сократить время выхода на рабочий режим, то есть обеспечить установление необходимой частоты и температуры. При испытаниях кварцевого генератора были получены следующие результаты:
Температурная стабильность частоты
в интервале температур -40÷+70 ±2,5•10^-9
в интервале температур -10÷+60 ±1•10^-9
Точность термостатирования ±0,2^oС÷±0,3^oС
Потребляемый ток в установившемся режиме 200 мА
Габаритный размер 51•41•12,5 мм
Время установления частоты ±5•10^-9 в течение 5 минут
Масса не более 45 г
Таким образом, термостатированный кварцевый генератор благодаря перечисленным выше конструктивным признакам при небольших массогабаритных характеристиках (габаритный размер 51•41•12,5 мм, масса - 45 г) обеспечивает высокую температурную стабильность частоты в интервале ±1•10^-9-±2,5•10^-9 и малое время выхода на режим, равное 5 минутам, в полосу частоты ±5•10^-9.

Изобретение относится к радиоэлектронике и может найти применение при разработке высокостабильных кварцевых генераторов. Достигаемый технический результат - создание термостатированного кварцевого генератора с минимальными массогабаритными характеристиками и энергопотреблением, обеспечивающего температурную стабильность частоты порядка ±1•10^-9 и выше. Термостатированный кварцевый генератор содержит наружный корпус, печатную плату с установленными на ней нетермостатируемыми элементами схемы генератора, установленную на плате теплораспределяющую камеру, в которой размещен резонатор, на боковых стенках теплораспределяющей камеры установлены нагревательные элементы, теплораспределяющая камера выполнена в виде тонкостенного прямоугольного параллелепипеда, нижняя грань которого является основанием теплораспределяющей камеры, в центральной части которого установлен держатель, в котором закреплены кварцевый резонатор, имеющий прямоугольную форму, и датчик температуры, нагревательные элементы установлены на боковых стенках теплораспределяющей камеры симметрично относительно ее плоскости симметрии. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Термостатированный кварцевый генератор, содержащий наружный корпус и размещенную в этом корпусе 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, отличающийся тем, что теплораспределяющая камера выполнена в виде тонкостенного прямоугольного параллелепипеда с длиной ребра, образованного смежными боковыми гранями, значительно меньшей длины каждого из ребер, образованных каждой из боковых граней с нижней гранью, являющейся основанием теплораспределяющей камеры, в центральной части основания установлен держатель, выполненный из материала с высокой теплопроводностью, в котором закреплены кварцевый резонатор и датчик температуры, причем резонатор выполнен прямоугольной формы и установлен так, что его ось симметрии лежит в плоскости симметрии теплораспределяющей камеры, а нагревательные элементы установлены на боковых стенках теплораспределяющей камеры симметрично относительно плоскости симметрии теплораспределяющей камеры, при этом термостатируемые элементы закреплены на печатной плате, которая установлена в теплораспределяющей камере так, что контактирует с боковыми стенками этой камеры и имеет воздушный зазор с держателем резонатора. 2. Термостатированный кварцевый генератор по п.1, отличающийся тем, что площадь контакта держателя с основанием теплораспределяющей камеры значительно меньше площади этого основания.