ТЕРМОСТАТИРОВАННЫЙ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2007 года по МПК H03B5/32 

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к области пьезотехнике, 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 температур, 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.

Кратко рассмотрим их соответственно.

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 составляет порядка Δf/f=±(1...5)*10^-8 при габаритах 36×27×16. По сравнению с термокомпенсированными генераторами они имеют большие габариты, массу и потребление энергии, которое особенно возрастает при низких температурах окружающей среды. В последнее время, за счет использования современной элементной базы, удалось значительно уменьшить массогабаритные характеристики и снизить энергопотребление термостатированных кварцевых генераторов. Однако бурное развитие радиоэлектроники и непрерывное совершенствование радиоаппаратуры требуют и постоянного совершенствовании термостатированных генераторов, в частности повышения стабильности частоты и расширения рабочего диапазона температур.

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.

Однако следует отметить, что данная конструкция не может обеспечить высокую температурную стабильность частоты в широком интервале температур, поскольку размещение нагревателей на боковых стенках теплораспределяющей камеры не обеспечивает оптимального постоянства 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. В результате такая конструкция не может обеспечить широкий температурный диапазон работы автогенератора с указанной в патенте стабильностью.

Задачей данного изобретения, является расширение температурного диапазона при сохранении высокой стабильности частоты и обеспечении минимальных массогабаритных характеристик.

Технический результат достигается за счет того, что в термостатированный пьезоэлектрический генератор, содержащий 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 теплораспределяющей камерой, содержащей основание и крышку, выполненные из материала с высокой теплопроводностью в виде тонкостенного прямоугольного параллелепипеда с высотой, значительно меньшей его длины и ширины, при этом термостатируемые элементы схемы генератора и пьезоэлектрический резонатор размещены на второй печатной плате, которая установлена в теплораспределяющей камере параллельно его основной грани, дополнительно введена третья печатная плата, толщина которой выбрана, по крайней мере, в два раза меньше толщины первой и второй печатных плат, расположенная на внешней стороне основной грани основания теплораспределяющей камеры, на которой размещены регулятор температуры с датчиком температуры и нагревательными элементами, при этом длина второй печатной платы выполнена больше длины основания теплораспределяющей камеры, одна из боковых граней которой имеет высоту меньше высоты трех других боковых граней, а обратная сторона второй печатной платы покрыта материалом с высокой теплопроводностью, имеющим тепловой контакт с боковыми стенками теплораспределяющей камеры и разделяет ее на два отсека, в одном из которых с обратной стороны второй печатной платы размещен пьезоэлектрический резонатор, а его выводы подведены к контактным площадкам схемы генератора через изолированные участки, при этом основание теплораспределяющей камеры жестко соединено с крышкой, внешняя сторона основной грани которой закреплена на теплоизоляционной прокладке, размещенной на первой печатной плате, а пространство между внешней поверхностью теплораспределяющей камеры и внутренней поверхностью наружного корпуса заполнено материалом с низкой теплопроводностью.

Сущность технического решения поясняется чертежами. На фиг.1 (вид сбоку) и 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 1 с основанием 2, на котором закреплена первая печатная плата 3 с установленными на ней нетермостатируемыми элементами схемы генератора 4 (в частности, элементами схемы выходного усилительного каскада) и теплораспределяющей камерой 5, содержащей основание 6 и крышку 7. Термостатируемые элементы схемы генератора 8 и пьезоэлектрический резонатор 9 (фиг.2) размещены на второй печатной плате 10, которая установлена в теплораспределяющей камере 5. Третья печатная плата 11 расположена на внешней стороне основной грани основания теплораспределяющей камеры 5. На третьей печатной плате 11 размещены элементы схемы регулятора температуры 12 с датчиком температуры 13 и нагревательными элементами 14. Основание теплораспределяющей камеры 5 жестко соединено с крышкой 7, внешняя сторона основной грани которой закреплена на теплоизоляционной прокладке 15, размещенной на первой печатной плате 3. Пространство между внешней поверхностью теплораспределяющей камеры 5 и внутренней поверхностью наружного корпуса 1 заполнено материалом с низкой теплопроводностью 16, который обеспечивает дополнительно сохранение тепла, в том числе возникающее из-за конвекции и излучения элементами схемы.

Технический результат - расширение температурного диапазона при сохранении высокой стабильности частоты и обеспечении минимальных массогабаритных характеристик достигается за счет обеспечения равномерного температурного поля по всей площади пьезоэлектрической пластины при изменении температуры окружающей среды, поскольку нагревается верхняя поверхность основания теплораспределяющей камеры 5, которая параллельна основной грани пьезоэлектрической пластины. Поскольку более теплый воздушный поток всегда поднимается вверх, наличие дополнительной тепловой перегородки с такой же относительной температурой, на которую не воздействует температура окружающей среды, т.к. она размещена между двумя нагреваемыми поверхностями, обеспечивает отсутствие тепловых потоков и создает соответственно минимальный градиент температуры. А использование фольги второй грани печатной платы в качестве элемента теплорасределяющей камеры 5 обеспечивает также уменьшение габаритов. В качестве нагревателя использован транзистор выходного каскада схемы регулятора температуры. Причем нагрев осуществляется через тонкую третью печатную плату 11, что дополнительно обеспечивает более равномерный нагрев основания теплораспределяющей камеры и уменьшение на нее влияния температуры окружающей среды. Внешняя температура окружающей среды обеспечивает минимальное воздействие на теплораспределяющую камеру 5 за счет того, что она не имеет непосредственного теплового контакта с наружным корпусом 1 и основанием 2, а пространство между внешней поверхностью теплораспределяющей камеры 5 и внутренней поверхностью наружного корпуса 1 заполнено материалом с низкой теплопроводностью 16. Технологически осуществить такую конструкцию оказалось возможным только за счет того, что основание теплораспределяющей камеры 5, на котором была размещена третья печатная плата 11, расположено сверху, а ее крышка 7, размещенная снизу, закреплена на теплоизоляционной прокладке 15. При этом для обеспечения электрических контактов между платами необходимо было выполнить длину второй печатной платы больше длины основания теплораспределяющей камеры 5, а высоту одной из боковых граней меньше высоты трех других боковых граней этой камеры. Дополнительно уменьшение влияния внешней температуры на теплораспределяюшую камеру 5 и, следовательно, на пьезоэлемент обеспечивается за счет размещения в пространстве между внешней поверхностью теплораспределяющей камеры 5 и внутренней поверхностью наружного корпуса 1 материала с низкой теплопроводностью 16.

При испытаниях кварцевого генератора с резонатором SC - среза были получены следующие результаты.

Температурная стабильность частоты

в интервале температур (-40 ÷ +80)°С составляла ±2,3·10^-9;

в интервале температур (-10 ÷ +70)°С составляла ±1·10^-9.

Габаритные размеры 34×25,5×19 мм. Объем составил 16,5 см², что значительно меньше по сравнению с объемом прототипа 26,1 см².

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ №2122278, МПК Н03В 5/32, 5/36, 1997.

2. Патент РФ №2207704, МПК Н03Н 5/32, 2001.

Изобретение относится к радиоэлектронике, в частности к источникам высокостабильных колебаний, и может быть использовано при разработке термостатированных генераторов с пьезоэлектрическими резонаторами. Техническим результатом является расширение температурного диапазона при сохранении высокой стабильности частоты и обеспечении минимальных массогабаритных характеристик. Генератор содержит наружный герметичный корпус с основанием, на котором закреплена первая печатная плата с установленными на ней нетермостатируемыми элементами схемы генератора и теплораспределяющей камерой, содержащей основание и крышку. Термостатируемые элементы схемы генератора и пьезоэлектрический резонатор размещены на второй печатной плате, которая установлена в теплораспределяющей камере. Третья печатная плата расположена на внешней стороне основной грани основания теплораспределяющей камеры. На третьей печатной плате размещены элементы схемы регулятора температуры с датчиком температуры и нагревательными элементами. Основание теплораспределяющей камеры жестко соединено с крышкой, внешняя сторона основной грани которой закреплена на теплоизоляционной прокладке, размещенной на первой печатной плате, а внутренняя полость заполнена материалом с низкой теплопроводностью. 2 ил.

Термостатированный пьезоэлектрический генератор, содержащий 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 теплораспределяющей камерой, содержащей основание и крышку, выполненные соответственно в виде частей тонкостенного прямоугольного параллелепипеда, высота которого значительно меньше его длины и ширины, и выполненного из материала с высокой теплопроводностью, при этом термостатируемые элементы схемы генератора и пьезоэлектрический резонатор размещены на второй печатной плате, которая установлена в теплораспределяющей камере параллельно его основной грани, отличающийся тем, что дополнительно введена третья печатная плата, толщина которой выбрана, по крайней мере, в два раза меньше толщины первой и второй печатных плат, расположенная на внешней стороне основной грани основания теплораспределяющей камеры, на которой размещены регулятор температуры с датчиком температуры и нагревательными элементами, при этом для обеспечения электрических контактов между платами длина второй печатной платы выполнена больше длины основания теплораспределяющей камеры и одна из боковых граней основания в месте выступа второй печатной платы имеет высоту меньше высоты трех других боковых граней, а обратная сторона второй печатной платы покрыта материалом с высокой теплопроводностью, имеющим тепловой контакт с боковыми стенками теплораспределяющей камеры и разделяет ее на два отсека, в одном из которых с обратной стороны второй печатной платы размещен пьезоэлектрический резонатор, а его выводы подведены к контактным площадкам схемы генератора через изолированные участки, при этом основание теплораспределяющей камеры жестко соединено с крышкой, внешняя сторона основной грани которой закреплена на теплоизоляционной прокладке, размещенной на первой печатной плате, а пространство между внешней поверхностью теплораспределяющей камеры и внутренней поверхностью наружного корпуса заполнено материалом с низкой теплопроводностью.