КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР Российский патент 2012 года по МПК H03H9/19 

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может использоваться в устройствах стабилизации частоты как термостатированных, так и термокомпенсированных кварцевых генераторов.

В большинстве высокостабильных генераторов применяются кварцевые резонаторы с высоким вакуумом в их рабочих объемах. Эти резонаторы обладают высокой долговременной стабильностью и характеризуются малой теплопроводностью среды, окружающей пьезоэлемент [1]. Известны также резонаторы, в которых без значительной потери прецизионности вакуумированный объем заполняют инертным газом, например гелием, с давлением около 3 мторр [2]. Такой прием позволяет практически без потери добротности кварцевого резонатора сократить примерно вдвое время выхода в область температуры статирования кварцевого генератора в целом. А рост тепловодности среды, окружающей пьезоэлемент, позволяет также уменьшить и температурно-динамический коэффициент (ТДКЧ) резонатора. Здесь с целью сокращения флюктуаций температуры на стенках термостата резонатора, передаваемых пьезоэлементу, и уменьшения его ТДКЧ регулируемый нагреватель резонатора дополнительно размещают в вакуумированном баллоне в герметичном объеме внутри газопоглощающего материала, например пористого титана. Этим достигается сохранение прецизионности кварцевого резонатора, т.к. при выходе на рабочий режим температура пористого титана понижается до 75°С и происходит поглощение титаном остаточных газов в баллоне за счет роста адсорбции. Такое решение нашло экспериментальное подтверждение, и было получено сокращение времени установления частоты кварцевого резонатора примерно на 30% с точностью 10^-7 относительных единиц [3]. Однако такое решение по созданию кварцевого резонатора имеет ряд недостатков.

1. Частичное уменьшение вакуума в баллоне кварцевого резонатора не устраняет всех отрицательных теплофизических процессов, происходящих при установлении частоты генератора в целом: продолжается распространение тепла к пьезоэлементу по выводам его крепления, что уменьшает лишь частично ТДКЧ; необходимость наличия термостата приводит к отсутствию теплового экрана внутри баллона резонатора и не уравнивает флюктуации температуры вдоль его стенок.

2. Форсированный разогрев термостатированного кварцевого резонатора требует значительной мощности накала спирали, т.к. пористый титан имеет очень низкую теплопроводность, а это снижает кпд генератора в целом.

Наиболее близким к заявляемому следует назвать кварцевый генератор по заявке [4], в котором кварцевый резонатор выполнен конструктивно как резонатор - термостат, а перенос тепла к (КП) здесь осуществляется за счет: мощности светового потока лазерного диода; теплового потока от радиатора, на котором закреплен лазерный диод, размещенный с элементами крепления в вакуумированом баллоне резонатора; выводов крепления (КП). Здесь лазерный диод выполняет функцию генератора ударного возбуждения колебаний (КП). При этом лазерный диод закреплен по центру металлической дисковой пластины, выполняющей роль радиатора, которая удерживается металлическими стержнями, проходящими через диэлектрические изоляторы металлического опорного кольца. Однако такая конструкция резонатора имеет ряд недостатков.

1. Мощность излучения лазерного диода ограничивается из-за вероятности двойникования пьезоэлемента и релаксации пленочного покрытия (КП), отсюда и ограничение по мощности рассеяния на аноде (резонаторе) лазерного диода, т.к. не исключена вероятность перехода лазера в необратимый режим работы как светодиода.

2. Увеличение массы дисковой металлической пластины, на которой крепится лазерный диод, с целью снижения влияния флюктуаций температуры в объеме резонатора приводит к росту постоянной времени установления частоты генератора во время выхода его на рабочий режим, при резких изменениях температуры как в момент включения, так и окружающей среды, а уменьшение массы пластины крепления лазерного диода приводит к потере прочности конструкции резонатора. Как видим, и здесь возникают ограничения на возможность роста «напора» тепла в целом передаваемого КП в процессе его разогрева.

Целью настоящего изобретения являются увеличение количества тепла передаваемого КП в резонаторе-прототипе, уменьшение времени выхода кварцевого резонатора на рабочий режим и уменьшение ТДКЧ, при сохранении потребляемой мощности на уровне резонатора-прототипа. Эта цель достигается тем, что металлическая пластина, на которой крепится лазерный диод, выполнена в виде диска с пазами прямоугольной формы, начинающимися у места крепления лазерного диода, а образовавшиеся ламели крепятся металлическими стержнями, проходящими через диэлектрические изоляторы металлического опорного кольца, причем на поверхность металлических ламелей у основания крепления лазерного диода нанесены цилиндрические бусинки из пористого газопоглощающего титана, из которого при форсированном разогреве резонатора выделяется необходимый объем газа, например гелия, и поглощается указанный газ до разрежения 10^-6 в рабочем состоянии генератора, при этом конструктивные размеры титановых бусинок и их количество определяются числом ламелей и эффективностью достигаемых возможных результатов стабильности частоты в рабочем состоянии.

Цель, на которую направлено данное изобретение, состоит в решении задачи по созданию резонатора, лишенного недостатков, свойственных прототипу. Технический результат, который дает осуществление изобретения, состоит в увеличении количества тепла, передаваемого (КП), без увеличения потребляемой мощности, снижении ТДКЧ и уменьшении времени готовности к работе генератора в целом.

Чертежи, на которых изображено:

- на фиг.1 - конструкция КР (без внутренних соединений);

- на фиг.2 - вид А и Б на конструкцию металлической пластины с установленными на ней лазерным диодом, фокусирующей линзой, бусинками из пористого титана, закрепленных на металлическом опорном кольце.

Кварцевый резонатор (фиг.1-2) содержит вакуумированный корпус 1, в котором закреплено основание 2 с размещенным на нем нагревательным элементом - ЛД 3 с выводами 9 и горизонтально закрепленной линзой 10 на пути лазерного луча 11, установленными на металлической пластине 4, и контактными лепестками 5, в которых размещен линзовый КП 6. Основание 2 выполнено в виде металлического опорного кольца с расположенными на нем местами крепления в вакуумированном корпусе 1. Места крепления опорного металлического кольца в корпусе и места крепления металлической пластины 4 на опорном кольце 2 выполнены в виде диэлектрических (например, стеклянных) изоляторов, в которых размещены металлические стержни. Вакуумированный корпус 1 снабжен теплоотражающим металлическим покрытием внутренней поверхности 8. Металлический диск 4 представляет собой ламельную конструкцию с разрезами 12, начинающимися у мест крепления линзы 10 (фиг.2, вид А), а сами металлические ламели 14 закреплены металлическими стержнями 7. У мест крепления линзы на каждой из ламелей (показан вариант конструкции металлического диска для четырех ламелей) размещены бусинки (вариант из 4 бусинок) из пористого титана 13 (фиг.2, вид А и Б).

Кварцевый резонатор работает следующим образом.

В момент включения кварцевого генератора начинается разогрев КП за счет излучаемой энергии лазерного диода, одновременно на аноде лазерного диода 3 выделяется максимальная мощность, которая рассеивается на радиаторе 14 и разогревает бусинки 13 из пористого титана, тем самым обеспечивая их минимальную адсорбцию, что обеспечивает рабочее давление гелия в объеме кварцевого резонатора и максимальную теплопроводность среды, окружающей пьезоэлемент 6. Таким образом, выход КП на номинальную частоту реализуется быстрее, т.к. появляется дополнительный источник переноса тепла от нагревателя - ЛД к КП за счет разогреваемого гелия. По мере достижения номинальной рабочей температуры кварцевого резонатора гелий, находящийся в баллоне кварцевого резонатора, поглощается пористым титаном 13, чем обеспечивается высокий вакуум в рабочем объеме кварцевого резонатора. Этим достигается также существенное уменьшение ТДКЧ кварцевого резонатора и не приводит к росту потребляемой энергии генератором в целом.

Новым в изобретении являются конструктивное исполнение металлического радиатора в виде ламелей, на котором крепится нагреватель - ЛД, и расположение бусинок из пористого титана практически в контакте с наиболее разогреваемыми частями ламелей радиатора, рядом с креплением основания нагревателя - ЛД, а также повышение теплопередачи от нагревателя к КП на уровне потребляемой мощности генератора-прототипа.

Указанный выше технический результат обеспечивается всей совокупностью существенных технологических признаков.

Литература

1. Дикиджи А.Н. Прецизионные кварцевые резонаторы. // Электронная техника, сер. Х, 1968, вып.5, с.15-17.

2. Шапиро В.А. и др. Особенности изготовления и основные параметры прецизионных кварцевых резонаторов, заполненных гелием. // Электронная техника, сер. 5, 1976, вып.2, с.79-80.

3. А.с. СССР №621070 от 28.04.1978, // В.А.Шапиро, Ю.С.Иванченко, В.А.Вильшук /, Бюл №31, 25.08.78.

4. 3аявка №2011107983, от 26.03.2011. Генератор с лазерным возбуждением кварцевого резонатора /Иванченко Ю.С./

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может использоваться в устройствах стабилизации частоты кварцевых генераторов. Достигаемый технический результат - уменьшение температурно-динамического коэффициента кварцевого резонатора, уменьшение времени готовности к работе. Кварцевый резонатор содержит вакуумированный корпус с внутренним теплоотражающим покрытием, внутри которого размещен нагреватель - лазерный диод, закрепленный в центре на радиаторе в виде металлической дисковой пластины, которая удерживается металлическими стержнями, линзовый кварцевый пьезоэлемент, фокусирующую линзу, при этом металлическая дисковая пластина, на которой крепится лазерный диод, выполнена в виде диска с пазами прямоугольной формы, образуя ламели, начинающиеся у места крепления лазерного диода, образовавшиеся ламели крепятся металлическими стержнями, проходящими через диэлектрические изоляторы металлического опорного кольца, причем на поверхность металлических ламелей у основания крепления лазерного диода нанесены цилиндрические бусинки из пористого газопоглощающего титана, из которого при форсированном разогреве кварцевого резонатора выделяется необходимый объем газа, например гелия, и поглощается указанный газ до разрежения 10^-6 в объеме кварцевого резонатора в рабочем состоянии. 3 ил.

Кварцевый резонатор, содержащий вакуумированный корпус с внутренним теплоотражающим покрытием, внутри которого размещен нагреватель - лазерный диод, закрепленный в центре на радиаторе в виде металлической дисковой пластины, которая удерживается металлическими стержнями, проходящими через диэлектрические изоляторы металлического опорного кольца, линзовый кварцевый пьезоэлемент, фокусирующую линзу, отличающийся тем, что металлическая дисковая пластина, на которой крепится лазерный диод, выполнена в виде диска с пазами прямоугольной формы, образуя ламели, начинающиеся у места крепления лазерного диода с креплением по контуру диска металлическими стержнями, проходящими через диэлектрические изоляторы металлического опорного кольца, причем на поверхность металлических ламелей у основания крепления лазерного диода нанесены цилиндрические бусинки из пористого газопоглощающего титана, из которого при форсированном разогреве резонатора выделяется необходимый объем газа, например гелия, и поглощается указанный газ до разрежения 10^-6 в объеме кварцевого резонатора в рабочем состоянии, при этом конструктивные размеры титановых бусинок и их количество определяются числом ламелей и эффективностью достигаемых возможных результатов стабильности частоты в рабочем состоянии генератора.