ПАВ-генератор с двойным термостатом Российский патент 2020 года по МПК H03B5/32 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для улучшения температурной стабильности частоты, уменьшения времени выхода на рабочий режим и создания высокочастотных генераторов на поверхностно-акустических волнах (ПАВ).

Генераторы на поверхностно-акустических волнах используются в качестве опорных генераторов стабильных колебаний и применяются без дополнительного умножения частоты, что является преимуществом перед широко используемыми генераторами на объемных акустических волнах. Однако ПАВ-генераторы, имеют недостаточную температурную стабильность выходного высокочастотного колебания в широком интервале температур.

Создание температурно-зависимого управляющего воздействия для уменьшения отклонения частоты генератора от заданного значения является одним из распространенных методов стабилизации частоты.

Для поддержания высокой температурной стабильности частоты формируемого сигнала в широком диапазоне температур окружающей среды (-60…+70ºС) в генераторах с резонаторами на ПАВ широко применяются различного рода термостаты. Наряду с требованиями высокой стабильности частоты формируемого сигнала немаловажным требованием, предъявляемым к термостатированным генераторам, является минимизация времени выхода на рабочий режим (минимизация времени прогрева термостата при включении в диапазоне рабочих температур, что особенно актуально при включении генератора при низких температурах окружающей среды).

Известны различные ПАВ-генераторы с температурной стабилизацией, обеспечивающейся различными конструктивными приемами и описанные в следующих патентных источниках: JPH08274541, JPS639209, JPS5974709, US5721515, US2003090333, US2006279367, JP2000114873, JP2000124736, JP2006074096, JP2007067787, JP2009224865, JP2015032889, JP2015228551, JPH0870232, JPH0897636, JPS6184907, JPS61125207, NL7701797, US4489289, US2007096839.

Известен также генератор с температурной компенсацией, описанный в патентном документе Японии JPH 0897636. Генератор включает преобразователь постоянного напряжения, колебательный контур, содержащий элемент на основе ПАВ, пьезоэлектрический элемент и периферийную плату, блок определения температуры и блок управления напряжением. Элемент на основе ПАВ расположен на пьезоэлектрическом элементе. При подаче низкого напряжения на генератор с температурной компенсацией от низковольтного источника питания, колебательный контур колеблется с резонансной частотой характерной для элемента на основе ПАВ. Преобразователь постоянного напряжения регистрирует температуру окружающей среды с помощью термистора, являющегося частью блока определения температуры, повышает напряжение, подаваемое от низковольтного источника питания, и выводит его на пьезоэлектрический элемент. Поскольку пьезоэлектрический элемент расширяется и сжимается в соответствии с величиной напряжения, получаемого от преобразователя, расстояние между электродами встречно-штырьевого преобразователя, связанными с пьезоэлектрическим элементом, также изменяется. Соответственно изменяется частота колебаний. Таким образом осуществляется управление частотой колебаний посредством напряжения, соответствующего температуре.

Известен также ПАВ-генератор, описанный в патенте на изобретение JPH 09298420. ПАВ-генератор состоит из ПАВ-резонатора, схемы преобразования резонансной частоты в напряжение и схемы температурной компенсации с датчиком определения температуры. Управление генератором осуществляется путем определения температуры самого ПАВ-резонатора, температурная компенсация для подавления колебаний выходной частоты обеспечивается даже при внезапном изменении температуры.

Однако в описанных выше конструкциях ПАВ-генераторов диапазона перестройки может не хватать для компенсации температурных уходов частоты в широком диапазоне температур, которые могут быть значительно больше обеспечиваемой перестройки. Кроме того, температурная зависимость частоты ПАВ-генератора носит сильно нелинейный характер, что значительно усложняет схемное решение компенсации.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является конструкция модуля ПАВ-генератора, описанная в патентной заявке КR на изобретение №20010076621. ПАВ-генератор включает в себя керамическую подложку с размещенными на ней матрицей пассивных элементов и переключателем, ПАВ-резонатор на низкотемпературной керамической подложке со схемой термокомпенсации, микросхему с реализацией функций управления массивом пассивных элементов, генерации и управления температурной компенсацией.

Недостатком наиболее близкого аналога является ступенчатое переключение цепей коррекции частоты, что неизбежно приводит к скачкам частоты ПАВ-резонатора при изменении внешней температуры и сложной схемной реализации с использованием процессора, множества электронных переключателей, набора дискретных корректирующих емкостей и индуктивностей.

Задачей заявляемого изобретения является обеспечение температурной стабильности частоты формируемого СВЧ сигнала при сокращении времени выхода на рабочий режим и повышении устойчивости к тепловым ударам.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что ПАВ-генератор с двойным термостатом включает узел формирования и управления СВЧ сигналом, состоящий из расположенного на керамической подложке ПАВ-резонатора с крышкой и звукопроводом, внутреннего термостата и внешнего термостата, при этом на обратной поверхности звукопровода размещен управляемый тонкопленочный нагреватель внутреннего термостата.

Заявляется также ПАВ-генератор, в котором наряду с вышеописанными признаками узел формирования и управления СВЧ сигналом дополнительно включает усилитель и буферный каскад.

Кроме того, заявляется также техническое решение, в котором внутренний термостат дополнительно включает датчик температуры и блок управления.

Заявляется также конструкция ПАВ-генератора, в которой внешний термостат включает металлический корпус с размещенными на нем нагревателями, датчик температуры и блок управления.

Кроме того, в заявляемом изобретении наряду с вышеописанными признаками управляемый тонкопленочный нагреватель внутреннего термостата выполнен из титана, а в качестве нагревателей внешнего термостата – полевые транзисторы.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в следующем.

Повысить температурную стабильность частоты формируемого СВЧ сигнала, сокращение времени выхода на рабочий режим и стойкости к тепловым ударом удалось благодаря применению двойной системы термостатирования, представленной внешним и внутренним термостатом. Внутренний термостат, выполненный миниатюрным и прецизионным за счет использования в его составе управляемого тонкопленочного нагревателя, нанесенного на обратную поверхность звукопровода ПАВ-резонатора, и внешний термостат, в виде металлического корпуса с размещенными на нем нагревательными элементами, расположенный вокруг замкнутого термостатируемого объёма, включающего в себя ПАВ-резонатор с управляемым тонкопленочным нагревателем, схемой управления тонкопленочным нагревателем и усилителем.

Выбор в пользу полевых транзисторов был сделан в связи с их большим запасом по тепловой мощности в корпусе малых размеров, что обеспечивает большие возможности по регулированию стартовой мощности термостатирования и высокую надежность.

Заявляемое техническое решение поясняется с помощью Фиг., на которой изображена схема построения ПАВ-генератора с двойным термостатом и позициями 1-11 обозначены:

1 – ПАВ-резонатор,

2 – управляемый тонкопленочный нагреватель,

3 – датчик температуры,

4 – схема управления тонкопленочным нагревателем,

5 – блок управления внутренним термостатом,

6 – металлический корпус внешнего термостата,

7 – нагреватели внешнего термостата,

8 – датчик температуры,

9 – блок управления внешним термостатом,

10 – усилитель,

11 – буферный каскад,

U_вых – выходное СВЧ напряжение ПАВ-генератора.

На металлическом основании, выполненном, например, из дюрали, расположен узел формирования и управления СВЧ сигналом. На основании сформирована керамическая подложка, повторяющая форму металлического основания, на которой размещен ПАВ-резонатор 1 с крышкой и звукопроводом. На обратной поверхности звукопровода расположен управляемый тонкоплёночный нагреватель 2 внутреннего термостата. К поверхности управляемого тонкоплёночного нагревателя 2 приклеен датчик температуры 3, например, в виде терморезистора. Управляемый тонкоплёночный нагреватель 2 может быть выполнен из титана. На поверхности керамической подложке по ее краям размещена также схема управления 4 нагревателем 2, включающая транзисторы. Работа внутреннего термостата регулируется блоком управления 5 в зависимости от заданного температурного режима. Внешний термостат имеет симметричный металлический корпус 6, выполненный преимущественно из дюрали, в который помещен узел формирования и управления СВЧ сигналом и основные элементы внутреннего термостата. На металлическом корпусе 6 расположены нагреватели 7, например, в виде полевых транзисторов, имеющих стандартный корпус КТ-89, D-pak или аналогичный с массивным теплоотводящим электродом. Кроме того, на металлическом корпусе 6 расположен датчик температуры 8, который соединен с блоком управления внешним термостатом. Рабочие температуры термостатов выбираются с разницей в 5-7 градусов. При этом температура термостатирования выбирается на 10-15 градусов выше, чем максимально возможная рабочая температура окружающей среды для данного ПАВ-генератора с целью исключения перегрева за счёт внутреннего статического нагрева остальных узлов конструкции: усилитель 10, буферный каскад 11.

При включении заявляемого ПАВ-генератора тепловой поток от внешнего термостата распространяется по узлу формирования и управления СВЧ сигналом. Благодаря высокой теплопроводности металлического корпуса внешнего термостата 6 обеспечивается равномерный прогрев с минимальными потерями энергии. Кроме того, равномерный прогрев конструкции обеспечивает высокую точность стабилизации температуры. Одновременно начинает работать внутренний термостат с обеспечением разогрева ПАВ-резонатора 1 равномерно по его объему, что значительно снижает время выхода на рабочий режим. К тому моменту, когда тепловой поток от внешнего термостата достигает внутреннего, он уже прогрет до рабочей температуры. В дальнейшем ток внутреннего термостата начинает снижаться в соответствии с ростом температуры внешнего термостата и в итоге стабилизируется при достижении теплового равновесия системы ПАВ-генератора. Кроме того, благодаря большой теплоемкости металлического корпуса внешнего термостата 6 и большого запаса мощности нагревательных элементов внешнего термостата 7, а также внутреннему термостату с меньшей теплоемкостью, чувствительному к малейшим колебаниям температуры, конструкция нечувствительна к тепловым ударам, и значительно улучшает температурную стабильность частоты.

Заявляемая конструкция ПАВ-генератора с двойным термостатом изготовлена и опробована на предприятии в качестве опытного образца. В ходе испытаний опытного образца при изменении внешней температуры в течение нескольких секунд от +70ºС до -60ºС не наблюдалось скачков частоты генерируемого СВЧ сигнала, температурная стабильность характеризовалась значениями 0,5…1 ppm, а время выхода на рабочий режим составило ~ 180 секунд при температуре окружающей среды -60ºС, что является приоритетным показателем в сравнении с известными аналогами.

Изобретение относится к радиотехнике. Технический результат заключается в обеспечении температурной стабильности частоты формируемого СВЧ сигнала при сокращении времени выхода на рабочий режим. ПАВ-генератор с двойным термостатом, характеризующийся тем, что он включает узел формирования и управления СВЧ сигналом, состоящий из расположенного на керамической подложке ПАВ-резонатора с крышкой и звукопроводом, внутреннего термостата и внешнего термостата, при этом на обратной поверхности звукопровода размещен управляемый тонкопленочный нагреватель внутреннего термостата, а внешний термостат расположен вокруг замкнутого термостатируемого объема, включающего в себя ПАВ-резонатор с управляемым тонкопленочным нагревателем, его схемой управления и усилителем. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. ПАВ-генератор с двойным термостатом, характеризующийся тем, что он включает узел формирования и управления СВЧ сигналом, состоящий из расположенного на керамической подложке ПАВ-резонатора с крышкой и звукопроводом, внутреннего термостата и внешнего термостата, при этом на обратной поверхности звукопровода размещен управляемый тонкопленочный нагреватель внутреннего термостата, а внешний термостат расположен вокруг замкнутого термостатируемого объема, включающего в себя ПАВ-резонатор с управляемым тонкопленочным нагревателем, его схемой управления и усилителем.

2. ПАВ-генератор по п.1, характеризующийся тем, что узел формирования и управления СВЧ сигналом дополнительно включает усилитель и буферный каскад.

3. ПАВ-генератор по п.1, характеризующийся тем, что внутренний термостат дополнительно включает датчик температуры и блок управления.

4. ПАВ-генератор по п.1, характеризующийся тем, что внешний термостат включает металлический корпус с размещенными на нем нагревателями, датчик температуры и блок управления.

5. ПАВ-генератор по п.3, характеризующийся тем, что управляемый тонкопленочный нагреватель внутреннего термостата выполнен из титана.

6. ПАВ-генератор по п.4, характеризующийся тем, что в качестве нагревателей внешнего термостата – полевые транзисторы.