Кварцевые резонаторы-термостаты

В разработанных кварцевых резонаторах-термостатах температурная нестабильность частоты снижена до величины порядка 10^-6 – 10^-8 при резком уменьшении потребляемой мощности, временя установления частоты, габаритов н массы н повышении надежности.

Стабильность частоты электрических колебаний играет решающую роль в работе радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) различного назначения. Для многих устройств относительная нестабильность опорной частоты генераторов в жестких условиях эксплуатации не должна превышать величин порядка 10^-6 -10^-8.

Высокоэффективными стабилизаторами частоты генераторов являются пьезоэлектрические кварцевые резонаторы. Основная составляющая нестабильности частоты - температурная. Ее снижение до (0,5-1,0) х 10^-6 и менее путем помещения резонатора в специально создаваемый термостат приводит к резкому увеличению энергопотребления, времени установления частоты с момента включения, габаритов и массы устройства, снижает стойкость к механическим воздействиям и эксплуатационную надежность, а также существенно увеличивает трудоемкость изготовления и стоимость. Изменение характеристик малогабаритного вакуумного резонатора в баллоне диаметром 19 мм в результате термостатирования приведено в табл. 1.

Существенное ухудшение эксплуатационных характеристик препятствует применению указанного способа термостатирования в комплексах подвижной РЭА и в аппаратуре автономных средств, особенно с ограниченными по энергоемкости и мощности источниками питания.

Эта проблема в значительной мере решена с разработкой резонаторов-термостатов (РТ), функционально и технологически сочетающих в единой конструкции собственно кварцевый резонатор и термостат. В РТ нагреватель, датчик температуры и теплораспределительные элементы совмещены с кварцедержателем, вакуум резонатора служит также эффективной теплоизоляцией термостата, а корпус резонатора одновременно является и корпусом термостата. Таким образом, получен резонатор с "собственным" (внутренним) термостатированием.

В качестве нагревателей и термодатчиков термостатирующей системы в РТ использованы полупроводниковые терморезисторы с большим положительным ТКС - позисторы. Изменение сопротивления позистора в зависимости от его температуры представлено на рис. 1. Большой положительный ТКС (~20% °С) в области 65-95°С обеспечивает автостабилизацию ("саморегулирование") температуры позисторного нагревателя при изменениях температуры окружающей среды, а также напряжения питания.

Рис. 1. Зависимость сопротивления позистора от температуры

Малое сопротивление при нормальных и пониженных температурах обусловливает автофорсаж разогрева после включения. Таким образом без каких-либо устройств управления мощностью подогрева в интервале температур окружающей среды от -60 до + 70°С достигнута точность термостабилизации до ±3°С и соответственно, относительная нестабильность частоты ± 5 • 10^-7 (на пьезоэлементах АТ-среза). С помощью простого терморегулятора можно повысить точность термостабилизации до ± (0,3 - 0,5)°С и тем самым снизить температурную нестабильность частоты до величин порядка 10^-8.

Конструктивно РТ выполнен в вакуумированном стеклянном корпусе стандартной пальчиковой радиолампы с девятью жесткими выводами, допускающими припайку гибких проводников (рис. 2). Термостатируемый узел РТ представляет собой металлическую камеру 1, внутри которой закреплен кварцевый пьезоэлемент 2, а снаружи припаяны позисторы 3, соединенные параллельно.

Рис. 2. Конструкция резонатора-термостата

Металлическая камера является тепловым и электрическим экраном для пьезоэлемента, обеспечивающим равномерный его разогрев. Стойки держателя 4, крепящие термостатируемый узел 1-3, одновременно служат электрическими выводами. Они имеют большое термическое сопротивление, что, на - ряду с нанесенным на баллон 5 теплоотражающим покрытием 6 и вакуумированием корпуса обеспечивает малое энергопотребление РТ.

Изменение мощности, потребляемой РТ после включения при различных температурах окружаю - щей среды, приведено на рис. З. Характерный пик мощности при пониженных температурах обусловлен температурной характеристикой позисторного нагревателя (см. рис.1) и, как отмечалось выше, играет роль автофорсажа разогрева. Вскоре после включения мощность резко падает и уже через 2-3 мин практически достигает установившегося значения.

Рис. 3. Изменение мощности, потребляемой резонатором-термостатом после включения

Исследованиями установлено влияние различных конструктивно-тех но логических факторов на основные эксплуатационные характеристики РТ - нестабильность частоты при изменениях температуры среды и напряжения питания, потребляемую мощность, время установления частоты.

С учетом результатов исследований на пьезоэлементах АТ- среза в диапазоне частот 2-10 МГц создан целый ряд промышленных типов РТ массой не более 20 г с эксплуатационной нестабильностью частоты порядка 10^-6 – 10^-8. Их основные технические характеристики приведены в табл. 2. Резонаторы-термостаты допускают эксплуатацию в условиях жестких механических воздействий: длительных вибраций в диапазоне частот до 2000-2500 Гц с ускорением до 10 g, многократных ударов с ускорениями до 40-120 g, одиночных ударов с ускорениями до 500 g и линейных ускорений до 50 g.

По питанию различные типы РТ рассчитаны на стандартные напряжения постоянного тока в диапазоне от 5 до 27 В, а также на часто используемое в межкаскадных соединениях связной аппаратуры напряжение 18 В. Допустимые изменения питающего напряжения - до ±(10-20)% от номинального значения. РТ типов 1-3 - полностью саморегулирующиеся ; в РТ типов 4 и 5 указанная температурная нестабильность частоты реализуется при подаче напряжения на нагреватель через внешний терморегулятор.

Резонаторы-термостаты освоены в производстве и успешно применяются в различных комплексах новой радиоэлектронной аппаратуры. В разработанных РТ резко улучшены характеристики по сравнению с резонаторами с традиционным наружным термостатированием: в 5-10 раз сокращено энергопотребление, на порядок уменьшены объем и масса, в 3 раза сокращено время установления частоты после включения, в 2—3 раза увеличено время минимальной наработки, повышена стойкость к механическим воздействиям до стойкости обычных прецизионных резонаторов.

Трудоемкость производства и стоимость РТ лишь на 20-50% выше, чем обычных прецизионных резонаторов, т. е. примерно в 2 раза ниже, чем у резонаторов с наружными термостатами.

Дальнейшее совершенствование частотных систем связано с переходом к разработке и выпуску функционально законченных блоков - интегральных кварцевых генераторов опорных частот с собственным термостатированием или генераторов-термостатов.