Содержание к диссертации
Введение
1. Проведение аналитических и патентных исследований и анализ научно-технических материалов по принципам построения ударостойких источников высокостабильных колебаний
1.1. Аналитические и патентные исследования и выбор направлений исследований
1.2. Варианты схемной реализации задающего генератора на основе ударостойкого кварцевого резонатора
1.3. Анализ методов построения и вариантов реализации задающего генератора с использованием ПАВ-структуры
1.4. Выводы и постановка задач исследования 34
2. Моделирование и анализ пассивной части автогенератора на фильтровой ПАВ структуре
2.1. Модель ПАВ фильтра на длинных линиях 38
2.2. Исследование входного импеданса ПАВ фильтра через анализ его волновой матрицы
2.2.1. Анализ пассивной части, реализованной на ПАВ фильтре с импедансом 200 Ом
2.2.2. Анализ трехточечной схемы автогенератора с пассивной частью, реализованной на ПАВ фильтре с импедансом 50 Ом
2.3 Выводы 67
3. Аналитический обзор методов повышения температурной стабильности частоты выходного колебания генератора на ПАВ структуре
4. Практическая реализация высокостабильного ударостойкого генератора
4.1. Разработка термокомпенсирующего устройства
4.2. Расчет механических напряжений, возникающих в пьезопластине ниобата лития
4.2.1. Аспекты конструктивно-технологических решений по созданию ударостойких генераторов
4.2.2. Исследование на ударостойкость ЗГ на ПАВ фильтре расчетным методом
Заключение 121
Список литературы
- Варианты схемной реализации задающего генератора на основе ударостойкого кварцевого резонатора
- Анализ методов построения и вариантов реализации задающего генератора с использованием ПАВ-структуры
- Анализ пассивной части, реализованной на ПАВ фильтре с импедансом 200 Ом
- Расчет механических напряжений, возникающих в пьезопластине ниобата лития
Варианты схемной реализации задающего генератора на основе ударостойкого кварцевого резонатора
Основными факторами, определяющим направление исследований, является комплекс требований, достаточно сложно сочетаемый в едином решении. Для решения задачи необходимо взвесить и выделить наиболее критические требования, являющиеся опорными точками исследований. Основным фактором, определяющим сложность выбора, является G-стойкость, которую, однако, нельзя рассматривать отдельно от таких требований, как малые габариты, перестройка по частоте, малое время включения, широкий интервал рабочих температур и как следствие этого - достаточно жесткие требования к стабильности номиналов излучаемых частот и внеполосным излучениям радиочастотного спектра выходного сигнала автогенератора.
Требованиям по G-стойкости должны удовлетворять все узлы проектируемого изделия, но наибольшей чувствительностью к перегрузкам обладает частотозадающий элемент, выбор которого определяет научно-техническое направление исследований.
Возможна реализация нескольких подходов к задаче построения задающего автогенератора.
Например, наиболее простой, - использование в качестве частотозадающего элемента генератора LC колебательных систем. Их основной недостаток -невысокая температурная стабильность и непрогнозируемость поведения при старении элементов. Достоинство - малые габариты и при использовании современных SMD-компонентов G-стойкость и доступность. Частным случаем использования в качестве добротной колебательной системы, обеспечивающей достаточно высокое качество спектрального состава генератора, может являться применение отрезков коаксиальных или полосковых линий связи. Однако определенный частотный диапазон (150..200) МГц и выше не позволяет использовать ни то, ни другое. Коаксиальный резонатор имеет еще достаточно большую длину (порядка 25 см), что не позволит подобному резонатору уложиться в небольшой объем, а полосковый резонатор, в силу также большой его длины, не может разместиться на печатной плате (длина около 17 см), хотя использование полоскового резонатора очень заманчиво с точки зрения G стойкости. Дополнительным требованием при этом, не удовлетворяющим требованиям технологичности, был бы жесткий отбор стеклотекстолита с целью обеспечения стабильности его диэлектрической проницаемости при изготовлении конструкции.
Второе направление проектирования - использование в качестве колебательной системы задающего генератора кварцевых резонаторов. Существенным ограничением на их использование является то, что кристаллическая пластина резонатора является самым хрупким элементом электронных систем. Основным действующим фактором, приводящим к разрушению кварцевого резонатора, при воздействии на него ускорения является сила, прикладываемая к пьезоэлементу и создающая наиболее сильные напряжения в кристалле в местах его крепления. Сила, как следует из второго закона Ньютона, пропорциональна массе т и ускорению a: F=mxa. Силам, возникающим при ускорении тела, противодействуют силы упругости внутри тела. Поверхностная плотность сил упругости определяется как механическое напряжение. Наибольшая концентрация механического напряжения в кварцевом резонаторе возникает в местах крепления пьезопластины. Традиционно пьезопластину в типичных кварцевых резонаторах крепят в точках по её краям, чтобы не снижать добротность резонатора. Кроме того, для увеличения добротности и чистоты спектра резонатора форму пьезопластины делают плосковыпуклой или двояковыпуклой, что приводит к уменьшению площади крепления пьезопластины к кристаллодержателю, и, следовательно, к увеличению концентрации механического напряжения в точках крепления. Таким образом, для уменьшения механического напряжения необходимо увеличивать количество точек крепления и по возможности увеличивать площадь крепления, что невозможно при использовании традиционной технологии изготовления кварцевых резонаторов.
Добиться успеха в повышении прочности кварцевых резонансных систем позволяет уменьшение диаметра пьезопластины до размеров 1 мм и применение миниатюрных керамических пакетов для корпуса резонатора, который одновременно играет роль кристаллодержателя, что одновременно связано с повышением частоты резонаторов. Подобные кварцевые резонаторы, представленные на рынке предприятиями группы «Пьезо» [1], создаются с применением новых материалов и конструкций и сопровождаются повышением механической прочности. По оценке специалистов, использование меза-структурной формы кристаллических элементов в резонаторах предприятий ОАО «Пьезо» позволило повысить ударную прочность резонаторов по сравнению с классическим кристаллическим элементом гармоникового типа. В 2005 году специалистами ОАО «Пьезо» были изготовлены и испытаны микроминиатюрные лабораторные образцы (объем менее 0.02 см3) резонаторов, которые обеспечили ударную прочность при воздействии ударов 25000g. При этом не было обнаружено конструктивных изменений, и уход частоты был на порядок меньше, чем при использовании традиционных низкочастотных кварцевых резонаторов.
К недостаткам кварцевых резонаторов предприятия ОАО «Пьезо» следует отнести их низкую резонансную частоту (до (35...40) МГц). Для получения номинала выходной частоты передатчика около 200 МГц следует использовать схемы умножения частоты. Вариант умножения частоты с помощью резонансных, работающих с необходимым углом отсечки, усилителей громоздок по схеме и одновременно капризен, и к изменению напряжения питания, и к изменению температуры. Также в подобных схемах достаточно трудоемко поддерживать стабильным уровень выходного сигнала.
Анализ методов построения и вариантов реализации задающего генератора с использованием ПАВ-структуры
Существует два разных подхода к задаче проектирования конкретного автогенератора с устройством на ПАВ [20]. Один из них - разработка автогенератора под конкретное устройство на ПАВ, которое есть в наличии у разработчика. Другой подход - это создание устройства на ПАВ с заданными электрическими и механическими свойствами, что может дать существенное улучшение параметров автогенератора. Определим ряд требований к ПАВ устройству для создания генератора, управляемого напряжением, с широкой перестройкой по частоте. Ширина полосы перестройки ГУН на основе ПАВ резонатора или ПАВ фильтра зависит от полосы пропускания ПАВ структуры. Передаточная характеристика ПАВ элемента в основном определяется свойствами передаточных функций передающего и приемного встречно-штыревых преобразователей (ВШП), а также согласующих цепей. Эффективность, ширина полосы частот и электрическое сопротивление ВШП как наиболее распространенного устройства возбуждения и приема ПАВ определяются только его геометрическими размерами и физическими параметрами пьезоэлектрика (подложки), поэтому существует некоторое оптимальное количество пар электродов N0, при котором можно получить максимальную эффективность при заданном электрическом сопротивлении преобразователя [58]. С учетом связи между относительной шириной полосы пропускания Af/f и величиной N0 можно
Значения к2св сильно отличаются для разных материалов: для ниобата лития к2св составляет примерно 0.05, для танталата лития Z и Y ориентации -0,01, а для кварца - 0,002. Оценивая потери в ПАВ структуре, следует отметить, что использование пьезокристаллов ниобата лития, германата висмута и пьезокварца позволяет создавать ПАВ устройства с небольшими вносимыми потерями [58]. Поэтому, с точки зрения создания широкополосных ПАВ устройств с малыми потерями, наиболее предпочтительным материалом для звукопровода является ниобат лития. Важной особенностью ПАВ фильтра является то, что его амплитудно-частотные (АЧХ) и фазочастотные (ФЧХ) характеристики не связаны однозначно между собой, и крутизну фазовой характеристики можно изменять путем изменения расстояния между приемной и передающей структурой ВШП [58]. Это дает возможность изменять ширину полосы перестройки частоты независимо от вида АЧХ фильтра. Поэтому задача синтеза необходимой ПАВ структуры для генератора с большой перестройкой сводится к проектированию фильтра на ПАВ с малыми вносимыми потерями (класс ПАВ фильтров для входных цепей радиоприемного тракта) и с линейной ФЧХ в полосе пропускания для обеспечения одномодового режима генерации. Интерес представляет пассивная часть схемы автогенератора, выполненная на относительно широкополосном ПАВ фильтре с малыми вносимыми потерями в полосе пропускания и линейной фазочастотной характеристикой в полосе пропускания. Особенностью ПАВ фильтра в схеме автогенератора должно быть то, что, являясь изначально четырехполюсником, с точки зрения включения его в схеме автогенератора должен представлять собой двухполюсник (рисунок 2.14). Индуктивный характер входного импеданса данного эквивалентного двухполюсника, необходимый для работы трехточечной схемы, реализуется за счет П-контура [59-62], перестраиваемого с помощью варикапа, создавая, тем самым, возможность в самой ПАВ структуре реализовать режим стоячей волны. Подобное включение ПАВ фильтра является нетрадиционным для данного типа устройств на ПАВ и поэтому необходим дополнительный анализ характера входного импеданса линейной (пассивной) части автогенератора.
Двухполюсное представление автогенератора с регулируемым индуктивным импедансом на ПАВ фильтре Для анализа характера входного импеданса Znacc линейной части автогенератора удобно воспользоваться элементами волновой теории, представив ПАВ фильтр через волновую матрицу рассеяния (S-параметры) [63-65]. Известно, что для любой цепи коэффициенты рассеяния с одинаковыми индексами Ом; величины і являются комплексными; S-параметры - измеренные величины, используемые как входные данные для анализа пассивной части автогенератора на ПАВ фильтре.
Таким образом, выполняется переход на макро-уровень моделирования линейной части и, соответственно, автогенератора и имеется возможность формировать общие требования к параметрам ПАВ фильтра, таким, как вносимое затухание, полоса пропускания, линейность фазовой характеристики. Такой подход удобен тем, что нет привязки к конкретной структуре и способам, которыми реализован ПАВ фильтр с малыми потерями [66-69]. Пассивную часть на рисунке 2.1 можно исследовать методами классической теории линейных цепей [63, 64, 70-74] (законы Киргофа, электромеханические аналогии, теория многополюсников). Однако, представление ПАВ фильтра (как основного элемента пассивной части автогенератора) на основе одной из эквивалентной схем [32] (микро-уровень моделирования) диктует необходимость для каждой конкретной структуры ПАВ [67] фильтра производить модификацию его эквивалентной схемы с учетом индивидуальных особенностей (например, кольцевой, резонаторной, повторяющейся структуры, с учетом апподизации систем электродов).
Преимущество использования S-параметров для анализа и расчета именно высокочастотных схем также заключается в том, что они позволяют учесть в процессе расчетов паразитные обратные связи, направления и места утечки высокочастотного (ВЧ) сигнала, особенности топологии печатной платы и места размещения ВЧ устройства для более точного проектирования автогенератора средствами компьютерного моделирования [76-80].
Анализ пассивной части, реализованной на ПАВ фильтре с импедансом 200 Ом
Графики зависимости частоты от управляющего напряжения при предельных (максимальной и минимальной) температурах практически отличаются только на константу, поэтому для сплайн-аппроксимации будем В большинстве практических приложений желательно соединить экспериментальные точки неломанной линией, а гладкой кривой. Лучше всего для этих целей подходит интерполяция кубическими сплайнами, т. е. отрезками кубических парабол. Смысл сплайн-интерполяции заключается в том, что в промежутках между точками осуществляется аппроксимация в виде зависимости A(t)=at3+bt2+ ct+d. Коэффициенты а, Ь, с, d рассчитываются независимо для каждого промежутка, исходя из значений у в соседних точках. Этот процесс скрыт от пользователя, поскольку смысл задачи интерполяции состоит в выдаче значения A(t) в любой точке t. Для аппроксимации используется функция interp(s,x,y,t) — функция, аппроксимирующая данные векторов х и у кубическими сплайнами, где s — вектор вторых производных, созданный одной из сопутствующих функций cspline, pspline или lspline; х — вектор действительных данных аргумента, элементы которого расположены в порядке возрастания; у — вектор действительных данных значений того же размера; t — значение аргумента, при котором вычисляется интерполирующая функция. Аппроксимация зависимости частоты от управляющего напряжения и
Вычислим зависимость отклонения частоты в ррт на выходе генератора от температуры при идеальной термокомпенсации. Зададим минимальное значение кода ЦАП (соответствует максимальному значению управляющего напряжения) и максимальное значение кода ЦАП (соответствует минимальному значению управляющего Напряжения): DACmm := 355 DACmax := 3501 Зависимость величины управляющего напряжения от значения кода ЦАП: зависимость управляющего напряжения от температуры для осуществления идеальной температурной компенсации Зависимость кода ЦАП от температуры для осуществления идеальной
Зависимость кода ЦАП от температуры для осуществления идеальной температурной компенсации Погрешность термокомпенсации, возникающая из-за дискретности кода АЦП (пОГреШНОСТЬ ИЗМереНИЯ Температуры) В ppm: SFadc :=ppm(SF-dT) = -8.697 Погрешность термокомпенсации, возникающая из-за дискретности кода ЦАП (погрешность установления управляющего напряжения) в ррт (используем
Таким образом, основной ошибкой идеальной термокомпенсации является погрешность измерения температуры, и при идеальной термокомпенсации погрешность будет составлять величину порядка 8 ррт. При величине градиентов температуры между ПАВ и датчиком температуры более 0.2 градусов, вызванных самопрогревом процессора, тепловыми потоками в теле генератора и т.п. эта погрешность станет незаметной на фоне динамических составляющих.
С целью оптимального использования ресурсов микропроцесса для реализации синтезатора компенсирующей функции (СКФ) предпочтительно воспользоваться табличным способом с аппроксимацией, когда массив значений кодов ЦАП и АЦП формируется по экспериментальным данным, полученным через температурный интервал AT, а недостающие значения получают при помощи аппроксимации.
Для реализации генератора использован микроконтроллер C8051F413 с встроенными АЦП и ЦАП, встроенными тактовым генератором, датчиком температуры производителя Silicon Laboratories.
Анализ доступных на рынке отечественных ПАВ-фильтров и ПАВ-резонаторов отечественных производителей показал, что наиболее удобен для решения поставленной задачи ПАВ-фильтр производства Омского НИИ приборостроения, где возможен учет требований к линейности фазовой характеристике ПАВ-фильтра в полосе пропускания и его изготовление на заданный частотный диапазон. Немаловажным фактором является возможность доработки производителем ПАВ-фильтров для увеличения G-стойкости путем, в частности дополнительной проклейки пластины пьезоэлектрика.
На основе ПАВ-фильтра с центральной частотой 205 МГц, имеющего линейную фазовую характеристику с фазовым набегом ±180 в полосе пропускания 5 % по уровню -3 дБ на кристалле LiNb03 среза YX/490, были практически разработана схемы генератора, основой которой является схема емкостной трехточки с использованием ПАВ-фильтра в качестве индуктивного сопротивления, и СКФ на основе микропроцессора C8051F413 -GM для компенсации температурной нестабильности самого генератора (рисунок 4.2).
Для обеспечения возможности перестройки по частоте и соответственно термокомпенсации второй вход ПАВ-фильтра нагружен на П-контур, состоящий из элементов С18, С19, L1 и управляемой емкости на варикапах BBY57-02W (VD1, VD2). Сопротивления R5 и R6 выполняют роль развязки между высокочастотной частью схемы и схемой управления частотой. СКФ состоит из микропроцессора DD1 со встроенным термодатчиком и токовым 12-ти битовым цифроаналоговым преобразователем (ЦАП) и схемы токового зеркала на базе VT1. В зависимости от температуры микропроцессор (МП) формирует импульсы тока, которые преобразуются в управляющее напряжение для ПАВ-ГУН. Сопротивлениями R3, R4 корректируется характертеристика управления ПАВ-ГУНом. Для формирования МП компенсирующих сигналов для управления частотой генератора в диапазоне температур экспериментальным образом были подобраны в соответствии с характеристикой управления генератора коэффициенты для ЦАП. Для определения кодов ЦАП макет ПАВ-ГУН с микропроцессором были помещены в камеру тепла и холода. В широком интервале изменения температур (термопрофиль приведен на рисунке 4.3) в автоматической системе подстройки частоты, в которую включен компьютер, были подобраны необходимые коды (рисунок 4.4).
Расчет механических напряжений, возникающих в пьезопластине ниобата лития
Для изотропных материалов справочными параметрами, характеризующими их упругие свойства, являются модуль Юнга Е, коэффициент Пуассона fi и модуль сдвига G, причем последний может быть вычислен через модуль Юнга и коэффициент Пуассона: . Рассмотрим растяжение однородного стержня с площадью сечения S, ось которого совпадает с осью xl системы координат. Растягивающая сила F создает единственную компоненту напряжения tl=F/S, которая вызывает деформации растяжения rl=Slltl и r2=S21tl. С другой стороны, известно, что при условиях данной задачи rl = tl/E, r2 = -jrrl и гЗ = —x-rl, откуда получаем:
При решении задач расчета деформаций в качестве неизвестных параметров выступают компоненты перемещений, из которых выражаются деформации. Следовательно, напряжения необходимо выразить через деформации. С этой целью вычислим обратную матрицу С = S :
Эта матрица представляет собой тензор коэффициентов жесткости (коэффициентов упругости). Размерности компонентов тензора [н/м2]. Из выражений для тензора упругости видно, что коэффициент Пуассона \і не может превышать значения 0.5, а при значении 0.5 компоненты тензора обращаются в бесконечность. Такой случай соответствует несжимаемым материалам.
Уравнения, связывающие напряжения и деформации, будут выглядеть так: T = C-R Для расчета механических напряжений конструкций, в которых действуют объемные силы, можно использовать различные программы. Наиболее просто 109 описание задачи делается в программе FlexPDE. Предварительный расчет целесообразно выполнять для осесимметричных конструкций, поскольку в таких конструкциях область расчета представляет собой плоское сечение, проходящее через ось симметрии, и расчет объемных напряжений сводится к решению плоской задачи. Осесимметричные задачи. Обозначим компоненты смещений через Ur и Uz. Для осесимметричных задач появляется дополнительная компонента деформации в направлении угловой координаты 0 (перпендикулярная плоскости чертежа), которая связана с изменениями радиального размера:
При повороте осей координат будут изменяться компоненты напряжений в каждой точке. Главными напряжениями в некоторой точке называются нормальные напряжения при таких поворотах осей координат, когда сдвиговые напряжения в данной точке обращаются в нуль. Главные напряжения достигают экстремальных значений, т.е. одно из них является максимальным, а другое -минимальным из всех возможных нормальных напряжений, получаемых при произвольных поворотах осей координат. Таким образом, главные напряжения определяют места и направления максимальных растягивающих напряжений, что позволяет определить возможные места возникновения трещин и их направления (направления трещин перпендикулярны направлению максимального главного напряжения).
Как видно из этих выражений, напряжение t3 не оказывает влияние на напряжения в повернутой системе координат, поэтому выводимые соотношения одинаково применимы как к тонким пластинам, так и к бесконечно протяженным вдоль оси Z конструкциям.
Приравнивая сдвиговое напряжение в повернутой системе координат (4.1) к нулю, получаем следующее уравнение: получаем выражение для угла поворота а: t6-2-cos(2а) = (tx -12) sin(2a)
Компоненты главных напряжений в исходной системе координат можно определить через амплитуды этих векторов и матрицу обратного поворота (из повернутой системы координат в исходную): асчета механических напряжений и деформаций. Если на границе задана величина перемещения, то граничное условие записывается в виде: value(Ux)=... или value(Uy)=... (или то и другое вместе). В частности, на закрепленных на основаниях границах следует записывать value(Ux)=0 value(Uy)=0.
На свободных поверхностях, на которые не действуют внешние силы, граничные условия задаются в виде load(Ux)=0 load(Uy)=0. Если задана отличная от нуля сила давления Р, то следует писать load(Ux)=P или load(Uy)=P (в зависимости от того, в каком направлении действует сила давления).
Результат деформаций можно увидеть с помощью оператора вывода grid(x+Ux mag,y+Uy mag) в разделе PLOTS, где mag - эмпирически подбираемый коэффициент увеличения деформаций, необходимый для получения наглядной картинки.
Деформации в виде векторного поля смещений частиц среды можно увидеть с помощью оператора vector(Ux,Uy) в разделе PLOTS.
Напряжения в виде линий уровня можно увидеть с помощью оператора contour(tl), contour(t2), contour(t6), contour(tml), contour(tm2) в разделе PLOTS. Если линии уровня сильно «зашумлены», и на них присутствуют периодические искривления, связанные с конечноэлементной сеткой, то необходимо произвести сглаживание линий с помощью оператора fit: contour(fit(tl,w)), где w - константа сглаживания, зависящая от густоты сетки (подбирается экспериментально).
Энергия внешнего воздействия. Если деформация возникает под действием внешнего давления с компонентами Рх и Ру, то для протяженной вдоль оси Z конструкции удельная энергия (энергия, приходящаяся на отрезок длиной 1м) может быть вычислена по формуле: Wp=sintegral(Px Ux+Py Uy)/2. [Дж/м]. Для тонкой пластины (постоянной или переменной толщины h) энергия будет равна: Wp=sintegral(h (Px Ux+Py Uy))/2. [Дж].
Эффективный коэффициент жесткости системы. Конструкцию можно рассматривать как некую пружину с эффективным коэффициентом жесткости К, который можно определить через силу давления F и перемещение L (K=F/L), или через энергию W и перемещение L (K=2-W/L2).
