Введение к работе
Актуальность работы.
Кварцевый генератор (КГ) - один из основных узлов приемопередающих устройств, систем обработки информации, систем единого времени, телекоммуникационных систем, систем мобильной связи, средств измерения. Развитие техники налагает новые требования к конструкциям и параметрам опорных генераторов и резонаторов, происходит изменение условий их эксплуатации. Среди дестабилизирующих факторов, вызывающих нестабильность частоты КГ, главную роль отводят влиянию изменения температуры окружающей среды. Термостатированные кварцевые генераторы (ТСКГ) обладают наибольшей стабильностью частоты по сравнению с другими видами КГ. Выполнение требований к стабильности частоты достигается главным образом поддержанием постоянной температуры пьезокварцевои пластины резонатора и использованием срезов кварцевых резонаторов с малым температурным коэффициентом частоты, таких как ТД-срез. Одной из главных причин температурной нестабильности частоты ТСКГ является наличие температурного градиента между нагревателем, резонатором и термодатчиком. Если термодатчик плохо совмещен с пьезопластиной, то система термо-статирования будет поддерживать постоянной температуру датчика, а не пьезокварцевои пластины. Идеальное совмещение датчика с пьезопластиной очень затруднено, поскольку частота определяется температурой центральной части пластины, где амплитуда колебаний максимальна, а помещать туда термодатчик нельзя, так как он будет снижать добротность резонатора. Одним из возможных решений может быть использование одновременного возбуждения двух мод в резонаторе ТД-среза. (Обозначение ТД принято в качестве группового для ряда срезов, куда входит SC-срез). Таким образом, можно получить пространственно-совмещённый датчик температуры с резонансным источником высокостабильных колебаний. Отдельные вопросы построения генераторов с двухмодовым возбуждением резонаторов рассматривались в работах В. Я. Баржина, Ф. Ф. Колпакова, Ю. С. Иванченко, Ю. С. Шмалий, В. П. Багаева, А. В. Косых, В. Ф. Самойленко, С. А. Завьялова. Однако использование термочувствительной моды не находит применения в серийных изделиях из-за нестабильности её динамического сопротивления, так называемых «провалов активности», когда добротность резонанса резко падает. Причины «провалов» В-моды практически не были изучены. Вопрос о том, насколько идентичны тепловые постоянные времени опорной и термочувствительной мод, никем подробно не рассматривался. Работа системы термоста-тирования КГ с пространственно-совмещённым датчиком температуры на основе В-моды мало изучена. Необходимость создания надёжных двухмодовых резонаторов, свободных от «провалов активности», позволяющих с высокой разрешающей способностью определять отклонение температуры в пьезопластине резонатора ТСКГ, определили направления исследований диссертационной работы.
Работа над диссертацией велась в рамках НИР по хоздоговорной и госбюджетной темам на кафедре РТУ и СД Омского Государственного технического университета.
Цель диссертационной работы: теоретическое и экспериментальное обоснование целесообразности применения термочувствительной В-моды кварцевого резонатора ТД-среза в системе термостатирования кварцевых генераторов в качестве дополнительного пространственно совмещённого с пьезопластиной резонатора датчика температуры.
Задачи диссертационной работы:
разработка терморегулятора, в составе которого в качестве одного из температурных датчиков применён пространственно-совмещённый с резонатором сенсор, работающий на термочувствительной моде колебаний;
исследование причин нестабильности динамического сопротивления термочувствительной В-моды в рабочем интервале температур, направленное на получение стабильных по динамическому сопротивлению двухмодовых резонаторов ТД-среза в расширенном диапазоне температур;
построение модели собственных частот толщинно-сдвиговых колебаний в кварцевом резонаторе ТД-среза;
разработка методики расчета величин тепловых постоянных времени термочувствительной В-моды и опорной С-моды сдвиговых колебаний по толщине кварцевых резонаторов ТД-среза;
построение и исследование тепловой модели системы термостатирования кварцевого генератора.
Объекты и методы исследования.
Объектами исследования являются кварцевые резонаторы ТД и SC-среза, тепловая модель термостатированного кварцевого генератора (ТСКГ) и модель собственных частот толщинно-сдвиговых колебаний резонатора ТД-среза. При этом особое внимание уделено стабильности температуры резонатора в условиях динамически меняющейся температуры окружающей среды.
Применительно к объектам исследования для решения поставленных задач используются методы: электротепловой аналогии; моделирования электронных схем; экспериментальных исследований; теории теплопроводности; тензорной алгебры для расчёта материальных констант кварцевого резонатора; математического моделирования колебательных процессов в резонаторе; метод конечных элементов для решения частных дифференциальных уравнений.
Научная новизна. В работе решены научные задачи, новизна которых заключается в следующем:
Впервые выведена формула, позволяющая произвести расчёт конструктивных размеров плосковыпуклой пьезокварцевой пластины резонатора ТД-среза, не имеющего возмущений динамического сопротивления термочувствительной В-моды колебания от взаимодействия с ангармониками опорной С-моды, для создания стабильных двухмодовых резонаторов ТД-среза с пространственно совмещённым датчиком температуры в расширенном диапазоне температур.
» Развита модель собственных колебаний сдвига по толщине кварцевых пье-зопласгин сложной формы в виде численно-аналитической квазитрёхмер-ной модели, позволяющая проводить анализ влияния изменений геометрических параметров пьезопластнны и электродов на значения собственных частот и динамических сопротивлений мод, а также определять локализацию толщинно-сдвиговых колебаний в пьезоэлементе по линиям уровня амплитуд.
Предложена методика расчета тепловых постоянных времени С-моды и В-
моды пьезокварцевой пластины ТД-среза при различных температурах, ос
нованная на вычислении относительного распределения смещений частиц
поверхности в модели колебаний сдвига по толщине, тепловой модели пье-
зоэлемента и предложенного в работе интегрального отношения, математи
чески связывающего эти модели для определения температуры моды.
» Уточнена температурно-динамическая модель пространственно совмещённого датчика температуры кварцевой пластины резонатора ТД-среза, путём учета зависимости тепловой постоянной времени моды от температуры пьезокварцевой пластины.
Разработана двухэтапная методика моделирования работы системы термо-
статировання кварцевого генератора в нестационарных условиях на трёх
мерной тепловой модели с переходом в среду схемотехнического модели
рования.
Практическая значимость результатов исследовании.
Полученное аналитическое выражение по расчёту конструктивных размеров кварцевого пьезоэлемента позволяет создавать двухмодовые резонаторы ТД- и SC- срезов, на температурной характеристике динамического сопротивления термочувствительной В-моды которых отсутствуют возмущения от взаимодействия с ангармониками опорной С-моды, что даёт возможность применять двухмодовые кварцевые генераторы с пространственно совмещённым датчиком температуры кварцевого резонатора в расширенном диапазоне температур.
Разработанная методика моделирования работы системы термостатирова-ния позволяет повысить эффективность проведения НИР и ОКР по созданию ТСКГ.
Разработчикам КГ рекомендовано учитывать зависимость тепловых постоянных мод от температуры резонатора, что позволит осуществлять более точную динамическую компенсацию уходов частоты генераторов в рабочем диапазоне температур.
Разработанная модель толшинно-сдвиговых колебаний кварцевых пластин позволяет сократить время на разработку новых кварцевых резонаторов с колебаниями сдвига по толщине;
Разработана и защищена патентом на полезную модель новая схема двух-частотного двухмодового кварцевого генератора, повышающая спектральную чистоту опорного колебания.
Реализация результатов работы.
Результаты теоретических исследований внедрены на ФГУП «Омский приборостроительный ордена Трудового Красного Знамени завод им. Н. Г. Козицкого», где они использованы при выполнении НИР «Исследование перспективных направлений разработок кварцевых генераторов и выбор базового ряда для серийного производства», что подтверждено соответствующим актом.
Апробация работы. Основные научные результаты работы и положения, выносимые на защиту, неоднократно докладывались и получили положительную оценку на научных симпозиумах, научно-технических конференциях и семинарах самого различного ранга, в том числе международных, в частности:
на Международных симпозиумах по стабилизации частоты Американского института радиоинженеров (IEEE Frequency Control Symposium) Майями, США, 2006 г.; Нью-Йорк, США, 2007 г.; на 19-ом Европейском форуме по частоте и времени. Безансон, Франции, 2005 г.; на международной конференции РОЕО (Precision Oscillations in Electronics and Optics) Ялта, Украина, 2005 г.; на Всероссийской научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии - в промышленность». Омск, 2008 г.; на научно-технической конференции «Современные компоненты и устройства на основе пьезоэлектрических монокристаллов», Пьезо-2008, Москва: на юбилейной научно-технической конференции «Современное состояние и перспективы развития специальных систем радиосвязи и радиоуправления». Омск, 2008 г.; на 8-ой международной научной конференции молодых учёных по волновой электронике и её приложениям. Санкт-Петербург, 2005 г.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, из них: 2-е статьи в научном периодическом издании, включённом в перечень ВАК; 1 статья в научно-техническом сборнике; 2-е статьи в трудах научно-технической конференции; 5 полных текстов докладов в трудах международных симпозиумов, форумов и конференций; 6 в виде тезисов докладов; 1 - патент.
На защиту выносятся:
-
Теоретические и экспериментальные результаты исследования, направленного на получение двухмодового резонатора ТД-среза не имеющего возмущений динамического сопротивления термочувствительной В-моды колебания от взаимодействия с ангармониками опорной С-моды.
-
Методика расчёта тепловых постоянных времени С-моды и В-моды пьезок-варцевой пластины ТД-среза при различных температурах, основанная на использовании двух моделей: модели толщинно-сдвиговых колебаний и тепловой модели пьезоэлемента, а также впервые предложенного интегрального отношения математически, связывающего эти модели для определения температуры моды.
3. Методика моделирования работы системы термостатирования кварцевого генератора в нестационарных условиях на трёхмерной тепловой модели с переходом в среду схемотехнического моделирования.
Объём и структура диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх разделов основного текста, заключения, библиографического списка, включающего 167 наименований и приложений. Работа изложена на 184 листах машинописного текста, содержит 60 рисунков, 13 таблиц.
Похожие диссертации на Термостатирование кварцевых генераторов с использованием термочувствительной В-моды колебаний пьезопластины резонатора ТД-среза
