Оптимизация конструкции резонатора-термостата для уменьшения времени установления частоты прецизионного кварцевого генератора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптимизация конструкции резонатора-термостата для уменьшения времени установления частоты прецизионного кварцевого генератора

В.И. Карагусов

Омский научно-исследовательский институт приборостроения (ОНИИП), Омск, Россия

Аннотация

резонатор термостат кварцевый генератор

Работа посвящена рассмотрению вопросов конструирования резонатора-термостата для прецизионных кварцевых генераторов. Показано, что оптимизация параметров конструкции посредством моделирования температурного поля резонатора-термостата в режиме разогрева с учётом влияющих конструктивно-физических факторов позволяет снизить время установления частоты прецизионных кварцевых генераторов с распределённым нагревателем пьезоэлемента до 15 с в широком диапазоне рабочих температур.

Ключевые слова: термостатированный кварцевый генератор, ТСКГ, резонатор-термостат, время установления частоты.

Optimization of internal heating resonator design for reducing precision oven controlled quartz crystall oscllators warm-up time

V. I. Karagusov1

1JSC “Omskiy Nauchno Issledovatelskiy Institut Priborostroeniya”, (ONIIP), Omsk, Russia

Abstract. The paper is devoted to the consideration of the design of the resonator-thermostat for precision quartz oscillators. It is shown, that the optimization of the design parameters by modeling the temperature field of the resonator-thermostat in the heating mode, taking into account the influencing structural and physical factors, reduces the frequency setting time the of precision quartz generators with a distributed piezoelectric element heater to 15 s in a wide range of operating temperatures.

Keywords: quartz crystal oscillator, OCXO, internal heating resonator, ultra-fast warm-up.

Время готовности радиоэлектронной системы после включения является важной технической характеристикой и зачастую определяется временем выхода на режим её опорного генератора, в качестве которого используются прецизионные термостатированные кварцевые генераторы (ТСКГ).

Снижение этого времени является актуальной научно-технической задачей и вплотную подходит к пределу, где традиционные методы расчёта теплового режима РТ не могут быть применимы, поскольку являются приблизительными, не охватывают все факторы, влияющие на динамику частоты генерации в режиме разогрева, не учитывают влияние распределения температурного поля в пьезоэлементе на значение частоты генерации и не имеют критерия установления частоты с заданной точностью. Моделирование динамики трёхмерного температурного поля резонатора-термостата при помощи расчёта методом конечных элементов позволяют оптимизировать конструкцию резонатора для снижения времени установления частоты термостатированного кварцевого генератора.

Оптимизация конструкции резонатора-термостата

Время выхода на режим термостатированного кварцевого генератора - это время установления частоты генератора с момента его включения до достижения установившегося значения частоты с заранее определённой точностью. Типовое значение точности - 1•10-7 относительно номинального значения частоты. Время установления частоты зависит от ряда параметров конструкции резонатора- термостата, которые являются критериями оптимизации конструкции для снижения времени установления частоты:

1. Теплоёмкость объекта термостатирования.

2. Способ подогрева пьезоэлемента.

3. Мощность разогрева ПЭ.

4. Тепловые связи объекта термостатирования (ПЭ) с окружающей средой (тепловые стоки).

5. Конструкция резонатора-термостата

Рассмотрим данные критерии подробно.

Теплоёмкость объекта термостатирования.

Выходная частота термостатированного генератора зависит от температуры в зоне колебаний пьезоэлемента, и требуется время для разогрева кварцевой пластины пьезоэлемента от температуры окружающей среды до температуры статирования, определяемое различными конструктивно-физическими факторами: мощностью разогрева, теплоемкостью (то есть объёмом) кварцевого пьезоэлемента (ПЭ), геометрическими размерами пластины, и ограничивается удельной теплопроводностью кварца. В резонаторах прецизионных ТСКГ, как правило, используются ПЭ двухповоротного ТД-среза (yxbl/ц/?, 22є?ц?24є, 33,5є???35є) или его зарубежный аналога - SC-cut - с третьим обертоном на частоту 10 МГц, имеющие теплоёмкость около 90 Дж/К. Уменьшение объёма кварцевого ПЭ ускоряет его разогрев, но приводит к ухудшению параметров генератора, в частности к снижению долговременной стабильности частоты и добротности резонатора, а значит и уровня фазовых шумов, что для прецизионного ТСКГ неприемлемо.

Способ подогрева пьезоэлемента.

Для ускорения выхода генератора на режим предпочтительным является применение в его конструкции резонатора-термостата (РТ) с распределенным комбинированным подогревом, совмещающим преимущества прямого и косвенного подогрева пьезоэлемента (ПЭ) [1]. Прямой подогрев ПЭ при включении генератора позволяет сократить время установления частоты до десятков секунд в диапазоне рабочих температур окружающей среды от -60 0С до +70 0С, а косвенный подогрев в установившемся режиме позволяет иметь низкие значения уровня фазовых шумов и кратковременной нестабильности частоты.

Функциональная схема кварцевого генератора с резонатором-термостатом с распределённым нагревателем изображена на рисунке 1.

Рис. 1. Функциональная схема термостатированного кварцевого генератора с распределённым нагревателем пьезоэлемента

Между пьезоэлементом, микроплатой и корпусом резонатора существуют тепловые связи, обусловленные теплопроводностью и теплоёмкостью как держателей, так и самих пьезоэлемента и микроплаты, а также лучистым теплообменом между ними и тепловым потоком через остаточные газы в вакуумированном внутреннем объёме резонатора. Данные тепловые связи являются причиной инерционности процесса терморегулирования и для реальной конструкции термостата требуют расчёта динамики трёхмерного температурного поля.

Резонатор для работы в правильном режиме должен быть выполнен в соответствии с условиями, описанными в [2]. Лучшие образцы прецизионных ТСКГ, выполненных по такой схеме имеют время установления частоты с точностью 1·10-7 относительно номинального значения частоты 15 секунд при температуре +20 0С, и 30 секунд при температуре -60 0С.

Другие критерии оптимизации конструкции

Снижение времени установления частоты возможно за счёт оптимизации конструкции по другим критериям: мощность разогрева ПЭ, тепловые связи объекта термостатирования (ПЭ) с окружающей средой и изменения в конструкции резонатора-термостата, например, изменение мест крепления держателей.

Нахождение оптимума по этим критериям невозможно выразить аналитическими выражениями и дальнейшее снижение времени установления частоты, приближающееся к физическому пределу в соответствии с формулой

t=cсV(Tст-Tокр)/P,

где t -время, c -удельная теплоёмкость кварца, с - удельная плотность кварца, V - объём пьезоэлемента, Tст - температура статирования пьезоэлемента, Tокр, - температура окружающей среды, P - мощность разогрева, возможно путём исследования динамики тепловых процессов в резонаторе-термостате с распределённым нагревателем в режиме разогрева на численной пространственной модели кварцевого резонатора-термостата. Математическая модель РТ, учитывающая комплекс конструктивно-физических факторов, влияющих на динамику тепловых процессов в режиме начального разогрева пьезоэлемента, влияние распределения температурного поля в пьезоэлементе на значение частоты генерации и имеющая математическое выражение, связывающее распределение температурного поля на электродах пьезоэлемента с частотой генерации, описана в [3] и применима для расчёта любой трёхмерной топологии реальной конструкции, в том числе модели конструкции резонатора-термостата с распределённым нагревателем пьезоэлемента (рисунок 2).

Рис. 2. Геометрия элементов конструкции резонатора-термостата с комбинированным подогревом ПЭ и топология их взаимного расположения

Расчёты динамики температурного поля во время начального разогрева производились при помощи вычислительной техники методом конечных элементов. Данный метод расчёта позволяет определить время установления частоты термостатированных кварцевых генераторов в отличие от существующих методов расчёта теплового режима РТ.

В результате исследований динамики температурного поля на модели резонатора-термостата с распределённым подогревом ПЭ была произведена оптимизирована конструкция РТ. Были выбраны материалы и конструкции корпуса, микроплаты, держателей микроплаты и пьезоэлемента, электрических соединений, места их креплений с целью уменьшить тепловые стоки от объекта термостатирования в окружающую среду для ускорения его разогрева с одной стороны, и обеспечить достаточную величину тепловых стоков для устойчивой работы системы терморегулирования. Также было определено оптимальное значение мощности начального разогрева для ПЭ и для микроплаты.

В [4] показано, что расчёты позволили определить оптимальную мощность разогрева ПЭ, необходимую для достижения интегральной температуры области электродов с точностью 4,65 0С от установившегося значения, соответствующей отклонению по частоте от установившегося значения на величину 1·10-7. Увеличение мощности начального разогрева, выделяемой нагревателем ПЭ, уменьшает время его разогрева, но существует предел увеличения мощности, когда удельная теплопроводность кварца ограничивает распространение тепла в объёме ПЭ и не позволяет существенно уменьшить время достижения установившегося значения интегральной температуры на электродах. Расчёты показали, что увеличение мощности разогрева свыше 1,5--2 Вт не приводит к существенному уменьшению времени разогрева (рисунок 3), равного примерно 5,6 с, но при этом увеличивается крутизна управляющей характеристики терморегулятора, что делает его работу неустойчивой. Значение 1,5 Вт принято за оптимальное и использовано для дальнейших расчётов.

Рис. 3. График зависимости времени достижения установившегося значения интегральной температуры на электродах с точностью 4,65 0С от мощности разогрева ПЭ.

На рисунке 4(а) показан пример расчёта распределения температуры в ПЭ резонатора-термостата оптимизированной конструкции через 5,6 с после включения при температуре окружающей среды -60 0С и температуре статирования 75 0С в момент времени, когда отклонение интегральной температуры электродов от установившегося значения становится меньше 4,65 0С, то есть частота генерации достигает требуемого значения точности установления , на рисунке 4(б) - распределение температур на квадратном электроде ПЭ в трёхмерном представлении.

а) б)

Рис. 4. Распределение температуры в ПЭ (а) и распределение температур на квадратном электроде ПЭ через 5,6 с после включения подогрева (б)

Анализ температурного поля всей оптимизированной конструкции резонатора-термостата показывает, что на протяжении режима разогрева от любой рабочей температуры окружающей среды до температуры статирования ПЭ значения температуры в любой точке резонатора-термостата в любой момент времени не превышают 80 0С, то есть не приближаются к значениям, опасным для элементов конструкции, то есть данная конструкция физически реализуема.

На рисунке 5 в качестве примера показан график изменения температуры в центре ПЭ (точка 1), в месте крепления термодатчика (точка 2), температуры в области электродов и интегральной температуры области электродов Tint в режиме разогрева при температуре окружающей среды -60 0С.

Рис. 5. Изменение температуры в области электродов (выделена тёмным), в центре электрода (точка 1), в месте крепления термодатчика (точка 2) и интегральной температуры на электродах Tint с момента включения нагревателей мощностью 1,5 Вт до наступления установившегося режима при температуре окружающей среды -60 0С

Экспериментальная проверка

На образцах генераторов с резонаторами-термостатами оптимизированной конструкции были проведены эксперименты по измерению времени установления частоты в диапазоне рабочих температур окружающей среды от -60 0С до 70 0С. На рисунках 6 и 7 приведены примеры измерений времени установления частоты при температуре окружающей среды -60 0С и 20 0С.

Рис. 6. Установление частоты кварцевого генератора после включения при температуре +20 єС

Рис. 7 Установление частоты кварцевого генератора после включения при температуре -60 єС.

Также были произведены измерения других параметров образцов генераторов, которые показали их соответствие требованиям для прецизионных термостатированных генераторов.

Заключение

Результаты исследований, проведённых на численной пространственной тепловой модели резонатора-термостата, показали возможность значительного снижения времени установления частоты прецизионных термостатированных генераторов путём оптимизации конструкции резонатора-термостата.

Экспериментальная проверка макетных образцов оптимизированной конструкции подтвердила возможность снижения времени установления частоты прецизионных термостатированных кварцевых генераторов в диапазоне рабочих температур от -60 0С до +70 0С с 30 до 13 сек относительно известных аналогов.

Литература

1. Куталёв, А. И. Кварцевый резонатор-термостат с распределённым нагревателем // Техника радиосвязи: Науч. техн. сб. 2007. Вып. 12. - С. 78-87.

2. Куталёв, А. И. Кварцевый резонатор-термостат. RU 2236746 H03, заяв. 04.01.2003, опубл. 20.09.2004.

3. Карагусов, В.И. Исследование динамики тепловых процессов в кварцевом резонаторе-термостате с распределённым нагревателем в режиме разогрева // Техника радиосвязи: Науч.-техн. сб. 2018. Вып. 2 (37). - С. 83-95.

4. Карагусов, В.И. Результаты исследования динамики тепловых процессов в кварцевом пьезоэлементе с прямым термостатированием в режиме разогрева на численно-аналитической модели // Техника радиосвязи: Науч.-техн. сб. 2017. Вып. 3 (34). - С. 95-110.

References

1. Kutalev, A.I. Distributed crystal internal heating resonator // Radio Communication Technics, 2007, Vol. 12. - Pp. 78 - 87.

2. Kutalev, A.I. Crystal internal heating resonator. RU 2236746 H03, stated 04.01.2003, publ. 20.09.2004.

3. Karagusov, V. I. Investigation of thermal process dynamics in internal distributed heating quartz crystal resonator in warm-up mode // Radio Communication Technics. 2018. Vol. 2 (37). - Pp. 83-95.

4. Karagusov, V. I. Investigation results of thermal process dynamics in direct heating quartz crystal piezoelement in warm-up mode with numerically-analytical calculation method // Radio Communication Technics. 2017. Vol. 3 (34). - Pp. 95-110.

Размещено на Allbest.ru