RU212699U1

RU212699U1 - MINIATURE PRECISION THERMOSTAT FOR THERMOSTABILIZATION OF A SAW RESONATOR AS A PART OF A SAW GENERATOR

Info

Publication number: RU212699U1
Application number: RU2022113690U
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Сафронов; Александр Владимирович Байкин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Миг Трейдинг"
Filing date: 2022-05-23
Publication date: 2022-08-03

Abstract

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована при создании высокочастотных генераторов на ПАВ. Техническим результатом является повышение температурной стабильности частоты, снижение времени выхода на рабочий режим, уменьшение габаритных размеров при создании высокочастотных генераторов на ПАВ для работы в широком интервале температур. Термостат содержит электрические элементы: датчик температуры на основе биполярного транзистора; два нагревательных элемента на основе двух резисторов, соединенных параллельно; элементы формирования управляющего напряжения на основе трех биполярных транзисторов и двух резисторов; элементы, задающие рабочую точку термостата, выполненные на основе делителя напряжения и резистора; элементы регулировки тока, выполненные на основе пары биполярных транзисторов. Датчик температуры соединен с элементами, задающими рабочую точку термостата; два нагревательных элемента соединены с элементами регулировки тока; элементы формирования управляющего напряжения включены между датчиком температуры и двумя нагревательными элементами. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

The utility model relates to radio engineering and can be used to create high-frequency SAW generators. The technical result is to increase the temperature stability of the frequency, reduce the time to reach the operating mode, reduce the overall dimensions when creating high-frequency SAW generators for operation in a wide temperature range. The thermostat contains electrical elements: a temperature sensor based on a bipolar transistor; two heating elements based on two resistors connected in parallel; control voltage generation elements based on three bipolar transistors and two resistors; elements that set the operating point of the thermostat, made on the basis of a voltage divider and a resistor; current control elements made on the basis of a pair of bipolar transistors. The temperature sensor is connected to the elements that set the operating point of the thermostat; two heating elements are connected to the current control elements; control voltage generation elements are connected between the temperature sensor and two heating elements. 6 w.p. f-ly, 2 ill.

Description

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована при создании высокочастотных генераторов на ПАВ.The utility model relates to radio engineering and can be used to create high-frequency SAW generators.

Наибольший вклад в нестабильность частоты генератора вносит влияние изменения температуры окружающей среды на ПАВ-резонатор. Поддержание постоянной температуры ПАВ-резонатора является одним из методов уменьшения нестабильности частоты.The greatest contribution to the instability of the generator frequency is made by the influence of changes in the ambient temperature on the SAW resonator. Maintaining a constant temperature of the SAW resonator is one of the methods for reducing frequency instability.

Одним из известных решений по поддержанию температурной стабильности частоты формируемого сигнала является использование двойного термостатирования, известное из патента RU 2731367, когда первый термостат, содержащий объект термостатирования, помещают внутри более грубого внешнего термостата.One of the well-known solutions for maintaining the temperature stability of the frequency of the generated signal is the use of double temperature control, known from patent RU 2731367, when the first thermostat containing the temperature control object is placed inside a coarser external thermostat.

Однако данное решение имеет существенные недостатки: увеличение габаритных размеров, массы и потребляемой мощности.However, this solution has significant drawbacks: an increase in overall dimensions, weight and power consumption.

Известен из патентных документов US 4011526 и US 2007096839 автогенератор с устройством на ПАВ с обратной связью, изменяющей частоту автогенератора таким образом, чтобы температурный уход частоты компенсировался.Known from patent documents US 4011526 and US 2007096839 self-oscillator with a SAW device with feedback that changes the frequency of the self-oscillator so that the temperature deviation of the frequency is compensated.

Недостатком данного способа является малая перестройка по частоте в силу свойства узкополосности, присущего пьезоэлектрическим резонаторам. Таким образом, диапазона перестройки может не хватить для компенсации температурных уходов частоты, которые могут быть значительно больше обеспечиваемой перестройки.The disadvantage of this method is a small frequency tuning due to the narrow-band property inherent in piezoelectric resonators. Thus, the tuning range may not be enough to compensate for temperature drifts in frequency, which can be much larger than the provided tuning.

Наиболее близким по реализации аналогом является конструкция, известная из патентной заявки KR 20010076621. На керамической подложке размещены матрица пассивных элементов и переключатель, ПАВ-резонатор со схемой термокомпенсации, микросхема с реализацией функции управления массивом пассивных элементов, генерации и управления температурной компенсацией.The closest analogue in implementation is the design known from patent application KR 20010076621. A matrix of passive elements and a switch, a SAW resonator with a thermal compensation circuit, a microcircuit with the implementation of the function of controlling an array of passive elements, generating and controlling temperature compensation are placed on a ceramic substrate.

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.The disadvantage of the closest analogue is the stepped switching of the frequency correction circuits, which inevitably leads to frequency jumps of the SAW resonator when the external temperature changes and a complex circuit implementation using a processor, many electronic switches, a set of discrete corrective capacitances and inductances.

Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание термостата для генератора на ПАВ, в котором отсутствуют недостатки известных аналогов, в частности повышенные массогабаритные параметры и сложность реализации.The technical problem to be solved by the claimed utility model is the creation of a thermostat for a surfactant generator, in which there are no disadvantages of known analogs, in particular, increased weight and size parameters and complexity of implementation.

Техническим результатом является повышение температурной стабильности частоты, снижение времени выхода на рабочий режим, уменьшение габаритных размеров при создании высокочастотных генераторов на ПАВ для работы в широком интервале температур.The technical result is to increase the temperature stability of the frequency, reduce the time to reach the operating mode, reduce the overall dimensions when creating high-frequency SAW generators for operation in a wide temperature range.

Заявленная техническая проблема решается применением миниатюрного прецизионного термостата для локальной термостабилизации наиболее чувствительного к изменению температуры окружающей среды элемента в составе генератора – ПАВ-резонатора.The claimed technical problem is solved by using a miniature precision thermostat for local thermal stabilization of the most sensitive to changes in ambient temperature element in the generator - SAW resonator.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что термостат содержит электрические элементы: датчик температуры на основе биполярного транзистора; два нагревательных элемента на основе двух резисторов, соединенных параллельно; элементы формирования управляющего напряжения на основе трех биполярных транзисторов и двух резисторов; элементы, задающие рабочую точку термостата, выполненные на основе делителя напряжения и резистора; элементы регулировки тока, выполненные на основе пары биполярных транзисторов; при этом датчик температуры соединен с элементами, задающими рабочую точку термостата; два нагревательных элемента соединены с элементами регулировки тока; элементы формирования управляющего напряжения включены между датчиком температуры и двумя нагревательными элементами.The claimed technical result is achieved due to the fact that the thermostat contains electrical elements: a temperature sensor based on a bipolar transistor; two heating elements based on two resistors connected in parallel; control voltage generation elements based on three bipolar transistors and two resistors; elements that set the operating point of the thermostat, made on the basis of a voltage divider and a resistor; current control elements made on the basis of a pair of bipolar transistors; while the temperature sensor is connected to the elements that set the operating point of the thermostat; two heating elements are connected to the current control elements; control voltage generation elements are connected between the temperature sensor and two heating elements.

Сущность полезной модели заключается в том, что изменение прямого падения напряжения на p-n переходе датчика температуры, в роли которого выступает биполярный транзистор, линейно зависит от температуры окружающей среды и приводит к формированию управляющего напряжения, которое, в свою очередь, регулирует ток, протекающий через нагревательные элементы, изменяя степень нагрева.The essence of the utility model lies in the fact that the change in the direct voltage drop at the p-n junction of the temperature sensor, which is a bipolar transistor, depends linearly on the ambient temperature and leads to the formation of a control voltage, which, in turn, regulates the current flowing through the heating elements by changing the degree of heating.

Сущность полезной модели поясняется фиг. 1, 2, на которых изображены:The essence of the utility model is illustrated in Fig. 1, 2, which show:

фиг. 1 - схема расположения элементов термостатирования ПАВ-резонатора в составе генератора на ПАВ;fig. 1 - diagram of the location of the elements of temperature control of the SAW resonator as part of the SAW generator;

фиг. 2 - электрическая схема миниатюрного прецизионного термостата, поясняющая принцип его работы.fig. 2 is an electrical diagram of a miniature precision thermostat, explaining the principle of its operation.

На фиг. 1, 2 позициями 1-10 показаны:In FIG. 1, 2 positions 1-10 show:

1 – ПАВ-резонатор;1 - SAW resonator;

2 - керамическое основание;2 - ceramic base;

3 - стеклотекстолитовая плата;3 - fiberglass board;

4 - датчик температуры (VT4);4 - temperature sensor (VT4);

5 - нагревательный элемент (R1, R2);5 - heating element (R1, R2);

6 - металлизированная область;6 - metallized area;

7 - элементы формирования управляющего напряжения (R3, R7, VT3, VT5, VT6);7 - elements for generating the control voltage (R3, R7, VT3, VT5, VT6);

8 - элементы, задающие рабочую точку термостата (R4, R5, R6);8 - elements that set the operating point of the thermostat (R4, R5, R6);

9 - элементы регулировки тока (VT1, VT2);9 - current adjustment elements (VT1, VT2);

10 - элементы фильтрации напряжения питания (С1, С2).10 - supply voltage filtering elements (C1, C2).

На верхней стороне стеклотекстолитовой платы 3 расположено керамическое основание 2 для размещения ПАВ резонатора 1. В качестве керамического основания может быть использована поликоровая подложка (Al₂O₃), обладающая высокой теплопроводностью. На обратной стороне стеклотекстолитовой платы 3, строго напротив ПАВ-резонатора 1, расположено аналогичное керамическое основание 2, содержащее схему миниатюрного прецизионного термостата, включая датчик температуры 4 и нагревательные элементы 5. Нагревательные элементы 5 могут быть выполнены в виде тонкопленочного резистивного слоя (TaAlN), напыленного на керамическое основание 2. В роли датчика температуры 4 выступает биполярный транзистор, который отслеживает рабочую температуру ПАВ-резонатора 1. Для снижения оттока тепла на элементы конструкции, и, как следствие, уменьшения времени выхода на рабочий режим, в структуре стеклотекстолитовой платы 3 отсутствует металлизация, за исключением металлизированной области 6 под ПАВ-резонатором 1, повторяющей форму керамического основания 2. Металлизированная область 6 под ПАВ-резонатором 1, содержащая металлизацию во всех слоях стеклотекстолитовой платы 3, прошита сквозными металлизированными отверстиями для повышения теплопроводности системы на участке от нагревательных элементов до ПАВ-резонатора 1.On the upper side of the fiberglass board 3, there is a ceramic base 2 for placing a SAW resonator 1. A polycor substrate (Al ₂ O ₃ ) with high thermal conductivity can be used as a ceramic base. On the reverse side of the fiberglass board 3, strictly opposite the SAW resonator 1, there is a similar ceramic base 2 containing a circuit of a miniature precision thermostat, including a temperature sensor 4 and heating elements 5. The heating elements 5 can be made in the form of a thin-film resistive layer (TaAlN), deposited on a ceramic base 2. A bipolar transistor acts as a temperature sensor 4, which monitors the operating temperature of the SAW resonator 1. metallization, with the exception of the metallized region 6 under the SAW resonator 1, which repeats the shape of the ceramic base 2. The metallized region 6 under the SAW resonator 1, containing the metallization in all layers of the fiberglass board 3, is sewn through through metallized holes to increase the thermal conductivity of the system in the section from the heating elements to the SAW resonator 1.

Термостат состоит из датчика температуры 4 на основе биполярного транзистора (VT4), двух нагревательных элементов 5 (R1, R2), включенных параллельно. Элементы, задающие рабочую точку термостата, 8: делитель напряжения на резисторах (R5, R6), а также резистор R4, позволяют задать рабочую точку термостата, определяющую температуру термостатирования. Элементы формирования управляющего напряжения 7 - биполярные транзисторы (VT3, VT5, VT6) в сочетании с резисторами (R3, R7) - по показаниям датчика температуры 4 формируют и регулируют управляющее напряжение для элементов регулировки тока 9 - пары биполярных транзисторов (VT1, VT2), которые, в свою очередь, регулируют электрический ток, протекающий через соответствующие нагревательные элементы 5. Параллельно нагревательным элементам 5 включены элементы фильтрации напряжения питания 10. Таким образом, происходит создание температурно-зависимого управляющего воздействия для поддержания температуры ключевого элемента опорного генератора – ПАВ-резонатора 1.The thermostat consists of a temperature sensor 4 based on a bipolar transistor (VT4), two heating elements 5 (R1, R2) connected in parallel. Elements that set the thermostat operating point, 8: a voltage divider on resistors (R5, R6), as well as resistor R4, allow you to set the thermostat operating point, which determines the thermostating temperature. Control voltage generation elements 7 - bipolar transistors (VT3, VT5, VT6) in combination with resistors (R3, R7) - according to the readings of the temperature sensor 4, they form and regulate the control voltage for current control elements 9 - pairs of bipolar transistors (VT1, VT2), which, in turn, regulate the electric current flowing through the corresponding heating elements 5. In parallel with the heating elements 5, elements for filtering the supply voltage 10 are connected. Thus, a temperature-dependent control action is created to maintain the temperature of the key element of the reference oscillator - SAW resonator 1 .

Описанное устройство миниатюрного прецизионного термостата было реализовано на предприятии в составе генератора на ПАВ в качестве опытного образца. Размер керамического основания, содержащего схему миниатюрного прецизионного термостата, включая датчик температуры и нагревательные элементы, составил 14,6 × 8,6 мм, что позволило значительно снизить габаритные размеры разрабатываемого изделия. В ходе испытаний опытного образца при изменении внешней температуры от -50°C до +65°C время выхода на рабочий режим составило менее трех минут.The described device of a miniature precision thermostat was implemented at the enterprise as part of a SAW generator as a prototype. The size of the ceramic base containing the circuit of a miniature precision thermostat, including a temperature sensor and heating elements, was 14.6 × 8.6 mm, which made it possible to significantly reduce the overall dimensions of the product being developed. During testing of a prototype with a change in external temperature from -50°C to +65°C, the time to enter the operating mode was less than three minutes.

Claims

1. A thermostat, characterized in that it contains electrical elements: a temperature sensor based on a bipolar transistor, two heating elements based on two resistors connected in parallel, elements for generating a control voltage based on three bipolar transistors and two resistors, elements that set the operating point of the thermostat , made on the basis of a voltage divider and a resistor, current control elements, made on the basis of a pair of bipolar transistors, while the temperature sensor is connected to the elements that set the operating point of the thermostat, two heating elements are connected to the current control elements, the control voltage generation elements are connected between the temperature sensor and two heating elements.

2. Thermostat according to claim 1, characterized in that the electrical elements are placed on a ceramic base.

3. Thermostat according to claim 2, characterized in that two heating elements are made in the form of a thin-film resistive layer deposited on a ceramic base.

4. Thermostat according to claim 2, characterized in that the ceramic base is placed on a fiberglass board.

5. The thermostat according to claim 4, characterized in that it contains an additional ceramic base for placing a SAW resonator, placed on a fiberglass board from the side opposite to the ceramic base, on which the electrical elements of the thermostat are placed.

6. Thermostat according to claim 5, characterized in that the fiberglass board contains a metallized area under the area of contact with the ceramic base to accommodate the SAW resonator.

7. Thermostat according to claim 6, characterized in that the metallized area under the SAW resonator contains metallization in all layers of the fiberglass board and is stitched through through metallized holes.