RU2726170C1

RU2726170C1 - Generator with dynamic heating of saw resonator thermostat

Info

Publication number: RU2726170C1
Application number: RU2019124698A
Authority: RU
Inventors: Александр Александрович Добровольский; Виталий Анатольевич Лойко; Дмитрий Эдуардович Бекеров
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственый центр "Алмаз-Фазотрон"
Priority date: 2019-08-04
Filing date: 2019-08-04
Publication date: 2020-07-09

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the radio engineering. Generator with dynamic heating of SAW resonator thermostat includes: microwave signal generation and control unit consisting of SAW resonator with cover and acoustic line located on ceramic substrate, amplifier and buffer cascade; external thermostat, consisting of metal housing with heaters placed on it, temperature sensor and control unit; internal thermostat including controlled thin-film heater, main and additional temperature sensors and control unit. Additional temperature sensor of the internal thermostat is placed on the metal housing of the external thermostat.

EFFECT: technical result consists in provision of temperature stability of frequency of formed microwave signal with reduction of time of output to operating mode.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при создании высокочастотных генераторов на поверхностно-акустических волнах (ПАВ) для улучшения их температурной стабильности частоты и уменьшения времени выхода на рабочий режим.The invention relates to radio engineering and can be used to create high-frequency generators on surface-acoustic waves (SAW) to improve their temperature stability of the frequency and reduce the time to reach the operating mode.

Известен генератор, описанный в патентном документе Японии JPH 0897636. Генератор включает преобразователь постоянного напряжения, колебательный контур, содержащий элемент на основе ПАВ, пьезоэлектрический элемент и периферийную плату, блок определения температуры и блок управления напряжением. Элемент на основе ПАВ расположен на пьезоэлектрическом элементе. При подаче низкого напряжения на генератор с температурной компенсацией от низковольтного источника питания, колебательный контур колеблется с резонансной частотой характерной для элемента на основе ПАВ. Преобразователь постоянного напряжения определяет температуру окружающей среды с помощью термистора, являющегося частью блока определения температуры, повышает напряжение, подаваемое от низковольтного источника питания, и выводит его на пьезоэлектрический элемент. Поскольку пьезоэлектрический элемент расширяется и сжимается в соответствии с величиной напряжения, получаемого от преобразователя, расстояние между электродами встречно-штыревого преобразователя, связанных с пьезоэлектрическим элементом, также изменяется. Соответственно изменяется частота колебаний. Таким образом, осуществляется управление частотой колебаний посредством напряжения, соответствующего температуре.A known generator is described in Japanese patent document JPH 0897636. The generator includes a DC voltage converter, an oscillating circuit comprising a surfactant-based element, a piezoelectric element and a peripheral board, a temperature determination unit and a voltage control unit. The surfactant-based element is located on the piezoelectric element. When applying a low voltage to a generator with temperature compensation from a low-voltage power source, the oscillating circuit oscillates with a resonant frequency characteristic of an element based on a surfactant. The DC / DC converter determines the ambient temperature using a thermistor, which is part of the temperature determination unit, increases the voltage supplied from the low-voltage power supply, and outputs it to the piezoelectric element. Since the piezoelectric element expands and contracts in accordance with the magnitude of the voltage received from the transducer, the distance between the electrodes of the interdigital transducer associated with the piezoelectric element also changes. Accordingly, the oscillation frequency changes. Thus, the oscillation frequency is controlled by a voltage corresponding to the temperature.

Известен также ПАВ-генератор, описанный в патенте на изобретение JPH 09298420. ПАВ-генератор состоит из ПАВ-резонатора, схемы преобразования резонансной частоты в напряжение и схемы температурной компенсации с датчиком определения температуры. Управление генератором осуществляется путем определения температуры самого ПАВ-резонатора, температурная компенсация для подавления колебаний выходной частоты обеспечивается даже при внезапном изменении температуры.Also known is the SAW generator described in JPH 09298420. The SAW generator consists of a SAW resonator, a circuit for converting the resonant frequency to voltage, and a temperature compensation circuit with a temperature sensor. The generator is controlled by determining the temperature of the SAW resonator itself; temperature compensation to suppress fluctuations in the output frequency is provided even with a sudden change in temperature.

Однако в описанных выше конструкциях генераторов диапазона перестройки может не хватать для компенсации температурных уходов частоты в широком диапазоне температур, которые могут быть значительно больше обеспечиваемой перестройки. Кроме того, температурная зависимость частоты ПАВ-генератора носит сильно нелинейный характер, что значительно усложняет схемное решение компенсации.However, in the designs of the generators described above, the tuning range may not be sufficient to compensate for temperature temperature drifts in a wide temperature range, which can be significantly larger than the tuning provided. In addition, the temperature dependence of the frequency of the SAW generator is highly nonlinear, which greatly complicates the circuitry of compensation.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является конструкция модуля ПАВ-генератора, описанная в патентной заявке KR на изобретение №20010076621. ПАВ-генератор включает в себя керамическую подложку, с размещенными на ней матрицей пассивных элементов и переключателем, ПАВ-резонатор на керамической подложке со схемой термокомпенсации, микросхему с реализацией функций управления массивом пассивных элементов, генерации и управления температурной компенсацией.The closest analogue to the claimed invention is the design of the SAW generator module described in patent application KR for invention No.20010076621. The SAW generator includes a ceramic substrate, with a matrix of passive elements and a switch placed on it, a SAW resonator on a ceramic substrate with a thermal compensation circuit, a microcircuit with the functions of controlling an array of passive elements, generating and controlling temperature compensation.

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 stepwise switching of the frequency correction circuits, which inevitably leads to surges in the frequency of the SAW resonator when the external temperature changes and complex circuitry using the processor, many electronic switches, a set of discrete correction capacitances and inductances.

Задачей заявляемого изобретения является обеспечение температурной стабильности частоты формируемого СВЧ сигнала при сокращении времени выхода на рабочий режим и повышении устойчивости к тепловым ударам.The objective of the invention is to ensure temperature stability of the frequency of the generated microwave signal while reducing the time to reach the operating mode and increasing resistance to thermal shock.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что генератор с динамическим разогревом термостата ПАВ-резонатора включает: узел формирования и управления СВЧ сигналом, состоящий из расположенного на керамической подложке ПАВ-резонатора с крышкой и звукопроводом, усилителя и буферного каскада; внешний термостат, состоящий из металлического корпуса с размещенными на нем нагревателями, датчика температуры и блока управления; внутренний термостат, включающий управляемый тонкопленочный нагреватель, основной и дополнительный датчики температуры и блок управления, при этом дополнительный датчик температуры внутреннего термостата размещен на металлическом корпусе внешнего термостата.The essence of the claimed invention lies in the fact that the generator with dynamic heating of the SAW resonator thermostat includes: a microwave signal generation and control unit, consisting of a SAW resonator located on a ceramic substrate with a lid and sound duct, an amplifier and a buffer cascade; external thermostat, consisting of a metal casing with heaters placed on it, a temperature sensor and a control unit; an internal thermostat, including a controlled thin-film heater, a primary and secondary temperature sensors and a control unit, while an additional temperature sensor for the internal thermostat is located on the metal casing of the external thermostat.

Управляемый тонкопленочный нагреватель внутреннего термостата может быть выполнен из титана, а в качестве нагревателей внешнего термостата могут быть использованы полевые транзисторы.The controlled thin-film heater of the internal thermostat can be made of titanium, and field effect transistors can be used as heaters of the external thermostat.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в следующем.The technical result of the claimed invention is as follows.

Обеспечить температурную стабильность частоты формируемого СВЧ сигнала, сокращение времени выхода на рабочий режим и стойкости к тепловым ударом удалось благодаря применению двойной системы термостатирования, представленной внешним и внутренним термостатом. Внутренний термостат, выполненный миниатюрным и прецизионным за счет использования в его составе управляемого тонкопленочного нагревателя, нанесенного на обратную поверхность звукопровода ПАВ-резонатора, и внешний термостат, в виде металлического корпуса с размещенными на нем нагревательными элементами, расположенный вокруг замкнутого термостатируемого объёма, включающего в себя ПАВ-резонатор с управляемым тонкопленочным нагревателем, схемой управления тонкопленочным нагревателем и усилителем.It was possible to ensure temperature stability of the frequency of the generated microwave signal, reducing the time to reach the operating mode and resistance to thermal shock due to the use of a double thermostating system, represented by an external and internal thermostat. An internal thermostat made miniature and precision due to the use of a controlled thin-film heater deposited on the reverse surface of the sound path of the SAW resonator, and an external thermostat, in the form of a metal casing with heating elements placed on it, located around a closed thermostatically controlled volume, including SAW resonator with a controlled thin-film heater, a control circuit for a thin-film heater and amplifier.

Введение в заявляемую конструкцию дополнительного датчика температуры внутреннего термостата и размещение его на металлическом корпусе внешнего термостата позволяет при неизменном значении потребляемой устройством мощности сократить время выхода на рабочий режим, а при фиксированном времени выхода на режим снизить потребляемую устройством мощность.Introduction to the claimed design of the additional temperature sensor of the internal thermostat and its placement on the metal casing of the external thermostat allows, at a constant value of the power consumed by the device, to reduce the time to reach the operating mode, and for a fixed time to exit to the mode, reduce the power consumed by the device.

Заявляемое техническое решение поясняется с помощью Фиг., на которой изображена схема построения генератора с динамическим разогревом термостата ПАВ-резонатора и позициями 1-12 обозначены:The claimed technical solution is illustrated using Fig., Which shows a diagram of the construction of a generator with dynamic heating of the thermostat of the SAW resonator and positions 1-12 are indicated:

1 – ПАВ-резонатор,1 - SAW resonator,

2 – управляемый тонкопленочный нагреватель,2 - controlled thin-film heater,

3 – основной датчик температуры внутреннего термостата,3 - the main temperature sensor of the internal thermostat,

4 – схема управления тонкопленочным нагревателем,4 is a control diagram of a thin film heater,

5 – блок управления внутренним термостатом,5 - control unit internal thermostat,

6 – металлический корпус внешнего термостата,6 - metal casing of an external thermostat,

7 – нагреватели внешнего термостата,7 - heaters of an external thermostat,

8 – датчик температуры внешнего термостата,8 - temperature sensor of the external thermostat,

9 – блок управления внешним термостатом,9 - control unit external thermostat,

10 – усилитель,10 - amplifier

11 – буферный каскад,11 - buffer cascade,

12 – дополнительный датчик температуры внутреннего термостата,12 - additional temperature sensor of the internal thermostat,

U_вых – выходное СВЧ напряжение генератора.U _o - output microwave voltage of the generator.

На металлическом основании, выполненном, например, из дюрали, расположен узел формирования и управления СВЧ сигналом. На основании сформирована керамическая подложка, повторяющая форму металлического основания, на которой размещен ПАВ-резонатор 1 с крышкой и звукопроводом. На обратной поверхности звукопровода расположен управляемый тонкоплёночный нагреватель 2 внутреннего термостата. К поверхности управляемого тонкоплёночного нагревателя 2 приклеен основной датчик температуры 3, например, в виде терморезистора. Управляемый тонкоплёночный нагреватель 2 может быть выполнен из титана. На поверхности керамической подложки по ее краям размещена также схема управления 4 нагревателем 2, включающая транзисторы. Работа внутреннего термостата регулируется блоком управления 5 в зависимости от заданного температурного режима. Внешний термостат имеет симметричный металлический корпус 6, выполненный преимущественно из дюрали, в который помещен узел формирования и управления СВЧ сигналом и основные элементы внутреннего термостата. На металлическом корпусе 6 расположены нагреватели 7, например, в виде полевых транзисторов, имеющих стандартный корпус КТ-89, D-pak или аналогичный с массивным теплоотводящим электродом. Кроме того, на металлическом корпусе 6 расположен датчик температуры 8, который соединен с блоком управления внешним термостатом. Рабочие температуры термостатов выбираются с разницей в 5-7 градусов. При этом температура термостатирования выбирается на 10-15 градусов выше, чем максимально возможная рабочая температура окружающей среды для данного генератора с целью исключения перегрева за счёт внутреннего статического нагрева остальных узлов конструкции: усилитель 10, буферный каскад 11. Дополнительный датчик температуры 12 внутреннего термостата размещен на металлическом корпусе 6 внешнего термостата.On a metal base, made, for example, from duralumin, there is a node for the formation and control of a microwave signal. A ceramic substrate is formed on the base, repeating the shape of the metal base, on which a SAW resonator 1 with a lid and sound duct is placed. On the reverse surface of the sound duct there is a controlled thin-film heater 2 of the internal thermostat. The main temperature sensor 3 is glued to the surface of the controlled thin-film heater 2, for example, in the form of a thermistor. The controlled thin-film heater 2 can be made of titanium. On the surface of the ceramic substrate along its edges there is also a control circuit 4 of the heater 2, including transistors. The operation of the internal thermostat is regulated by the control unit 5 depending on the set temperature mode. The external thermostat has a symmetrical metal casing 6, made mainly of duralumin, in which the unit for the formation and control of the microwave signal and the main elements of the internal thermostat are placed. Heaters 7 are located on the metal housing 6, for example, in the form of field-effect transistors having a standard housing KT-89, D-pak or similar with a massive heat-removing electrode. In addition, a temperature sensor 8 is located on the metal housing 6, which is connected to the control unit of an external thermostat. The operating temperatures of the thermostats are selected with a difference of 5-7 degrees. The temperature of thermostat is selected 10-15 degrees higher than the maximum possible operating ambient temperature for this generator in order to prevent overheating due to internal static heating of the remaining components of the structure: amplifier 10, buffer stage 11. An additional temperature sensor 12 of the internal thermostat is located on metal case 6 of the external thermostat.

При включении заявляемого генератора тепловой поток от внешнего термостата распространяется по узлу формирования и управления СВЧ сигналом. Благодаря высокой теплопроводности металлического корпуса внешнего термостата 6 обеспечивается равномерный прогрев с минимальными потерями энергии. Кроме того, равномерный прогрев конструкции обеспечивает высокую точность стабилизации температуры. Одновременно начинает работать внутренний термостат с обеспечением разогрева ПАВ-резонатора 1, что значительно снижает время выхода на рабочий режим. К тому моменту, когда тепловой поток от внешнего термостата достигает внутреннего, он уже прогрет до рабочей температуры. В дальнейшем ток внутреннего термостата начинает снижаться в соответствии с ростом температуры внешнего термостата и в итоге стабилизируется при достижении теплового равновесия системы генератора. Кроме того, благодаря большой теплоемкости металлического корпуса внешнего термостата 6 и большого запаса мощности нагревательных элементов внешнего термостата 7, а также внутреннему термостату с меньшей теплоемкостью, чувствительному к малейшим колебаниям температуры, конструкция нечувствительна к тепловым ударам, и значительно улучшает температурную стабильность частоты.When you turn on the inventive generator, the heat flux from the external thermostat is distributed through the site of the formation and control of the microwave signal. Due to the high thermal conductivity of the metal casing of the external thermostat 6, uniform heating with minimal energy loss is ensured. In addition, uniform heating of the structure provides high accuracy of temperature stabilization. At the same time, the internal thermostat starts to work, ensuring the heating of the SAW resonator 1, which significantly reduces the time required to reach the operating mode. By the time the heat flux from the external thermostat reaches the internal, it is already warmed up to operating temperature. Subsequently, the current of the internal thermostat begins to decrease in accordance with the temperature rise of the external thermostat and eventually stabilizes when the thermal equilibrium of the generator system is reached. In addition, due to the large heat capacity of the metal casing of the external thermostat 6 and the large power reserve of the heating elements of the external thermostat 7, as well as the internal thermostat with a lower heat capacity, sensitive to the slightest temperature fluctuations, the design is insensitive to thermal shocks and significantly improves the temperature stability of the frequency.

Следует отметить, что при включении управляемого тонкопленочного нагревателя 2 вследствие возникновения градиента температур по объему ПАВ-резонатора 1 происходит скачок частоты вверх, пропорциональный стартовому току нагревателя 2.It should be noted that when the controlled thin-film heater 2 is turned on due to a temperature gradient in the volume of the SAW resonator 1, a frequency jump upward is proportional to the starting current of the heater 2.

Изначально температура металлического корпуса внешнего термостата 6 с расположенным на нем дополнительным датчиком температуры внутреннего термостата 12 равна температуре окружающей среды. При возрастании температуры среды выше определенного значения и, соответственно, уменьшении разницы между стартовой и рабочей частотой генератора, дополнительный датчик температуры внутреннего термостата 12 информирует об этом блок управления внутренним термостатом 5, который в свою очередь ограничивает максимальный стартовый ток управляемого тонкопленочного нагревателя 2 обратно пропорционально температуре окружающей среды посредством воздействия на схему управления тонкопленочным нагревателем 4. Величина ограничения стартового тока управляемого тонкопленочного нагревателя 2 выбрана таким образом, чтобы в процессе выхода на рабочий режим генератора величина скачка частоты формируемого сигнала не выходила за пределы диапазона перестройки, а время выхода на рабочий режим оставалось минимальным.Initially, the temperature of the metal casing of the external thermostat 6 with the additional temperature sensor of the internal thermostat 12 located on it is equal to the ambient temperature. When the temperature of the medium rises above a certain value and, accordingly, the difference between the starting and operating frequencies of the generator decreases, the additional temperature sensor of the internal thermostat 12 informs the control unit of the internal thermostat 5, which in turn limits the maximum starting current of the controlled thin-film heater 2 inversely with the temperature environment by influencing the control circuit of the thin-film heater 4. The limiting value of the starting current of the controlled thin-film heater 2 is selected so that when the generator enters the operating mode, the frequency jump of the generated signal does not go beyond the tuning range, and the exit time to the operating mode remains minimal.

При снижении температуры окружающей среды до минимальной рабочей, блок управления внутренним термостатом 5, опираясь на показания дополнительного датчика температуры внутреннего термостата 12, увеличивает стартовый ток управляемого тонкопленочного нагревателя 2, вследствие чего величина стартового тока достигает пикового значения, допустимого для данного нагревателя. В этом случае разница стартовой и рабочей частоты достигает большой величины и температурная деформация, приводящая к скачкообразному изменению частоты вверх формируемого сигнала, значительно ускоряет процесс выхода на рабочий режим.When the ambient temperature drops to the minimum operating temperature, the control unit of the internal thermostat 5, based on the readings of the additional temperature sensor of the internal thermostat 12, increases the starting current of the controlled thin-film heater 2, as a result of which the value of the starting current reaches the peak value acceptable for this heater. In this case, the difference between the starting and operating frequencies reaches a large value and the temperature deformation, which leads to an abrupt change in the frequency of the upward generated signal, significantly accelerates the process of reaching the operating mode.

В процессе нагрева по мере приближении температуры термостатируемого объёма, измеряемой дополнительным датчиком температуры внутреннего термостата 12 к пороговому значению, блок управления внутренним термостатом 5 посредствам воздействия на схему управления тонкопленочным нагревателем 4 плавно ограничивает стартовый ток управляемого тонкопленочного нагревателя 2 от пикового значения до минимального, а дальнейшее регулирование и стабилизация температуры внутреннего термостата осуществляется блоком управления внутренним термостатом 5 на основании данных, получаемых от датчика температуры внутреннего термостата 3.During heating, as the temperature of the thermostated volume approaches, measured by the additional temperature sensor of the internal thermostat 12 to a threshold value, the control unit of the internal thermostat 5 by influencing the control circuit of the thin-film heater 4 smoothly limits the starting current of the controlled thin-film heater 2 from the peak value to the minimum, and further regulation and stabilization of the temperature of the internal thermostat is carried out by the control unit of the internal thermostat 5 based on data received from the temperature sensor of the internal thermostat 3.

Такой подход позволяет сократить время выхода на рабочий режим используя эффект скачкообразного изменения частоты формируемого сигнала генератора вследствие температурных деформаций ПАВ-резонатора и исключить влияние данных деформаций в установившемся режиме на стабильность частоты и спектральную плотность мощности частотных флуктуаций формируемого сигнала. Such an approach allows one to reduce the time required to reach the operating mode using the effect of an abrupt change in the frequency of the generated signal of the generator due to temperature deformations of the SAW resonator and to eliminate the influence of these deformations in the steady state on the frequency stability and power spectral density of the frequency fluctuations of the generated signal.

Заявляемая конструкция генератора с динамическим разогревом термостата ПАВ-резонатора изготовлена и опробована на предприятии в качестве опытного образца. В ходе испытаний опытного образца при изменении внешней температуры в течение нескольких секунд от +70ºС до минус 60ºС не наблюдалось скачков частоты генерируемого СВЧ сигнала, температурная стабильность характеризовалась значениями 0,5…1 ppm, а время выхода на рабочий режим составило ~ 120 секунд при температуре окружающей среды -60ºС, что является приоритетным показателем в сравнении с известными отечественными и зарубежными аналогами.The inventive design of the generator with dynamic heating of the thermostat of the SAW resonator is made and tested at the enterprise as a prototype. During the tests of the prototype, when the external temperature changed for several seconds from + 70ºС to minus 60ºС, there were no jumps in the frequency of the generated microwave signal, the temperature stability was characterized by 0.5 ... 1 ppm, and the time to reach the operating mode was ~ 120 seconds at a temperature environment -60ºС, which is a priority indicator in comparison with well-known domestic and foreign counterparts.

Claims

A generator with dynamic heating of a SAW resonator thermostat, characterized in that it includes: a microwave signal generating and control unit, consisting of a SAW resonator located on a ceramic substrate with a lid and sound duct, an amplifier, and a buffer stage; external thermostat, consisting of a metal casing with heaters placed on it, a temperature sensor and a control unit; an internal thermostat, including a controlled thin-film heater, a primary and secondary temperature sensors and a control unit, while an additional temperature sensor for the internal thermostat is located on the metal casing of the external thermostat.