Исследование кварцевых резонаторов тд среза с улучшенной моночастотностью Текст научной статьи по специальности «Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства»

Научная статья на тему 'Исследование кварцевых резонаторов тд среза с улучшенной моночастотностью' по специальности 'Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства' Читать статью
Pdf скачать pdf Quote цитировать Review рецензии ВАК
Авторы
Журнал
Выпуск № 1 (145) /
Коды
  • ГРНТИ: 81 — Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства
  • Указанные автором: УДК:621.372.412

Статистика по статье
  • 29
    читатели
  • 7
    скачивания
  • 0
    в избранном
  • 0
    соц.сети

Ключевые слова
  • ТД СРЕЗ
  • МОДА B
  • МОДА C
  • КВАРЦЕВЫЙ РЕЗОНАТОР
  • ДВУХПОВОРОТНЫЙ СРЕЗ
  • МОНОЧАСТОТНОСТЬ
  • TD-CUT RESONATOR
  • B-MODE
  • C-MODE
  • CRYSTAL RESONATORS
  • DOUBLE ROTATED CUT
  • MONO FREQUENCY
  • SPURIOUS SUPPRESSION

Аннотация
научной статьи
по общим и комплексным проблемам технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства, автор научной работы — ЛОЖНИКОВ АЛЕКСЕЙ ОЛЕГОВИЧ

Показано, что модифицированная конструкция пьезоэлемента кварцевого резонатора ТД среза позволяет ослабить не только температурную моду, но и ангармонические колебания основной и температурной мод, что позволяет создавать схемы автогенератора повышенной надежности без опасности возбуждения неосновного колебания. Исследования проведены в широком интервале рабочих температур и диапазоне частот.

Abstract 2016 year, author — LOZHNIKOV ALEKSEY OLEGOVICH

It has been shown that the modified design of the TD-cut quartz crystal can suppress not only the temperature mode B, but also harmonics of fundamental and temperature modes allowing you to create the oscillator circuit of high reliability without the danger of driving on spurious mode. Experiments are carried out in a wide range of operating temperatures and frequencies.

Научная статья по специальности "Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства" из научного журнала "Омский научный вестник", ЛОЖНИКОВ АЛЕКСЕЙ ОЛЕГОВИЧ

 
Читайте также
Читайте также
Рецензии [0]

Похожие темы
научных работ
по общим и комплексным проблемам технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства , автор научной работы — ЛОЖНИКОВ АЛЕКСЕЙ ОЛЕГОВИЧ

Текст
научной работы
на тему "Исследование кварцевых резонаторов тд среза с улучшенной моночастотностью". Научная статья по специальности "Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства"

оказывают влияние на энергетическим спектр автогенераторной системы сканирования поверхности (рис. 9—10). Эту информацию возможно применять для достаточно точной оценки любых геометрических и физико-механических неровностей поверхности деталей.
4. Перспективы использования автогенераторного метода оценки качества поверхности связаны с проведением сравнительных исследований с другими подобными системами.
Библиографический список
1. Проблемы надежности и ресурса в машиностроении / Под ред. К. В. Фролова. - М. : Наука, 1986. - 248 с.
2. Контроль, прогнозирование и повышение надежности работы газовых промыслов и подземных газохранилищ /
B. И. Бирюков, В. Н. Виноградов [и др.]. — М. : ВНИИЭгаз-пром, 1984. — 46 с. — (Обзор. информ. Сер. Транспорт и хранение газа, вып. 4).
3. ГОСТ 9378-93. Образцы шероховатости поверхности (сравнение). — Взамен ГОСТ 9378-75 ; введ. 1997 — 01—01.01. — М. : Изд-во стандартов ИПК, 1996. — 12 с.
4. Кобенко, В. Ю. Определение качества поверхности бумаги методом фрактального анализа / В. Ю. Кобенко,
C. З. Ихлазов, А. В. Голунов // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2011. — № 3 (103). — С. 330 — 335.
5. ГОСТ 9847-79. Приборы оптические для измерения параметров шероховатости поверхности. Типы и основные параметры. — Введ. 1981—01—01. — М. : Изд-во стандартов ИПК, 1979. — 8 с.
6. Назаров, Ю. Ф. Методы исследования и контроля шероховатости поверхности металлов и сплавов / Ю. Ф. Назаров,
А. М. Шкилько, В. В. Тихоненко, И. В. Компанеец // Физическая инженерия поверхности. — 2007. — №3-4. — С. 207 — 216.
7. J. F. Song and T. V. Vorburger, Stylus profiling at high resolution and low force, Applied Optics, Vol. 30, Issue 1, pp. 42-50 (1991).
8. Мальков, О. В. Измерение параметров шероховатости поверхности детали / О. В. Мальков, А. В. Литвиненко. — М. : Изд-во МГТУ им. Баумана, 2012. — С. 42 — 58.
9. Пат. 1566629 Российская Федерация, МПК G01B 7/00. Устройство для измерения шероховатости электропроводных изделий / Греков К. С., Долганев Ю. Г. ; заявитель и патентообладатель Греков К. С., Долганев Ю. Г. — № 2015118952/28 ; заявл. 20.05.2015 : опубл. 10.11.2015, Бюл. № 31. — 1 с.
10. А. с. 781557 СССР, МКИ G01B7/34. Устройство для измерения шероховатости электропроводных изделий / Ю. Г. Долганев, В. Н. Кулагин. — № 2707828/25-28 ; за-явл.05.01.79 ; опубл. 23.11.80.
11. Глава 1. Основные виды анализа и методика их применения [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://cmpo. vlsu.ru/reason/wp8/ADS_RUS/Chapter1_Section5_Theory.htm (дата обращения: 06.04.2014).
ГРЕКОВ Константин Сергеевич, аспирант кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики» (РТУ и СД).
Адрес для переписки: stanleyipkiss87@gmail.com ДОЛГАНЕВ Юрий Григорьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры РТУ и СД. Адрес для переписки: dolganev47@mail.ru КОСЫХ Анатолий Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой РТУ и СД, ректор.
Статья поступила в редакцию 08.12.2015 г. © К. С. Греков, Ю. Г. Долганев, А. В. Косых
УДК 621.372.412
А. О. ЛОЖНИКОВ
Омский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ ТД СРЕЗА С УЛУЧШЕННОЙ МОНОЧАСТОТНОСТЬЮ
Показано, что модифицированная конструкция пьезоэлемента кварцевого резонатора ТД среза позволяет ослабить не только температурную моду, но и ангармонические колебания основной и температурной мод, что позволяет создавать схемы автогенератора повышенной надежности без опасности возбуждения неосновного колебания. Исследования проведены в широком интервале рабочих температур и диапазоне частот.
Ключевые слова: ТД срез, мода B, мода С, кварцевый резонатор, двухпово-ротный срез, моночастотность.
Кварцевые генераторы широко используются в качестве вторичных эталонов частоты в различных радиотехнических устройствах и системах. В случаях, когда требуется стабильность частоты генератора лучше, чем Ы0-8, используют кварцевые резонаторы двухповоротных срезов, в частности,
резонаторы ТД среза. Эти резонаторы имеют ряд преимуществ перед резонаторами одноповоротных срезов (АТ, ВТ), например, малую чувствительность к вибрациям и скачкам температуры. Однако у этих резонаторов при стандартной конструкции пьезоэлемента, когда два одинаковых электрода
Рис. 1. Конструкции № 1 (а) и № 2 (б)

Рис. 2. Конструкция № 2: поверхностная плотность поляризационного тока мод C (а) и B (б)
расположены один над другим, есть недостаток — активное сопротивление температурной В-моды меньше сопротивления основной С-моды колебаний. Это приводит к тому, что при обычном включении данного резонатора в цепь автогенератора последний, как правило, возбуждается на частоте моды В. Для устранения данной проблемы схемы возбуждения генераторов необходимо усложнять, например, вводить частотно-избирательные цепи, обеспечивающие повышение коэффициента регенерации схемы на частоте основной моды и снижение ее на частоте температурной моды. Поскольку в резонаторах SC-среза частота В-моды выше частоты моды С примерно на 10 %, избирательность этих цепей должна быть довольно высока (эквивалентная добротность должна быть не менее 10). В силу малой температурной стабильности этих цепей появляются дополнительные компоненты общей нестабильности частоты, а также возрастает уровень шумов.
В этой связи актуальной является задача улучшения моночастотности кварцевых резонаторов, то есть ослабление побочных колебаний непосредственно в самом резонаторе, путем изменения конструкции электродов. В резонаторах SC-среза появляется возможность ослабления наиболее активной температурной моды вследствие того, что у них велики значения пьезоэлектрических коэффициентов e21, e23 и e25. Это приводит к тому, что при сильной локализации колебаний появляются дополнительные компоненты поляризации, в результате чего максимумы распределения плотности поверхностного тока получаются сдвинутыми относительно центра, причем для мод В и С эти сдвиги происходят в разных направлениях. Несмотря
на то что упоминания об этом эффекте присутствует в патенте [1] и работах [2, 3], до сих пор в серийных генераторах применяются схемные решения для возбуждения генератора на основной моде.
Целью данной работы является исследование и сопоставление активности рабочих и побочных мод колебаний двух пьезоэлементов, отличающихся конструкцией электродов: в пьезоэлементе стандартной конструкции (конструкция № 1, рис. 1а) и в пьезоэлементе со смещенными электродами (конструкция № 2, рис. 1б). На рис. 2 приведены результаты расчета [2] поверхностной плотности поляризационного тока резонатора для мод C и B для графического пояснения причин увеличения сопротивления В-моды для второй конструкции электродов.
Для исследований были использованы одинаковые кристаллические элементы с различными электродными конструкциями. Кристаллический элемент представлял собой прямоугольную плосковыпуклую линзу ТД-среза с радиусом кривизны 300 мм с частотой 10 МГц, изготовленную из искусственного кварца и работающую на 3-й механической гармонике. Длинная сторона пьезоэлемен-та направлена вдоль оси X', короткая — вдоль оси Z'. Пластина имеет размеры 10х7 мм. Серебряные электроды толщиной 1000 ангстрем напылялись на поверхность термическим методом через различные маски. Пьезоэлементы крепились токопроводя-щим клеем по четырем углам к никелевым держателям. Затем вся конструкция ваккумировалась.
Все результаты измерений амплитудно-частотных характеристик, сопротивлений и частот в интервале температур получены с помощью установки измерения резонаторов Saunders 250B. При этом
б
Рис. 3. Зависимость сопротивлений моды B от температуры для двух исследуемых конструкций
Рис. 4. Зависимость сопротивлений моды С от температуры для двух исследуемых конструкций
Рис. 5. Температурно-частотные характеристики мод С и В двух исследуемых конструкций
Рис. 6. Спектр колебаний (моды А, В, С первая гармоника) резонаторов двух исследуемых конструкций
контактное устройство с резонатором помещалось в камеру тепла и холода Б8рес.
В первом эксперименте были измерены сопротивления и частоты мод В и С двух конструкций в интервале температур от —60 до +80 0С (рис. 3 — 5).
На графике (рис. 3) видно, что сопротивление температурной В-моды в области рабочей температуры (72 — 80 0С — область экстремума ТЧХ) резонатора стандартной конструкции № 1 существенно (не менее чем в 6 раз) меньше, чем у модифицированной конструкции № 2. Одновременно с этим сопротивление рабочей моды С (рис. 4) резонатора стандартной конструкции № 1 на 40 % меньше, чем у модифицированной конструкции № 2. Ранее
в работе [2] были приведены результаты экспериментов, в которых сопротивление рабочей моды в конструкциях № 1 и № 2 были одинаковыми. Однако в той работе использовался нестандартный держатель резонатора, осуществляющий только электрический контакт в 2-х углах и пьезоэлемент не был приклеен. В данном эксперименте была использована конструкция серийного резонатора. Резонаторы крепились токопроводящим клеем по углам в четырех точках, что, вероятно, и привело к увеличению сопротивлений мод В и С. При этом отношение сопротивлений мод В и С для двух конструкций оказалось схожим с представленным ранее в работе [3], что подтверждает правильность приведенной там методики расчетов.
А, дБ -15
-20 -25 -30 -35 -40 -45 -50 -55
: №1
- №2
:
в 320
; вз 02
: В311 1
- —


Б, Гц
Рис. 7. Спектр колебаний в области рабочей моды С резонаторов двух конструкций
Рис. 8. Спектр колебаний в области побочной моды В резонаторов двух конструкций
Рис. 9. Рассчитанный спектр ангармонических колебаний [4] в области рабочей моды С
На рис. 5 приведены температурно-частотные характеристики мод В и С резонаторов двух конструкций. Для наглядности и удобства сравнения результаты измерений переведены в относительные единицы — миллионные доли (ррт) относительно соответствующих частот при температуре экстремума основной моды. Из рис. 5 видно, что температурно-частотные характеристики конструкций № 1, № 2 практически совпадают.
Далее был исследован спектр колебаний двух конструкций резонаторов в диапазоне частот от 3 до 11,1 МГц при температуре экстремума ТЧХ ( + 75 °С). В этом диапазоне частот наблюдаются колебания мод А, В и С первой гармоники и ангармонические колебания мод С и В третьей гармоники. В остальном частотном диапазоне (от 1 до 250 МГц) заметные колебания обнаружены не были. Результаты измерений представлены на рис. 6 — 8.
На рис. 6 видно, что в диапазоне частот ниже 10 МГц резонаторы имеют практически одинаковые частоты всех трех мод для первой гармоники, причем сопротивления мод В и С отличаются незна-
чительно. Для моды А заметно различие сопротивлений, причем в модифицированной конструкции эта мода менее активна. Что касается ангармонических колебаний мод С (рис. 7) и В (рис. 8), здесь заметны отличия в частотах мод и их сопротивлениях. Для более точной оценки ангармонических колебаний были проведены эксперименты по измерению частот и сопротивлений мод колебаний двух конструкций. Результаты измерений сопротивления и частоты пяти наиболее активных мод колебаний двух конструкций приведены в табл. 1. Из табл. 1 видно, что ангармонические моды колебаний резонатора конструкции № 2 имеют сопротивления, превышающие более чем в 2 раза соответствующие сопротивления мод стандартной конструкции № 1. Например, наиболее активная в стандартной конструкции № 1 ангармоника С-моды (мода С302) в конструкции № 2 имеет существенно меньший уровень (относительное сопротивление увеличилось более чем в 7 раз). Улучшение моночастотности можно объяснить, если наложить электроды конструкции № 2 на результаты расчетов
Таблица 1
Результаты измерений сопротивлений пяти наиболее активных колебаний
Конструкция Колебание Параметр Отношение ^С300
Частота, МГц Сопротивление, Ом
№1 C300, основное 9,999956 88 1
№1 C C320 10,133911 243 2,8
№1 B300 10,893310 63 0,7
№1 B302 10,984757 174 2,0
№1 B320 11,023300 336 3,8
№2 С300, основное 9,999854 127 1
№2 C C302 10,113581 690 5,4
№2 C C320 10,123106 2600 20,5
№2 B300 10,892280 355 2,8
№2 B302 11,020790 750 5,9
поверхностной плотности поляризационного тока из работы [4] (рис. 9). На рис. 9 видно, что модифицированная конструкция № 2 еще больше ухудшает условия возбуждения ангармонических колебаний по сравнению со стандартной конструкцией из-за меньшей площади электрода и смещения его центра относительно центра пьезоэлемента, что и подтверждается результатами измерений.
В результате экспериментальных исследований показано, что резонаторы модифицированной конструкции № 2 обладают лучшей моночастотностью по сравнению со стандартной конструкцией, все ангармонические колебания и побочная мода имеют сопротивления, более чем в 2,8 раза превышающие сопротивления рабочей моды. Таким образом, резонаторы данной конструкции могут быть применены в схемах кварцевых генераторов без введения дополнительных частотнозависимых элементов для фильтрации побочных колебаний, что позволяет более просто настроить схему возбуждения для достижения необходимых параметров. Подавление побочных колебаний непосредственно в конструкции резонатора резко увеличивает надежность схемы и исключает возможность возбуждения генератора на частоте, отличной от основной. Несмотря на увеличение сопротивления рабочей моды С в конструкции № 2 на 40 %, применение резонаторов данной конструкции возможно во всех случаях, за исключением тех, когда необходим уровень фазовых шумов генератора лучше, чем минус 100 дБн/Гц при отстройке 1 Гц.
В дальнейшем необходимо решить вопрос уменьшения сопротивления рабочей моды С конструкции № 2 до значений, близких к значениям стандартной конструкции, что позволит полностью отказаться от стандартной конструкции и достичь
лучшей совокупности параметров генератора, а также проверить данную конструкцию в составе генератора, чтобы количественно оценить улучшения температурной нестабильности и других параметров генератора.
Библиографический список
1. Пат. 2276455 Российская Федерация, МПК Н03Н9/54. Кварцевый резонатор / Безматерных Г. В., Дикиджи А. Н., Теренько В. С. ; заявитель и патентообладатель федеральное государственное унитарное предприятие «Омский научно-исследовательский институт приборостроения». — № 2004128125/09 ; заявл. 21.09.2004 ; опубл. 10.05.2006, Бюл. № 13. - 4 с.
2. Ложников, А. О. Исследование возможности подавления моды B в пьезоэлементах кварцевых резонаторов ТД среза / А. О. Ложников, А. Н. Лепетаев // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2015. — № 2 (140). — С. 195 — 198.
3. Lepetaev A. N., Kosykh A. V., Investigation of optimal electrode structure of SC-cut resonators, Proceedings, 2013 IEEE International Frequency Control Symp. Prague, Chech Rep. Jule, 2013, pp. 146—149.
4. Ложников, А. О. Расчет спектра колебаний кварцевого резонатора двухповоротного среза / А. О. Ложников, А. Н. Лепетаев // Успехи современной радиоэлектроники : науч.-техн. журн. — 2013. — № 10. — С. 17 — 22.
ЛОЖНИКОВ Алексей Олегович, аспирант кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики».
Адрес для переписки: lognikov@gmail.com
Статья поступила в редакцию 14.12.2015 г. © А. О. Ложников

читать описание
Star side в избранное
скачать
цитировать
наверх