Ложников Алексей Олегович. Улучшение моночастотности кварцевых резонаторов двухповоротных срезов организацией пространственной селекции мод

Краткое описание

Ложников Алексей Олегович. Улучшение моночастотности кварцевых резонаторов двухповоротных срезов организацией пространственной селекции мод: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.12.04 / Ложников Алексей Олегович;[Место защиты: ФГБОУ ВО Омский государственный технический университет], 2017

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования «Омский государственный технический университет» Акционерное общество «Омский научно-исследовательский институт приборостроения»

На правах рукописи
Ложников Алексей Олегович
УЛУЧШЕНИЕ МОНОЧАСТОТНОСТИ КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ ДВУХПОВОРОТНЫХ СРЕЗОВ ОРГАНИЗАЦИЕЙ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СЕЛЕКЦИИ МОД
Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства
телевидения
Диссертация
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Первый научный руководитель: к.т.н., доцент
Лепетаев А.Н.
Второй научный руководитель: д.т.н., профессор Косых А.В.
Омск - 2017
Оглавление
Введение 4
1 Аналитические и патентные исследования моночастотности кварцевых резонаторов двухповоротных срезов 10
1.1 Краткая характеристика рассматриваемой проблемы 10
1.2 Исследование вопроса применения резонаторов двухповоротных срезов 17
1.3 Схемотехнические методы решения проблемы моночастотности 20
1.4 Генераторы с использованием двух мод возбуждения 25
1.5 Исследование вопросов достижения моночастотности в кварцевых резонаторах двухповоротных срезов 28
1.5.1 Резонаторы с использованием параллельного поля 28
1.5.2 Резонаторы с использованием ангармонических колебаний 33
1.5.3 Ослабление моды B конструкцией кристаллического элемента 38
1.6 Выводы и постановка задач исследования 41
2 Расчет пьезоэлементов кварцевых резонаторов двухповоротных срезов....44
2.1 Основные положения теории расчета пьезоэлектрических резонаторов 44
2.1.1 Кристаллическая структура а-кварца и пьезоэффект 44
2.1.2 Описание физических свойств пьезоэлектрических резонаторов с помощью тензоров и матриц 47
2.1.3 Расчет пьезоэлектрических и механических констант резонаторов двухповоротных срезов 54
2.1.4 Расчет параметров колебаний 57
2.1.5 Эквивалентные параметры резонатора и методы их измерений 60
2.1.6 Расчет эквивалентных параметров резонатора и их измерение 63
2.2 Расчет спектра колебаний 66
2.3 Расчет распределения плотности тока на поверхности кристаллического элемента 75
2.4 Разработка методики расчета распределения плотности тока на поверхности кристаллического элемента 83
2.5 Выводы по главе 2 84
3 Экспериментальные исследования кварцевых резонаторов двухповоротных срезов с улучшенной моночастотностью 85
3.1 Изготовление пьезоэлементов 85
3.2 Исследование новых топологий пьезоэлементов 87
3.3 Исследование резонаторов с улучшенной моночастотностью 93
3.3.1 Конструкция резонатора-термостата 93
3.3.2 Исследование моночастотности резонаторов 94
3.3.3 Исследование резонаторов с улучшенной моночастотностью в интервале температур 98
3.3.3 Выводы по новой конструкции 99
3.4 Исследование новой конструкции в составе кварцевого генератора 101
3.5 Разработка топологий пьезоэлементов для различных срезов 108
3.6 Выводы по главе 3 110
Заключение 112
Список сокращений и условных обозначений 114
Список литературы 115
Приложение А. Текст дескрипторного файла описания расчета в
программе FlexPDE 125
Приложение Б. Свидетельства о поверке приборов 130
Приложение В. Акт внедрения результатов диссертационной работы 134
Введение Актуальность темы исследования.
Стабильность и надежность источников опорных колебаний определяет качество и устойчивость радиосвязи, точность определения координат и скорости объектов, точность измерения электрических и неэлектрических величин в радиотехнических системах. Изменение температуры окружающей среды, как правило, оказывает наибольшее влияние на стабильность частоты. Термостатированные кварцевые генераторы (ТСКГ) обеспечивают наилучшую температурную стабильность среди генераторов на основе пьезоэлектриков. В настоящее время наиболее перспективны генераторы на основе резонаторов - термостатов (РТ), в которых термостатируется только пьезоэлемент. Среди ТСКГ такие генераторы имеют наименьшее энергопотребление и меньшие габаритные размеры, но при этом влияние температуры окружающей среды на стабильность в них более существенно.
Основой большинства ТСКГ, являются кварцевые резонаторы двухповоротных срезов ТД, SC и IT. Резонаторы на основе кристаллических элементов (КЭ) данных срезов, по сравнению с резонаторами на основе наиболее популярного AT среза, имеют основное преимущество - меньшее влияние климатических и механических воздействий на частоту, что объясняет их широкое применение. При этом у резонаторов двухповоротных срезов имеется один существенный недостаток - недостаточная моночастотность, связанная с более высокой добротностью и низким динамическим сопротивлением побочного колебания (мода B), по сравнению с основным колебанием (мода C). Так как значение частоты побочного колебания всего на ~10 % превышает частоту основного, схему автогенератора приходится усложнять, вводя в неё дополнительные селективные элементы, в основном резонансные цепи на основе катушек индуктивности. Данное изменение схемы приводит к ухудшению температурной и долговременной стабильности генератора, что нашло отражение в работах А.М. Семиглазова, С.Л. Куниной, Г.Б. Альтшуллера. Кроме того, недостаточная моночастотность может приводить к провалам выходного напряжения и генерации побочной частоты, что снижает надежность таких ТСКГ.
Вопросы ослабления побочных колебаний конструкцией резонатора рассмотрены в работах И.В. Абрамзона, А.Н. Дикиджи, К. Вайса (К. Weiss), А. Мазукевича (А. Masiukiewicz), Р. Буркина (R. Bourquin), Е. Иерниссе (E. EerNisse) и др. Резонаторы, представленные в данных работах, имеют ряд недостатков, связанных с большим динамическим сопротивлением рабочего колебания, недостаточным ослаблением побочных колебаний или применением первой механической гармоники, которая не используется для ТСКГ.
Таким образом, для создания перспективных высокостабильных генераторов необходимы специализированные кварцевые резонаторы с улучшенной моночастотностью.
Основная идея работы состоит в использовании принципа конгруэнтности топологий возбуждающих электродов полям плотности токов мод по поверхности пьезоэлемента для осуществления пространственной селекции мод (возбуждения нужных колебаний).
Объектом исследования диссертационной работы являются пьезоэлементы двухповоротных срезов резонаторов для термостатированных кварцевых генераторов.
Предметом исследования диссертационной работы являются распределение плотности токов по поверхности пьезоэлемента, моночастотность и спектр колебаний кварцевых резонаторов двухповоротных срезов, а также их динамические параметры.
Целью диссертационной работы является исследование и разработка кварцевых резонаторов двухповоротных срезов, обладающих улучшенной моночастотностью, позволяющей исключить элементы селекции из схем ТСКГ.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие задачи:
- проанализировать моночастотность существующих конструкций кварцевых резонаторов двухповоротных срезов;
- выполнить математическое моделирование спектра колебаний и полей поверхностной плотности токов кристаллических элементов двухповоротных срезов;
- провести экспериментальные исследования пьезоэлементов, выполненных на основе результатов моделирования;
- провести оценку применимости новых конструкций пьезоэлементов в составе ТСКГ;
- провести исследования ТСКГ на основе резонаторов новой конструкции.
Методы исследования. Для решения поставленных задач используются:
- методы тензорной алгебры для расчета значений пьезоэлектрических констант, модулей упругости и вязкости;
- метод конечных элементов для математического моделирования пьезоэлементов;
- экспериментальные методы исследований;
- методы статистической обработки экспериментальных данных.
Научная новизна. В процессе исследований получены следующие
новые научные результаты:
1. Разработана методика моделирования полей плотности токов различных мод колебаний в пьезоэлементах двухповоротных срезов.
2. Установлено, что распределения плотностей токов по поверхности пьезоэлемента побочной моды В и рабочей моды С отличаются друг от друга и асимметричны относительно центра пьезоэлемента.
3. Предложены топологии электродов (патент РФ № 2546313), обеспечивающие существенное изменение уровней активности возбуждаемой (С) и побочной (В) мод в пользу рабочей моды С.
4. Предложен принцип пространственной селекции колебаний в пьезоэлементе, основанный на конгруэнтности форм и места расположения электродов полям плотности тока данного колебания.
5. Теоретически и экспериментально показано, что конструкции с асимметричными электродами, имеют меньшие значения емкостных коэффициентов, что говорит о более эффективном возбуждении колебаний рабочей моды С.
Практическая ценность научной работы заключается в следующем:
- методика расчета распределения плотности токов на поверхности кристаллического элемента позволяет разрабатывать резонаторы с улучшенной моночастотностью и уменьшенным емкостным коэффициентом;
- разработанные пьезоэлементы позволяют улучшить температурную стабильность термостатированных кварцевых генераторов. Отсутствие дополнительных элементов в схеме автогенератора также позволяет улучшить экономические показатели термостатированных генераторов за счет уменьшения трудоемкости при его сборке и настройке.
Результаты работы нашли применение при разработках кварцевых генераторов в АО «ОНИИП», что подтверждено актом внедрения.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Методика расчета распределений плотности токов мод по поверхности пьезоэлемента.
2. Результаты расчетов распределений поверхностной плотности тока для мод С и В кристаллических элементов двухповоротных срезов.
3. Конструкции (топологии) электродов, обеспечивающие требуемое соотношение динамических сопротивлений мод В и С в резонаторах ТД среза.
4. Принцип пространственной селекции мод колебаний, основанный на конгруэнтности форм и места расположения электродов полям уровня токов мод.
5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований кварцевых резонаторов со смещенными относительно центра электродами.
Достоверность полученных в работе результатов.
Достоверность проведенных расчетов и исследований, а также научных положений, результатов и выводов диссертации обусловливается соответствием полученных теоретических результатов с собственными экспериментальными данными, а также с экспериментальными данными, полученными другими авторами; использованием современной метрологически аттестованной аппаратуры и отсутствием противоречий фундаментальным законам физики и математики.
Личный вклад автора
Все результаты работы получены автором лично или при непосредственном его участии. Разработка программы распределения плотностей токов и разработка на её основе методики расчета выполнена совместно с А.Н. Лепетаевым. Все теоретические и экспериментальные исследования и обработка их результатов выполнены лично автором. Роль автора в постановке задач, выдвижении идей, разработке основных положений и обосновании решений носит определяющий характер.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях, симпозиумах: Международный симпозиум по стабилизации частоты (IEEE International Frequency Control Symposium, Тайвань, 2014), II Международная научно-техническая конференция «Радиотехника, электроника и связь» (Омск, 2013), Международная научно¬практическая конференция ученых, преподавателей, аспирантов, студентов, специалистов промышленности и связи, посвященная Дню радио «Наука, образование, бизнес» (Омск, 2015), Международная конференция для молодых ученых (Wave Electronics and its Applications in the Information and Telecommunication Systems, Санкт-Петербург, 2015 и 2016).
Публикации.
Основные теоретические и практические результаты диссертации представлены в 12 печатных работах, среди которых 4 публикации в рецензируемых изданиях, рекомендованных действующим перечнем ВАК, и 1 патент на изобретение.
Благодарности.
Автор считает своим долгом выразить глубочайшую благодарность научному руководителю к.т.н., доценту Лепетаеву А.Н. за неоценимый вклад и помощь при работе над диссертацией.

Список литературы

Заключение
В ходе работы получены следующие результаты:
1. Разработана методика моделирования полей плотности токов различных мод колебаний в пьезоэлементах двухповоротных срезов.
2. Установлено, что распределения плотностей токов побочной моды В и рабочей моды С отличаются друг от друга и асимметричны относительно центра пьезоэлемента, что может быть использовано для селекции колебаний при разработках кварцевых резонаторов.
3. Проведено математическое моделирование колебаний кристаллических элементов разных механических гармоник, кристаллографических ориентаций и форм, показавшее, что распределение плотности поверхностного тока имеет смещение от центра стороны пьезоэлемента, которое возрастает с увеличением порядка механической гармоники и увеличением угла поворота вокруг кристаллографической оси Z.
4. Предложен принцип пространственной селекции колебаний, основанный на конгруэнтности форм и места расположения электродов полям плотности тока данного колебания.
5. Доказано, что различными топологиями электродов можно получать отношения динамических сопротивлений мод В и С в резонаторах ТД среза от 0,78 до 9,23.
6. Установлено, что пьезоэлементы, разработанные на основе принципа пространственной селекции колебаний, имеют динамические сопротивления побочных колебаний, которые превышают в 2,8 и более раз сопротивление рабочей моды C. За счет этого обеспечивается улучшение моночастотности.
7. Показано, что применение кварцевых резонаторов двухповоротных срезов с улучшенной моночастотностью позволяет улучшить температурную стабильность генераторов на основе РТ до 4... 10-10"9.
8. Экспериментально установлено, что генераторы, в резонаторах которых применены асимметричные электроды, имеют перестройку частоты внешним корректором больше на ~30 % за счет уменьшенного в 1,9 раз емкостного коэффициента резонатора.
На основе анализа результатов работы сделаны следующие выводы:
1. Способ управления активностью мод колебаний на основе пространственной селекции формами возбуждающих электродов может быть эффективно использован в конструкциях резонаторов двухповоротных срезов для высокостабильных генераторов.
2. Резонаторы с улучшенной моночастотностью позволяют отказаться от элементов селекции в схеме генератора.
3. Применение резонаторов, топологии электродов которых основаны на принципе пространственной селекции мод, позволяет улучшить температурную стабильность ТСКГ и уменьшить трудоемкость их сборки, настройки из-за отсутствия элементов селекции, а также увеличить время наработки на отказ и срок сохраняемости за счет большей перестройки частоты внешним корректором.
В результате проделанной работы, на основании теоретических исследований поверхностной плотности тока, разработаны новые научно обоснованные топологии электродов пьезоэлементов резонаторов, основанные на принципе пространственной селекции. Их применение позволяет повысить стабильность и надежность термостатированных кварцевых генераторов, а соответственно и улучшить показатели радиотехнических систем.
Список сокращений и условных обозначений
а-кварц - тригональная полиморфная модификация диоксида кремния, применяемая для пьезоэлектрических устройств
AT - обозначение принято в качестве группового для ряда срезов кварцевых пластин, различающихся ориентацией угла вокруг оптической оси кварца Ф в пределах 0° и ориентацией угла вокруг электрической оси в в пределах 33,5... 35° IT - зарубежный аналог ТД-среза кварцевой пластины с ориентацией угла вокруг оптической оси кварца Ф в пределах 19. 20° ppm - parts per million, 10-6
SC - зарубежный аналог ТД-среза кварцевой пластины ВП - военное представительство КЭ - кристаллический элемент
Мода B - побочное колебание в резонаторах двухповоротных срезов Мода C - рабочее колебание в резонаторах двухповоротных срезов РТ - резонатор-термостат
ТД - обозначение принято в качестве группового для ряда срезов кварцевых пластин, различающихся ориентацией угла вокруг оптической оси кварца Ф в пределах 22. 24° и ориентацией угла вокруг электрической оси в в пределах 33,5. 35° [24]
ТСКГ - термостатированный кварцевый генератор ТЧХ - температурно-частотная характеристика
Список литературы
1. Havel, J.M. Crystal requirements for future military equipment / J.M. Havel // Proceedings of the 10th Annual Symposium on Frequency Control. - 1956. - P. 440-454.
2. Hather, E. Frequency control aspects in Army communications and surveillance / E. Hather // Proceedings of the 26th Annual Symposium on Frequency Control. - 1972. - P. 15-19.
3. Vig, J. Frequency control devices / J. Vig, A. Ballato // Ultrasonic Instruments and Devices. Academic Press. - New York. - 1999. - P. 637-701.
4. Dixon, R.C. Spread Spectrum Systems / R.C. Dixon // John Wiley & Sons. - New York. - 1976.
5. Robertson, A.D. Tactical jamming / A.D. Robertson, F.C.Painter // Defense Science and Engineering. - 1985. - P. 20-28.
6. Willis, N.J. Bistatic Radar / N.J. Willis, M.I. Skolnik // Radar Handbook. - Chapter
25. - Mc-Graw-Hill Publishing Co. - 1990.
7. Peter, C. Low Noise Chip Scale Atomic Clock (LNCSAC) / C. Peter, B. Dan, G. Ramesh, M. David // Proceedings of 2014 IEEE International Frequency Control Symposium : Taipei, Taiwan, 19-22 May, 2014. - P. 253-256.