1. Основные положения

Для реализации высокой стабильности частоты автогенератора его эквивалентный контур должен обладать параметрами, мало изменяющимися во времени при воздействии внешних дестабилизирующих факторов. Автогенераторы на LC-контурах не обеспечивают стабильности, требуемой по современным нормам. Поэтому в современных передатчиках в качестве высокостабильного генератора применяют генераторы с кварцевой стабилизацией. В качестве высокостабильной и высокодобротной колебательной системы в подобных генераторах используют кварцевые резонаторы.

К варцевый резонатор представляет собой пластину, вырезанную из кристалла кварца и помещенную между двумя металлическими обкладками, называемыми электродами. Крепление кварцевой пластины осуществляют с помощью кварцедержателей. Кварц является кристаллическим минералом естественного или искусственного происхождения. Характерным для кварца является постоянство свойств, высокая упругость и большая твердость. Кристалл кварца по форме близок к шестигранной призме, ограниченной сверху и снизу шестигранными пирамидами (рис. 1, а). У него различают следующие оси (рис. 1, а, б): оптическую ZZ, проходящую через вершины пирамид; три электрические XX, проходящие через противоположные углы шестиугольника сечения призмы, и три механические YY, проходящие через середины противоположных сторон шестиугольника.

Рис. 1

Свойства кварцевой пластины зависят как от ее размеров и формы, так и от плоскости, в которой осуществляется ее срез (плоскости среза). Срезы, при которых ребра пластины параллельны осям кристалла кварца, называют прямыми. Преимущественное распространение получили косые срезы, при которых ребра кварцевой пластины составляют с осями кристалла некоторый угол. В зависимости от этого угла различают несколько типов пластин с косыми срезами, отличающихся друг от друга температурными характеристиками.

Кварцевые пластины имеют различную форму. Их выполняют в виде плоскопараллельных пластин (рис. 1, в), стержней или плосковыпуклых линз.

Электроды делают в виде токопроводящих пластин, расположенных вблизи поверхности кварцевой пластины или пленки (обычно из никеля, серебра или золота), контактирующей с ее поверхностью. Изготовление электродов с помощью металлизации кварцевой пластины позволяет полностью избавиться от зазора между электродами и кварцем, что дает возможность повысить добротность резонатора.

Кварцедержатели изготовляют с помощью струн, припаянных к металлизированным покрытиям, а также иголок и пружин. Для уменьшения вносимого сопротивления точки подсоединения струн или иголок должны совпадать с узлами механических колебаний.

Для защиты от воздействия влаги кварцевый резонатор помещают в герметический баллон. Для повышения добротности резонатора воздух из баллона удаляется, чтобы он не оказывал сопротивление колеблющейся кварцевой пластине. Однако при этом ухудшаются условия отвода от него тепла, что сказывается на его стабильности. Для обеспечения оптимальной температуры применяют термостатирование резонатора.

Кварцевые пластины обладают пьезоэлектрическим эффектом. При деформации кварцевой пластины (в общем случае при каком-то механическом воздействии) на ее поверхности появляются электрические заряды (прямой пьезоэлектрический эффект), при действии электрического поля в пластине возникают механические деформации (обратный пьезоэлектрический эффект). Характер деформации пластины зависит от полярности приложенного напряжения; если напряжение переменное, то в пластине возникают механические (упругие) колебания. Таким образом, кварцевая пластина преобразует подводимое к ней электрическое колебание в механическое и, наоборот, механическое колебание в электрическое.

Кварцевая пластина, как всякое упругое тело, обладает резонансной частотой механических колебаний, зависящей от размеров пластины. Чем меньше размеры кварцевой пластины, тем выше резонансная частота механических колебаний. Следовательно, можно подобрать такие размеры кварцевой пластины, чтобы ее резонансная частота механических колебаний была близка к частоте переменного напряжения, прикладываемого к пластине. Будучи включенным в электрическую цепь, резонатор для электрических колебаний представляет собой обычную резонансную систему, т. е. резонатор обладает свойствами колебательного контура.

Параметры такого контура отличаются от параметров LC- контура. Во-первых, в таком контуре внешние воздействия мало влияют на резонансную частоту; во-вторых, контур обладает очень высокой добротностью, составляющей величину порядка 10⁴ — 10⁶. Напомним, что LC-контуры в диапазоне KB имеют добротность не выше 200— 300, а в диапазоне СВЧ — до 10 ⁴.

Электрический эквивалент кварцевого резонатора (рис. 2, а) с электродами в виде пленки на кварцевой пластине, показанный на рис. 2, б, представляет собой электрическую схему, которая имеет такие же полные электрические сопротивления, что и кварцевый резонатор на частотах вблизи резонанса. На этой схеме индуктивность L_К

характеризует колеблющуюся массу кварцевой пластины; емкость С_К — величину, обратную упругости пластины; сопротивление r_К учитывает потери на трение, а также потери энергии при преобразовании механических колебаний в электрические; емкость Со — это емкость между выводами кварцевого резонатора на частотах, отличных от резонансной.

Рис. 2

Суть физических процессов, происходящих в электрической цепи с кварцевым резонатором, можно пояснить следующим образом. Положим, что к электродам кварцевого резонатора подключили источник переменного напряжения. Тогда ток в цепи этого источника возникает за счет того, что: 1) кварцевый резонатор обладает свойствами обыкновенного конденсатора, емкость которого Со определяется площадью электродов, толщиной кварцевой пластины и диэлектрической проницаемостью кварца; 2) появляется составляющая тока в цепи источника напряжения, обусловленная пьезоэлектрическим эффектом кварцевой пластины. Действительно, переменное напряжение, приложенное к пластине, вызовет в ней механические колебания, которые, в свою очередь, приведут к возникновению на кварцедержателях переменного электрического напряжения. Это напряжение создает в цепи вторую составляющую тока.

Если частота напряжения, приложенного к кварцевому резонатору, совпадает с резонансной частотой механических колебаний пластины, то малое электрическое напряжение вызывает в пластине сильные механические колебания. Э.д.с., появляющаяся за счет пьезоэлектрического эффекта, складываясь с напряжением внешнего источника, приводит к многократному увеличению тока. Таким образом, переменный ток от источника ВЧ-колебаний преобразуется сначала в механические колебания кварцевой пластины с требуемой резонансной частотой, а затем обратно в увеличенный по амплитуде переменный ток. Значения L_К, С_К и r_К зависят от размеров кварцевой пластины, типа среза, вида кварцедержателей, свойств кварцевого материала и т. д.

2. Классификация, унификация и стандартизация резонаторов

2.1. Признаки классификации

К настоящему времени классификация пьезоэлектрических резонаторов в основном завершена и ее основные принципы определились. Классификация служит основой унификации и стандартизации резонаторов. В рамках Международной электротехнической комиссии (МЭК) разрабатываются документы (публикации) по классификации, унификации и стандартизации резонаторов. Публикации и стандарты МЭК являются основой для разработки нормалей и стандартов на пьезоэлектрические резонаторы, их конструкции, системы параметров, методы испытаний и измерений. Советский комитет МЭК активно участвует в работе технического комитета МЭК по пьезоэлектрическим устройствам, издает стандарты МЭК на русском языке с целью ознакомления технической общественности, предприятий и организаций с международным опытом и достижениями в этой области. Стандарты МЭК не заменяют действующих в стране государственных и отраслевых стандартов, нормалей и других документов на резонаторы, но являются полезными пособиями, существенно дополняющими их. В списке литературы приведены публикации и стандарты МЭК, а также государственные и отраслевые стандарты на пьезоэлектрические резонаторы и устройства.

Признаков классификации резонаторов достаточно много. Их классифицируют по

1. видам пьезоэлектрика

2. конструктивным различиям

3. назначению

4. условиям эксплуатации

5. диапазонам частот

6. видам механических колебаний ПЭ

7. ориентации (срезам) кристаллических элементов

8. некоторым другим признакам.

Для резонаторов используют как кристаллические, так и керамические пьезоэлектрики. Из кристаллических пьезоэлектриков используют кварц, танталат лития (ТЛ), ниобат лития (НЛ), калий виннокислый (KB), берлинит, тетраборат лития (ТБЛ), лангасит (ЛГС) и некоторые другие. Из перечисленных пьезоэлектриков широкое практическое применение нашли кварц, виннокислый калий и танталат лития. Остальные только начинают осваиваться в промышленном производстве. С учетом принятых в технической литературе сокращений различают пьезорезонаторы: кварцевые, КВ-резонаторы, ТЛ-резонаторы, ЛГС-резонаторы, ТБЛ-резонаторы, ПК-резонаторы (пьезокерамические) составные или композиционные (с пленочным пьезоэлектриком).

По конструктивным признакам различают

1. резонаторы в корпусах

2. бескорпусные резонаторы,

далее — по материалу корпусов:

1. в пластмассовых

2. стеклянных

3. металлических

4. керамических корпусах.

Резонаторы в пластмассовых и керамических корпусах отечественная промышленность не выпускает. За рубежом в пластмассовых корпусах выпускают керамические резонаторы.

В особый класс выделяют микрорезонаторы, отличающиеся очень малыми размерами и объемом.

По форме корпусов, расположению и виду выводов резонаторы делят на две группы: для РЭА на дискретных компонентах и для МЭА, совместимые с микросхемами и другими компонентами этой аппаратуры.

Конструктивные признаки касаются числа полюсов резонаторов, числа пьезоэлементов в корпусе и числа рабочих частот резонатора. В первом случае выделяют двух-, трех- и четырехполюсные резонаторы. Большинство резонаторов выпускается двухполюсными, трех- и четырехполюсные резонаторы используют преимущественно в фильтрах и сравнительно редко в генераторах.

Для экономии объема в один корпус часто заключают два, три, а иногда и больше пьезоэлементов. Такие резонаторы имеют несколько рабочих частот и их называют соответственно двух-, трех-, четырехчастотными. Иногда увеличение числа рабочих частот достигается возбуждением двух или более мод колебаний одного пьезоэлемента, частоты которых различны. Такие резонаторы называют двухмодовыми или многомодовыми в зависимости от числа рабочих мод колебаний ПЭ. Резонаторы с разными ПЭ в общем корпусе имеют обычно отдельные выводы для каждой рабочей частоты. Многомодовые резонаторы часто имеют общие выводы для всех рабочих частот и редко отдельные выводы для равных рабочих частот.

К конструктивным особенностям резонаторов относят наличие в их составе элементов другого функционального назначения — датчиков температуры, конденсаторов, варикапов, резисторов и пр. К числу таких резонаторов относятся так называемые резонаторы-термостаты с внутренним термостатированием пьезоэлемента. Резонаторы-термостаты представляют достаточно сложные гибридные или интегральные устройства, описанию которых посвящен специальный раздел. Подробнее конструктивные различия резонаторов рассмотрены в разд. 3.

По назначению различают резонаторы генераторные, фильтровые и резонаторы-датчики.

Конструктивно генераторные и фильтровые резонаторы не различаются. Их различие определяется требованиями к электрическим параметрам. Для фильтровых резонаторов характерны жесткие требования к реактивным эквивалентным параметрам и ослаблению побочных резонансов. Различия требований к параметрам генераторных и фильтровых резонаторов приведены в табл. 1 и более подробно рассмотрены в других разделах.

Генераторные резонаторы разделяют на следующие группы: общего применения, для управляемых и термокомпенсированных генераторов, термостатируемые и прецизионные.

Термостатируемые резонаторы разделяют на резонаторы с внешним и внутренним термостатированием. Последние, как указывалось, называют резонаторами-термостатами.