Керовані п'єзорезонансні пристрої на основі кварцових резонаторів з однобічним масонавантаженням і міжелектродним зазором

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

«Харківський авіаційний інститут»

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

05.12.13 - радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій

КЕРОВАНІ П'ЄЗОРЕЗОНАНСНІ ПРИСТРОЇ НА ОСНОВІ КВАРЦОВИХ РЕЗОНАТОРІВ З ОДНОБІЧНИМ МАСОНАВАНТАЖЕННЯМ І МІЖЕЛЕКТРОДНИМ ЗАЗОРОМ

САВЧЕНКО Володимир Миколайович

Харків - 2011

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

керований кварцовий резонатор модуляція

Актуальність теми. Розвиток пристроїв радіотехніки і засобів телекомунікацій обумовлює використання все більшої кількості високоточних пристроїв, домінуючу роль серед яких відіграють п'єзорезонансні пристрої (ПРП), до яких відносяться: кварцові резонатори, виконані на їх основі кварцові генератори та фільтри, п'єзорезонансні перетворювачі фізичних величин. Дані пристрої займають провідне місце серед приладів такого типу в системах передачі інформації, радіолокації і радіонавігації, телеметрії, в переносній та мобільній апаратурі радіозв'язку, обчислювальній техніці.

Для керованих за частотою ПРП актуальними є задачі зменшення фазових шумів та чутливості до дестабілізуючих факторів, наприклад, температури, розширення діапазону перестроювання частоти, зменшення основної та додаткової похибок встановлення частоти, тощо. Традиційне застосування варикапа в колі керування їх частотою призводить до збільшення рівня фазових шумів, зниження добротності коливальної системи, зростання додаткових похибок встановлення частоти, обмеження діапазону керування, що робить доцільним виключення варикапа з коливальної системи й перехід до безпосереднього керування частотою кварцового резонатора. Розробка пристроїв на основі ПРП вимагає конструктивно-технологічних та схемотехнічних рішень, спрямованих на усунення шкідливого впливу дестабілізуючих факторів, і повинна спиратися на точні математичні моделі п'єзорезонатора - елемента, який визначає частоту коливальної системи ПРП.

Основний внесок у розвиток теорії та практики радіотехнічних пристроїв генерування та фільтрації сигналів на основі ПРП внесли В.Я. Баржин, О.О. Зеленський, Ю.С. Шмалій, Ф.Ф. Колпаков, В.П. Сімонов, В.В. Малов, Р.Г. Джагупов, В.М. Шарапов, І.І. Постніков, А.В. Косих, E.P. EerNisee, W.P. Mason та ін., теорія коливань п'єзоелектричних пластин розвинута у роботах W.Р. Cady, R.D. Mindlin, H.F. Tiersten, P.C.Y. Lee, A. Ballato та ін. Однак відомі аналітичні моделі даних пристроїв не можуть претендувати на універсальність та мають обмежену область застосування. Труднощі, які виникають при врахуванні у моделях п'єзо- та супутніх ефектів, вимагають спрощення моделі, що призводить до додаткових похибок, які неможливо врахувати на етапі розробки ПРП. Тому розробка й удосконалення математичних моделей, які враховують вплив конструктивно-технологічних і зовнішніх факторів для їх довільних поєднань з метою зменшення основної та додаткових похибок частоти, та створення на їх основі п'зорезонасних пристроїв із покращеними технічними характеристиками є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрямок досліджень обраний відповідно з поточними та перспективними планами наукової роботи Української інженерно-педагогічною академії за тематикою розвитку засобів радіотехніки та телекомунікаційних систем і безпосередньо пов'язаний з наступними держбюджетними науково-дослідними роботами, виконаними на кафедрі «Радіоелектроніка і комп'ютерні системи», в яких автор приймав безпосередню участь: «Відпрацювання основних принципів побудови п'єзорезонансних пристроїв (ПРП) та методик вимірювання їх параметрів при застосуванні ПРП у приладобудуванні і телекомунікаційних системах та мережах», №ДР 0206U007592, «Дослідження процесів в електронних пристроях за допомогою аналітичних і чисельних методів» №ДР 0205U002693, „Дослідження п'єзорезонансних пристроїв із змінюваним міжелектродним зазором та однобічним масонавантаженням” №ДР 0110U001521.

Мета і завдання дослідження - покращення технічних характеристик керованих п'єзорезонансних пристроїв генерування і фільтрації сигналів шляхом оптимізації параметрів кварцового резонатора на основі розробки математичних моделей п'єзоелемента в умовах однобічного масонавантаження й варіації міжелектродного зазору.

Для досягнення поставленої мети в дисертації розв'язуються наступні завдання:

а) аналіз сучасного стану теорії й практики побудови п'єзорезонансних пристроїв генерування й фільтрації сигналів, конструктивних і технологічних особливостей проектування та виготовлення;

б) розробка математичної моделі коливань п'єзоелементу кварцового резонатора (КР) з урахуванням впливу міжелектродного зазору й однобічного масонавантаження кварцового резонатора на параметри коливальної системи ПРП;

в) розробка методів, алгоритмів і програмного забезпечення аналізу та оптимізації параметрів ПРП;

г) розробка методичного та апаратурного забезпечення експериментальних досліджень характеристик ПРП на основі кварцових резонаторів з міжелектродним зазором;

д) розробка ПРП генерування й фільтрації сигналів з покращеними технічними характеристиками та зменшеними основною та додатковими похибками частоти.

Об'єктом дослідження є процеси генерування, стабілізації та селекції сигналів в пристроях радіотехніки та засобах телекомунікацій - кварцових генераторах і фільтрах.

Предметом дослідження є керовані за частотою п'єзорезонансні пристрої на основі кварцових резонаторів з однобічним масонавантаженням і модуляцією міжелектродного зазору.

Методи дослідження. При розв'язанні поставлених задач застосовувалися теоретичні та експериментальні методи досліджень. Теоретичні методи засновані на теорії розрахунку електричних кіл, методах аналізу радіотехнічних пристроїв, лінійній теорії коливань п'єзоелектричних тіл R.D. Mindlin і H.F. Tiersten, теорії диференційних рівнянь у часткових похідних, варіаційному, тензорному й матричному численні, які використані під час розробки та аналізу математичних моделей ПРП. В експериментальних дослідженнях застосовувалися: теорія вимірювань, математичне (комп'ютерне) моделювання, теорія похибок.

Наукова новизна отриманих результатів:

1) вперше отримано математичну модель п'єзорезонансного пристрою на основі кварцового резонатора з однобічним масонавантаженням, яка, на відміну від відомих, ураховує одночасний вплив однобічного масонавантаження й міжелектродного зазору на параметри його коливальної системи, що дозволяє зменшити основну похибку частоти;

2) вдосконалено математичну модель температурної чутливості п'єзорезонансного пристрою, у якій, на відміну від відомих, отримані температурні коефіцієнти частоти з урахуванням одночасного впливу однобічного масонавантаження й міжелектродного зазору на температурно-частотну характеристику пристрою, що дозволяє зменшити додаткову температурну похибку частоти.

3) одержала подальший розвиток математична модель чутливості п'єзорезонатора до конструктивно-технологічних факторів, у якій, на відміну від відомих, за рахунок більш повного обліку конструктивних особливостей кварцового резонатора з однобічним масонавантаженням і міжелектродним зазором зменшені додаткові похибки частоти;

4) одержала подальший розвиток математична модель еквівалентної електричної схеми кварцового резонатора, у якій, на відміну від відомих, ураховано одночасну наявність однобічного масонавантаження й міжелектродного зазору, що дозволяє знизити похибки визначення їх параметрів.

Практичне значення отриманих результатів.

Теоретичні положення, які були розвинені в роботі, й отримані математичні моделі складають необхідну теоретичну базу розробки нових і розширення функціональних можливостей наявних ПРП з управлінням частоти.

1. Отримано співвідношення для визначення параметрів ПРП: резонансної частоти, параметрів елементів еквівалентної електричної схеми, коефіцієнтів чутливості до зовнішніх та конструктивно-технологічних факторів, - при проектуванні радіотехнічних пристроїв на основі ПРП на основі кварцового резонатора з однобічним масонавантаженням та міжелектродним зазором зі зменшеними основною й додатковою похибками частоти.

2. Розроблено пристрої радіотехніки з покращеними технічними характеристиками, серед яких: керований за частотою кварцовий генератор; смугові фільтри на основі базових конструкцій запропонованих ПРП зі змінною смугою пропускання, для яких відносна смуга перебудови частоти становить до 510^-4, що в 3-4 рази перевищує типові значення для ПРП з управлінням частоти на варикапах, а також знизити на (3…10) дБн/Гц фазові шуми пристрою.

3. Розроблено програмне забезпечення, призначене для: розрахунків значень матеріальних постійних п'єзоелектрика для кварцових резонаторів довільного кута зрізу; визначення чутливості ПРП до однобічного масонавантаження, міжелектродного зазору, температури; оптимізації параметрів ПРП; розрахунків параметрів еквівалентної електричної схеми кварцового резонатора й генератора «ємнісна триточка», які використані для розробки ПРП з поліпшеними технічними характеристиками.

4. Розроблено методику вимірювання параметрів ПРП на основі пасивного амплітудного методу та пристрій для фізичного моделювання, який забезпечує перебудову величини міжелектродного зазору (0…100) мкм з основною похибкою ±2 мкм для резонаторів діаметром (5…19) мм.

Результати досліджень упроваджені в ВАТ „АТ Науково-дослідний інститут радіотехнічних вимірювань”, м. Харків, (акт про впровадження від 12.02.2010 р.), в ТОВ «Науково-технічна та виробнича фірма «Новотех», м. Артемівськ) (акт про впровадження від 26.03.2009 р.), в навчальний процес кафедри «Радіоелектроніка і комп'ютерні системи» Української інженерно-педагогічної академії, м. Харків (акт від 28.01.2010 р.).

Особистий внесок автора. Всі положення і результати, що виносяться на захист, отримані здобувачем самостійно. У наукових працях, виконаних у співавторстві, здобувачем отримані аналітичні вирази коефіцієнтів чутливості ПРП на основі кварцових резонаторів з однобічним масонавантаженням та міжелектродним зазором (OMМЗ) до впливу конструктивно-технологічних та зовнішніх факторів [1]; запропоновано методики оптимізації параметрів ПРП [2, 22] та проведено оптимізацію параметрів КР з ОММЗ [21]; отримано аналітичні вирази [3] еквівалентної електричної схеми (ЕЕС) КР з ОММЗ та проведено їх вимірювання [20]; отримано математичну модель коливань п'єзоелемента кварцового резонатора з ОММЗ [4]; отримано інженерні співвідношення для проектування ПРП; отримано математичну модель коливань п'єзоелемента КР з однобічним масонавантаженням (ОМ) [5]; запропоновано конструкцію утримувача КР для фізичного моделювання параметрів КР із міжелектродним зазором (МЗ) [6]; запропоновано методику оптимізації параметрів КР з довільним кутом зрізу [7]; запропоновано модель квазіізотропного тіла для визначення коливань ПЕ КР [8]; проведено чисельне моделювання постійних матеріалу кварцу з урахуванням впливу п'єзозв'язку на твердість кварцу [9]; розроблено програмний модуль для визначення спектра коливань КР [10]; запропоновано спосіб візуалізації значень функції дискретної змінної для систем комп'ютерної математики [11]; розроблено програму для визначення значень постійних матеріалу кварцу для довільного кута зрізу [12]; запропоновано конструкцію керованого КР [13]; проаналізовано застосування синхронізованих одноконтурних автогенераторів [14]; проведено розрахунок температурно-частотної характеристики п'єзорезонансного датчика [15]; проведено моделювання впливу несиметричного масонавантаження на коливання ПЕ КР [16]; запропоновано комбінований метод визначення динамічного опору ЕЕС КР [23]; розроблено програмне забезпечення для моделювання параметрів КР [24] та для інженерного проектування ПРП [25].

Обґрунтованість і достовірність наукових положень і результатів підтверджується: коректним використанням математичного апарату; поданням математичних моделей у формі інженерних співвідношень; перевіркою адекватності математичних моделей у ході математичного моделювання й експериментальних досліджень; апробацією результатів роботи на міжнародних і українських науково-технічних конференціях.

Апробація роботи. Основні наукові положення дисертаційної роботи доповідалися з наступним обговоренням на: міжнародній науково-технічній конференції «Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я» (м. Харків, НТУ «ХПІ», 1999, 2002, 2008, 2010 р.); міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми інформатики і моделювання» (м. Харків, НТУ «ХПІ», 2002-2007, 2009 р.); міжнародній молодіжній науково-практичній конференції «Людина і космос» (м. Дніпропетровськ, НЦАОМУ, 2006, 2007, 2009 р.), міжнародній науково-технічній конференції «Інформаційна техніка та електромеханіка» (ІТЕМ-2003, м. Луганськ), науково-практичних конференціях у ХВУ і ХУПС (м. Харків, 1999, 2006, 2009).

Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 24 наукові праці, з яких 5 статей в наукових журналах, 8 статей в фахових збірниках наукових праць, 11 тез і доповідей у збірниках праць і матеріалах міжнародних та українських наукових конференцій, отримано патент України на корисну модель.

Структура дисертації, її обсяг. Дисертаційна робота складається з вступу, 4 розділів, висновків, додатків, списку використаних джерел. Загальний обсяг роботи 196 сторінок друкованого тексту, 44 рисунки на 38 окремих сторінках, 4 таблиці на 3 окремих сторінках, 3 додатки на 12 сторінках, список із 164 використаних джерел на 14 сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, її наукова новизна і практична значимість, визначені мета роботи і питання, рішенню яких вона присвячена.

У першому розділі розглянуті проблеми, що виникають при проектуванні ПРП з керованою частотою. Серед задач, що вирішуються при розробці нових перспективних ПРП, виділяються наступні: зменшення фазових шумів; зменшення основної та додаткових похибок частоти; розширення діапазону перебудови частоти; зниження впливу дестабілізуючих факторів на параметри ПРП.

Проаналізовано схеми кварцових генераторів, фільтрів з керованою смугою пропускання та способи управління їх частотою. Показано, що застосування безпосереднього керування частотою ПРП за рахунок модуляції міжелектродного зазору кварцового резонатора замість ланки управління частотою з варикапами, дозволяє: знизити фазові шуми пристроїв; розширити діапазон перебудови частоти; підвищити добротність коливальної системи ПРП за рахунок видалення електродів з активної зони.

На сучасному етапі розвитку ПРП подальше їх удосконалення, як у першому, так і в другому підходах вимагає максимально можливої й точної апріорної інформації про об'єкт проектування - ПРП, що вимагає розробки математичних моделей, які б ураховували вплив на параметри пристроїв дестабілізуючих факторів.

Сформульовано задачі, що вирішуються в дисертації.

В другому розділі представлені результати теоретичних досліджень коливань ПРП на основі кварцових резонаторів із міжелектродним зазором і однобічним масонавантаженням (рис.1, а). Як відомо, вихідна частота кварцового генератора по схемі ємнісної триточки становить

, (1)

де - частота послідовного резонансу кварцового резонатора; - частотна поправка - відносна зміна частоти генератора, обумовлена впливом активного елемента схеми.

Для мінімізації впливу активного елемента на параметри коливальної системи повинні виконуватися дві умови: та, де - відносна зміна частоти генератора, обумовлена впливом вищих гармонік; - добротність коливального контуру; ; ; , , - ємності схеми, що визначають вихідну частоту генератора.

У відповідності з (1) в сталому режимі вихідна частота генератора зумовлена частотою послідовного резонансу кварцового резонатора, який визначає параметри коливальної системи генератора. Модуляційна характеристика генератора на основі КР з ОММЗ істотно нелінійна (рис. 1, б), що має бути врахованим при розробці математичної моделі ПРП. Система рівнянь стану п'єзоелектрика з урахуванням симетрії кристала в припущенні існування зрушення тільки вздовж осі  (2, а) і відповідна їй система рівнянь руху (2, б)

(2, а) (2, б)

де - компоненти тензора пружної напруги; - компоненти тензора твердості; - п'єзоелектричні коефіцієнти; - діелектричні коефіцієнти; - компоненти вектора електричного зсуву; - щільність матеріалу КЕ; - часткова похідна механічного зсуву по координатах i,j; - часткова похідна електричного потенціалу по координатах i,j; ,.

При однобічному масонавантаженні електрод розташований на одній поверхні кристалу, (рис. 1, а). Механічний зсув і електричний потенціал змінюються за законом і .

а) ПРП на основі з КР з ОММЗ	б) модуляційна характеристика генератора

Рис. 1. ПРП на основі з КР з ОММЗ: d - величина міжелектродного зазору; 2h - товщина КЕ; 2h' - товщина електрода; R - масонавантаження.

Для керування частотою в режимі мікрозазору КР граничні умови

,при ;

, при ; , при , (3)

де - товщина і щільність матеріалу електрода.

Отримано математичну модель.

1) Механічний зсув , (4)

де;

;

; - хвильове число; - твердість з урахуванням п'єзозв'язку; - коефіцієнт електромеханічного зв'язку; ; - відносне масонавантаження.

2) Система рівнянь коливань КЕ (2) для випадку чистих коливань зрушення по товщині після інтегрування (2) і з урахуванням (3)

(5)

де - постійні інтегрування, обумовлені граничними умовами (3).

3) Дисперсійне рівняння

. (6)

4) Вираз для хвильового числа після розкладання функцій , що входять у (6), у степеневий ряд з урахуванням ; n=1,3,5... (номер механічної гармоніки коливань ПР)

. (7)

5) Резонансна частота коливань зрушення по товщині ПЕ:

, (8)

де - частота паралельного резонансу коливань зрушення по товщині.

Для керування частотою в режимі макрозазору КР граничні умови визначимо з (2) з урахуванням (4) і заміни незалежної змінної електричним зсувом

, при; , при , (9)

Отримано математичну модель.

1) Механічний зсув , (10)

де

2) Різниця електричних потенціалів з урахуванням (2),(4),(9) буде

, (11)

де - коефіцієнт зміни діелектричної проникності зазору.

3) Вираз для повної провідності

. (12)

4) Дисперсійне рівняння за умови

, (13)

де - модифікований коефіцієнт електромеханічного зв'язку.

5) Вираз для хвильового числа після розкладання (13) у степеневий ряд з урахуванням

. (14)

6) Резонансна частота коливань зрушення по товщині

. (15)

Уперше отримане точне одновимірне рішення рівняння коливань для хвильового числа (6) і (13), вирази для резонансної частоти коливальної системи ПРП на основі КР з однобічним масонавантаженням для випадків мікро- та макрозазору (8) і (15), які у відповідності до (1) визначають вихідну частоту кварцового генератора та дозволяють знизити основну та додаткові похибки ПРП. Отримано вираз для повної провідності ПРП (12), який було використано при аналізі та моделюванні кварцових генераторів з безпосереднім керуванням їх частотою модуляцією міжелектродного зазору.

Вдосконалено математичну модель температурної чутливості ПРП, у якій враховано одночасний вплив однобічного масонавантаження й міжелектродного зазору на його температурно-частотну характеристику, що дозволяє зменшити додаткову температурну похибку частоти

, (16)

, (17)

, (18)

де ,- температурні коефіцієнти n-го порядку твердості, щільності і товщини матеріалу, ТКЧ n-го порядку без урахування міжелектродного зазору і масонавантаження. Для врахування додаткової похибки ТКЧ ПРП на основі КР з ОММЗ отримано температурний коефіцієнт однобічного масонавантаження

, (19)

де .

У роботі також отримано коефіцієнти другого та третього порядків.

Дістала подальший розвиток математична модель чутливості кварцового резонатора до конструктивно-технологічних факторів: коефіцієнти чутливості до зміни масонавантаження (20) та величини зазору (21), а також модуляційна характеристика міжелектродного зазору КР (22)

, (20)

де m=1, 2,..., N - порядок коефіцієнта; - коефіцієнт, який залежить від типу, конструкції та матеріалу кварцового резонатора;

, (21)

де , , j=2, 3…N - коефіцієнт, який залежить від типу, конструкції та матеріалу кварцового резонатору;

;

;

, (22)

де - початкова величина міжелектродного зазору.

В роботі дістала подальший розвиток математична модель еквівалентної електричної схеми (ЕЕС) кварцового резонатору (рис. 2, а) на основі виразу (12), проаналізовано еквівалентний послідовний опір КР (ESR) у складі ПРП (рис. 2, б).

1) Статична ємність . (23)

2) Динамічна індуктивність

. (24)

3) Динамічна ємність

. (25)

4) Динамічний опір

. (26)

6) Ємнісне відношення

. (27)

а)	б)

Рис. 2. Еквівалентна електрична схема КР (а) та залежність ESR ПРП від величини міжелектродного зазору та послідовно підключеної ємності (б).

Отримані в роботі математичні моделі, аналітичні вирази коефіцієнтів чутливості (16)…(21), модуляційної характеристики (22) та параметрів ЕЕС (23)…(27) є основою для проведення оптимізації параметрів ПРП з технічними характеристиками за заданими критеріями, а також інженерного проектування пристроїв даного класу.

У третьому розділі проведено моделювання параметрів ПРП на основі КР з ОММЗ від конструктивно-технологічних та зовнішніх факторів, запропоновано методику оптимізації та проведено оптимізацію параметрів ПРП.

Розроблено програмне забезпечення, що дозволяє врахувати анізатропні властивості кристалу п'єзокварцу та використовувати тензорні величини матеріальних постійних кристалу та їх залежність від зовнішніх факторів, наприклад, температури. Розраховано модуляційну характеристику ПРП та вплив на неї величини масонавантаження, номера механічної гармоніки та кута зрізу кварцового резонатора, а також матеріалу заповнення міжелектродного зазору. Проведено моделювання параметрів КГ із КР з ООМЗ в контурі на основі розрахованих значень модуляційної характеристики.

Запропоновано методику оптимізації параметрів ПРП, яка включає спосіб визначення областей припустимих значень параметрів і методику їх оптимізації для різних галузей застосування ПРП. Запропоновано графічний спосіб визначення областей припустимих значень параметрів на основі аналізу конструктивно-технологічних і експлуатаційних особливостей функціонування пристроїв.

Методика оптимізації ПРП:

де оператори(): 1 - початок оптимізації, вибір критеріїв оптимізації і визначення обмежень функції цілі; 2 - вибір змінних функції цілі; 3 - визначення області припустимих значень функції цілі; 4 - визначення функції цілі; 5 - вибір типу пристрою; 6…9 - параметрична оптимізація; 10 - оцінка результатів, ухвалення рішення про продовження розрахунків; 11 - вивід результатів, закінчення процесу оптимізації; - умовний перехід; - безумовний перехід.

Проведено оптимізацію для наступних типів ПРП на основі КР з ОММЗ: для пристроїв з термостатуванням, які перестроюються і не перестроюються по частоті; для пристроїв без термостатування, що перестроюються (табл.1) і що не перестроюються по частоті.

Таблиця 1. Результати оптимізації параметрів ПРП з ОММЗ

ПРП з ОММЗ	Оптимізовані параметри	Розраховані параметри ПРП з ОММЗ
	, рад			d,мкм
Оптимізмо-ваний	0,6242	0,1	1,25	100	0,0216	3,78·10-4	0,43168	14,16	0,0019
Стандартний (АТ)	0,6152	0,1	1,25	100	0,0187	4,54·10-4	0,43144	11,91	0,0023
Різниця, %					15,411	-16,761	0,062	18,862	-16,741

Примітка: ¹ - покращення, ² - погіршення.

Четвертий розділ присвячений методичному й апаратурному забезпеченню проведення експерименту, експериментальним дослідженням ПРП з ОММЗ, розробці ПРП з поліпшеними технічними характеристиками.

Метод вимірювання параметрів ПР - пасивний амплітудний метод. Розроблено вимірювальний стенд (рис. 3, а), методику проведення експериментальних досліджень, пристрій для фізичного моделювання ПРП на основі КР з ОММЗ (рис. 3, б). та проведено експериментальні дослідження ПРП на основі КР з ОММЗ.

Запропоновано дві базові конструкції ПРП із розміщенням рухомого управляючого електроду або поміж, або з однієї і тієї ж сторони п'зоелементів для застосування у пристроях радіотехніки. Розроблено смугові кварцові фільтри з керованою відносною смугою пропускання (0,0003...0,03) на частоті 10 МГц, що до семи разів більше аналогічних з керуванням варикапами та характеризуються відсутністю фазових шуми останніх (рис. 4).

а)	б)
Рис.3.

Розроблено кварцовий генератор на основі кварцового резонатору із безпосереднім керуванням частоти (патент України UA57121), який вільний від додаткових фазових шумів варикапів та забезпечує стійкий режим генерування у всьому діапазоні зміни величини міжелектродного зазору, за рахунок компенсації збільшення еквівалентного послідовного опору резонатору.

а)	б)

Рис. 4. АЧХ фільтра з керованою смугою пропускання на основі базової конструкції 1 (а) та 2 (б)

Розроблено програмне забезпечення аналізу та оптимізації параметрів ПРП на основі КР з ОММЗ та, на його основі, програму визначення параметрів генератора по схемі ємнісної триточки, яку впроваджено в ВАТ «НДІРВ», м.Харків. Розроблено й упроваджено у НТП «Новотех», м Артемівськ датчик вологості на основі КР з ОММЗ для сушки солі типу КС4-04/2.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

В дисертації вирішена актуальна науково-технічна задача покращення характеристик керованих п'єзорезонансних пристроїв генерування та фільтрації сигналів, зокрема: виключення фазових шумів напівпровідникових елементів кола керування частотою за рахунок заміни варикапів рухомим електродом кварцового резонатора; збільшення діапазону перестроювання частоти ПРП; розширення керування смугою пропускання смугових кварцових фільтрів.

1. Аналіз сучасного стану керованих по частоті п'єзорезонансних пристроїв формування, генерування й фільтрації показав необхідність зменшення рівня фазових шумів, зменшення чутливості до дестабілізуючих факторів, розширення діапазону перестроювання частоти, зменшення основної й додаткової похибки частоти, що може бути досягнутим за рахунок заміни напівпровідникових елементів у колі керування частотою коливальної системи ПРП на основі кварцового резонатора з однобічним масонавантаженням і рухомим керуючим електродом, який реалізує модуляцію міжелектродного зазору.

2. Вперше отримано математичну модель п'єзорезонансного пристрою на основі кварцового резонатора з однобічним масонавантаженням, яка, на відміну від відомих, ураховує одночасний вплив однобічного масонавантаження й міжелектродного зазору на параметри його коливальної системи, що дозволяє зменшити основну похибку частоти.

3. Вдосконалено математичну модель температурної чутливості п'єзорезонансного пристрою, у якій, на відміну від відомих, отримані температурні коефіцієнти частоти з урахуванням одночасного впливу однобічного масонавантаження й міжелектродного зазору на температурно-частотну характеристику пристрою, що дозволяє зменшити додаткову температурну похибку частоти.

4. Одержала подальший розвиток математична модель чутливості п'єзорезонатора до конструктивно-технологічних факторів, у якій, на відміну від відомих, за рахунок більш повного врахування конструктивних особливостей кварцового резонатора з однобічним масонавантаженням і міжелектродним зазором зменшені додаткові похибки частоти.

5. Одержала подальший розвиток математична модель еквівалентної електричної схеми кварцового резонатора, у якій, на відміну від відомих, ураховано одночасну наявність однобічного масонавантаження й міжелектродного зазору, що дозволяє знизити похибки визначення їх параметрів.

6. На основі розробленої математичної моделі отримані аналітичні вирази параметрів ПРП, які можуть бути використані для інженерних розрахунків при проектуванні ПРП на основі кварцового резонатора з однобічним масонавантаженням і міжелектродним зазором з покращеними технічними характеристиками за рахунок зменшення основної й додаткової похибки частоти.

7. Запропоновано методику оптимізації, яка поєднує графічний метод визначення областей припустимих значень параметрів і чисельний метод обчислення значення функції цілі, що дозволило сформулювати критерій оптимальності для термостатованих і нетермостатованих ПРП та провести параметричну оптимізацію ПРП методами нелінійного математичного програмування.

8. Розроблено алгоритми та програмне забезпечення для розв'язку прикладних задач проектування ПРП з покращеними експлуатаційними й метрологічними характеристиками, які дозволяють вести розробку таких пристроїв з урахуванням конструктивних факторів (розміри п'єзоелемента, величина масонавантаження, величина міжелектродного зазору) і зовнішніх (температура), а також моделювати їхню роботу в складі пристроїв формування, модуляції, фільтрації на основі уточнених параметрів еквівалентної електричної схеми кварцового резонатора.

9. Розроблено базові конструкції ПРП на основі кварцового резонатора з однобічним масонавантаженням і модуляцією міжелектродного зазору; розроблено пристрій переміщення рухомого електрода для застосування у кварцових генераторах, модуляторах, активних і пасивних фільтрах, який забезпечує керування їх частотою без застосування варикапів.

10. Розроблено керований кварцовий генератор на основі кварцового резонатору із модуляцією міжелектродного зазору, який забезпечує відносне перестроювання частоти до , що в 3-4 рази перевершує типові значення керованих ПРП на варикапах, а також знизити мінімум на 10 дБн/Гц фазові шуми пристрою при відбудуванні частоти 10 кГц.

11. Розроблено смугові фільтри з керованою смугою пропускання та зменшеним рівнем фазових шумів, які дозволяють отримати смугу пропускання частоти (0,3...8) кГц при частоті настроювання фільтра 10 МГц і забезпечують можливість роботи радіотехнічних пристроїв з різними видами модуляції.

ЛІТЕРАТУРА

1. Савченко В.М. Коефіцієнти чутливості кварцового резонатора з однобічним масонавантаженням і міжелектродним зазором / В.М. Савченко, С.В. Хуторненко, Д.А. Семенець // Системи управління, навігації та зв'язку. - К.: ДП “Центральний науково-дослідний інститут навігації і управління”, 2009. - №2(10). - С.66-70.

2. Савченко В.М. Метод оптимізації параметрів п'єзокварцових резонаторів з міжелектродним зазором і однобічним масонавантаженням / В.М. Савченко, С.В. Хуторненко, Д.А. Семенець // Системи управління, навігації та зв'язку. - К.: ДП “Центральний науково-дослідний інститут навігації і управління”, 2009. - №1(9). - С.63-66.

3. Савченко В.М. Параметри електричної схеми Batterworth - Van Dyke п'єзоелемента з міжелектродним зазором і однобічним масонавантаженням / В.М. Савченко, С.В. Хуторненко // Системи озброєння і військова техніка. - Х.: Харк. ун-т повітр. сил ім. Івана Кожедуба, 2008. - №2(14). - С. 104 - 107.

4. Хуторненко С.В. Математична модель коливань кварцового п'єзоелемента з міжелектродним зазором і однобічним масонавантаженням / С.В. Хуторненко, В.М. Савченко // Системи озброєння і військова техніка. Науковий журнал. - МО України, Х.: Харк. ун-т повітр. сил ім. Івана Кожедуба, 2007.- №2(10). - С. 118 - 120.

5. Хуторненко С.В. Модель колебаний пьезоэлемента с односторонней массонагрузкой / С.В. Хуторненко, В.Н. Савченко // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - Х.: Нац. аерокосм. ун-т ім. М.Є. Жуковського “Харк. авіац. ін-т”, 2005. - №4(12). - С. 112-115.

6. Хуторненко С.В. Держатель пьезоэлектрического резонатора с межэлектродным зазором для физического моделирования / С.В. Хуторненко, В.Н. Савченко, А.В. Пономаренко // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля. - Луганск, 2004. - №12(82). - С. 181-184.

7. Хуторненко С.В. Методика оптимизации угла среза пьезорезонаторов с межэлектродным зазором / С.В. Хуторненко, В.Н. Савченко, В.Д. Сахацкий // Зб. наук. праць інст. проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова. - К.: НАН України, ІПМЕ ім. Г.Є. Пухова, 2003. - Вип. 22. - С. 252-255.

8. Хуторненко С.В. Упрощенная модель пьезоэлектрического резонатора / С.В. Хуторненко, В.Н. Савченко, С.С. Москаленко, С.Н. Трохимчук // Вестник Национального технического университета “ХПИ”. Тематический выпуск: Автоматика и приборостроение. - Х.: НТУ “ХПІ”, 2002. - № 9, т. 7. - С. 171-174.

9. Хуторненко С.В. Застосування постійних жорсткості в моделюванні п'єзокварцевих резонаторів / С.В. Хуторненко, В.М. Савченко // Системи обробки інформації. - Х.: НАНУ, ПАНМ, ХВУ, 2001. - Вип. 5(15) - С. 228-231.

10. Хуторненко С.В. Розрахунки коливань п'єзоелементу на засаді моделі з поліномами Ерміта / С.В. Хуторненко, В.М. Савченко // Системи обробки інформації. - Х.: НАНУ, ПАНМ, ХВУ, 2000. - Вип. 1(7) - С. 175-179.

11. Хуторненко С.В. Побудова функції дискретної змінної у САПР MathCAD / С.В. Хуторненко, В.М. Савченко // Системи обробки інформації. - Х.: НАНУ, ПАНМ, ХВУ, 2000. - Вип. 2(8). - С. 172-175.

12. Хуторненко С.В. Моделювання поводження постійних п'єзоелементу при зміні кута зрізу / С.В. Хуторненко, В.М. Савченко, О.В. Ільченко // Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье. Сб. науч. трудов ХГПУ. Вып. 7. В четырех частях. Ч. 3. - Х.: Харьк. гос. политехн. ун-т, 1999. - С. 245-247.

13. Пат. UA57121 Україна МПК8 H 03 H 9 / 00 П'єзоелектричний резонатор з керуванням частоти / [С.В. Хуторненко, В.М. Савченко, Д.А. Семенець та ін.]. - № u201009357; заявл. 26.07.2010; опубл. 10.02.2011, Бюл. № 3.

14. Рапин В.В. Гармонический удвоитель частоты с фазовой обратной связью в режиме колебаний второго рода // В.В. Рапин, С.В. Хуторненко, В.Н. Савченко // Системи обробки інформації. - X.: Харк. ун. повітр. сил, 2005. - Вип. 5(45) - С. 119-123.

15. Хуторненко С.В. Расчет ТКЧ пьезорезонансного датчика с переменным зазором с учетом ТКЛР держателя / С.В. Хуторненко, В.Н. Савченко, А.В. Пономаренко // Проблеми інформатики і моделювання. Матеріали другої міжнародної науково-технічної конференції. - Х.: НТУ “ХПІ”, 2002. - С. 38.

16. Хуторненко С.В. Моделирование влияния несимметричной массонагрузки на колебания пьезоэлемента / Хуторненко С.В., Савченко В.Н. // Проблеми інформатики і моделювання. Матеріали п'ятої міжнародної науково-технічної конференції. - X.: НТУ “ХПІ”, 2005. - С. 18.

17. Савченко В.Н. Математическая модель проводимости кварцевого пьезоэлемента при односторонней массонагрузке и межэлектродном зазоре / В.Н. Савченко // VIII Міжнародна молодіжна науково - практична конференція „Людина і Космос”: Збірник тез. - Дніпропетровськ: НЦАОМУ, 2006 - С.239

18. Савченко В.Н. Оптимальное число членов ряда разложения волнового числа в частотном решении задачи колебаний пьезокварцевого резонатора с односторонней массонагрузкой / В.Н. Савченко // XXXIX наук.-практ. конф. - Х.: УІПА, 2006.- В 2-х частях, ч.2. - С.23-24.

19. Савченко В.Н. Математическое моделирование параметров кварцевых резонаторов с межэлектродным зазором и несимметричной массонагрузкой / В.Н. Савченко // IX Міжнародна молодіжна науково - практична конференція „Людина і Космос”: Збірник тез - Дніпропетровськ: 2007. - С. 261.

20. Хуторненко С.В. Вимірювання параметрів еквівалентної електричної схеми (EEC) п'єзорезонатора (ПР) генератором Г4-154 / С.В. Хуторненко, В.М. Савченко, Д.А. Семенець, Д.М. Васильчук // Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я: матеріали XVI міжнар. наук.-практ. конф. - Ч. 2. - Х.: НТУ «ХПІ», 2008. - С. 337.

21. Мнушка О.В. Оптимізація параметрів п'єзорезонансних кварцових резонаторів із однобічним масонавантаженням та міжелектродним зазором / О.В.Мнушка, С.В.Хуторненко, В.М. Савченко // XI Міжнародна молодіжна науково - практична конференція „Людина і Космос”: Збірник тез - Дніпропетровськ: 2009. - С. 297.

22. Хуторненко С.В. Двокроковий метод оптимізації параметрів п'єзоелектричних резонаторів з масонавантаженням і міжелектродним зазором / С.В. Хуторненко, В.М. Савченко // Новітні технології - для захисту повітряного транспорту: IV наук. конф. ХУПС ім. І. Кожедуба 16-17 квітня, 2009 р. - Зб. наук. праць Харк. ун-ту повітр. сил. - Х.: ХУПС, 2009. - №1 (19). - С. 172.

23. Савченко В.М. Комбінований метод визначення динамічного опору еквівалентної електричної схеми (ЕЕС) п'єзокварцового резонатора [Текст] / В.М. Савченко, С.В. Хуторненко, О.В. Мнушка // XLII наук.-практ. конф. - Х.: УІПА, 2009.- Ч.6. - С.60.

24. Савченко В.М. Пакет програм для моделювання параметрів кварцових генераторів / В.М. Савченко, С.В. Хуторненко // Проблеми інформатики і моделювання. Матеріали дев'ятої міжнародної науково-технічної конференції. - X.: НТУ “ХПІ”, 2009. - С. 61-62.

Савченко В.М. Застосування СКА Maple у моделюванні кварцових резонаторів / Савченко В.М., Хуторненко С.В., Мнушка О.В. // Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я: матеріали XVIII міжнар. наук.-практ. конф.- Х.: НТУ «ХПІ», 2010. - С. 25.

Размещено на Allbest.ru