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CN1261994A - 恒温控制石英晶体振荡器 - Google Patents

恒温控制石英晶体振荡器 Download PDF

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CN1261994A
CN1261994A CN98806936.9A CN98806936A CN1261994A CN 1261994 A CN1261994 A CN 1261994A CN 98806936 A CN98806936 A CN 98806936A CN 1261994 A CN1261994 A CN 1261994A
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谢尔盖·弗拉季米洛维奇·安纳斯塔斯耶夫
亚历山大·安纳托雷耶维奇·伏尔科夫
雅可夫·里昂尼达维奇·伏罗克诺夫斯基
安纳托里·伊万诺维奇·杜赛切克
爱杜亚特·里昂托耶维奇·基塔宁
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Abstract

一种石英晶体振荡器,其包含外壳体(1)、电路板(2)用内壳体(6),在内壳体底部设有位于其自身壳体(9)内的谐振器,内壳体(6)用高导热性材料制成敞开的盒状,其盒底紧贴在电路板(2)中心部分的一个侧面上,在电路板(2)的中心部分(3)上装有振荡器的全部恒温控制元件,其中所述中心部分被穿通板厚的槽缝(4)和周边部分隔开,并且和糟缝(4)末端之间的狭窄边距(5)连接,加热元件(10)和主温度传感器(11)均被安装在内壳体(6)的侧壁上,内壳体(6)上还装有高导热杆(8),该杆(8)在靠近每个边距(5)的电路板(2)的中心部分上穿过,盒(6)敞开的一侧用铜制薄盖(12)盖住,其相对于石英晶体振荡器的壳体(9)留有隔热间隙,在伸出到电路板(2)背面上方的导热杆(8)端部固定一铜盖(13),同样相对于装在电路板该侧面上的恒温控制元件留有隔热间隙。温度调节器按电桥电路制作,并配有附加热敏臂,该臂带有装在电路板(2)周边部分上的附加温度传感器。

Description

恒温控制石英晶体振荡器
本发明属于无线电技术领域，特别是带压电石英晶体谐振器的频率振荡器。
众所周知，存在着各种不同型式的恒温控制石英晶体振荡器(例如1990.02.27的美国第4 985 687号专利，国际专利分类H 03 B 1/02，5/04，5/32和1990.03.27的法国第2 660 499号专利，国际专利分类H 03 B 5/32，5/04)。为了获得达到±1×10-8的温度稳度性，在已知的频率振荡器内一般使用单级恒温电路，该电路可使振荡器的结构最简单、最经济和尺寸最小。但是，为了获得超过±1×10-9的温度稳定性，就得使用保证恒温控制精度极高的双级恒温控制电路，然而这种电路要求比较复杂而且结构体积较大(实例可见英格别尔门、弗罗姆别尔格、格拉保依(Ингберман М.И.，Фромберг Э.М.，Грабой Л.П.，)著的“通信技术中的恒温控制”，邮电部出版社(М.，Связь，)，1979年，17页以及高德可夫.格罗莫夫.尼基钦(Годков В.Д.，Громов С.С.，Никитин Н.В，)著的“无线电设备的恒温控制方法综述”，国家公用统计部出版社(М.，Гос·комстатиздат)，1979年46页。
此外，已知按单级恒温控制电路构造的石英晶体振荡器，它包含一印刷电路板，其上装有振荡器电路元件并被置于一外部密封壳体内。同时包括其内部装有石英晶体谐振器的恒温器、加热元件、温度传感器以及带热敏电桥的温度调节器在内的全部恒温控制电路元件，并被集中在印刷电路板的中心部分，该部分通过穿通板厚的槽缝和电路板的其他部分隔开，同时通过边距和电路板的其他部分连接(见1995.03.06的专利文摘第2081506号，国际专利分类H 03 B 5/32，5/36)。
虽然这种振荡器具有诸如简单、尺寸小和经济的明显优点，但是它不能获得±1×10-9数量级的温度稳定性，其原因在于温度场均匀性不足和保持恒温控制温度的精度不足。
本发明试图解决的主要任务是制造一种恒温控制石英晶体振荡器，它既能保证频率温度稳定性高，又不需要采用双级恒温控制电路。
再具体的任务在于消除对石英晶体谐振器上温度场均匀的要求和对高精度恒温控制的要求两者之间技术上的矛盾。因为前者要求将谐振器从热流区中移出，即增加石英晶体谐振器和加热器之间的距离，然而为了保证后者，又必须将温度传感器和加热器尽可能地靠近谐振器安装。除此以外，还有一个提高温度调节精度的任务。
实施上述任务基本上是综合利用本发明权利要求书中独立权利要求列举的主要特征。
按照实施本发明的方案之一，石英晶体谐振器上温度场所需的均匀性如同专利文摘第2081506号中得知的振荡器所达到的那样。在这种振荡器中的电路板被穿通板厚的槽缝分成中心部分和周边部分。这些部分之间又用槽缝末端上的狭窄边距相连接。同时，在中心部分上装有振荡器的全部恒温控制元件，其中包括装有自身壳体内的石英晶体谐振器和带加热元件的温度调节器。电路板安装在外部密封壳体内。与此同时，按本发明被包含在自身壳体的所述石英晶体谐振器安装在内壳体的底部上。该内壳体用高导热材料制成敞开的盒状，并且用穿过所述电路板靠近所述每个边距的中心部分的高导热杆固定在电路板上。此时，壳体的底部最好用一层高导热性的胶紧贴在电路板上。加热元件和温度传感器安装在所述壳体的外侧壁上。
盒敞开的一侧最好用一由高导热性材料制的薄盖盖住，该盖相对于石英晶体谐振器的壳体留有一隔热间隙。此外，按本发明的优选实施例，在伸出到电路板背面上方的所述导热杆端部，固定一用高导热性材料制的盖，它相对于装在电路板中心部分该表面上的电路元件也有一隔热间隙。
由于上述新的特征，从恒温控制元件表面上任一任选点以任何可能方向散发到周围介质的热流途径上，都存在一个点被隔热间隙所选定的巨大阻热性所隔离，从而使其温度和所选点相差甚微。这样一来，位于电路板中心部分上的石英晶体谐振器和电路恒温控制元件均摆脱了热流，位于均匀温度场区域内，这是获致高温度稳定性的最重要条件之一。本发明的这一方案保证使直接来自恒温控制元件表面上的热损失最小，因而保证这些元件，首先是谐振器的内部温度落差最小。
按本发明的另一方案，为了保证恒温控制调节的高精度，在建议采用的恒温控制石英晶体振荡器的结构中，其电路板如专利文摘第2081506号中振荡器那样被穿通板厚槽缝分成中心部分和周边部分。这些部分之间用槽缝末端上的狭窄边距相连接。同时，在中心部分上安装振荡器的全部恒温控制元件，其中包括装在自身壳体内的石英晶体谐振器和带加热元件及热敏电桥的温度调节器，该电桥有支承臂和带有主温度传感器的主热敏臂。电路板安装在外部密封壳体中。按本发明所述热敏屯桥装有带附加温度传感器的附加热敏臂，该臂通过连接电阻和带有所述主温度传感器的所述主热敏臂相连接。同时所述附加温度传感器位于振荡器的任何点上，在正常的外界条件下，其温度至少低于石英晶体谐振器的温度0.5℃。
在结构中加入附加温度传感器可以将温度调节器的结构性统计误差降低到最小，该误差是由于加热器和电路恒温控制元件相对距离较远造成的。同时，上述石英晶体谐振器和附加传感器的温度差保证了有效调整温度调节器的可能性。
在本发明的优选实施例中，上述全部任务在本发明权利要求9所述的恒温控制石英晶体振荡器的结构中最充分地得到了实施。权利要求9中包括了上述两个方案的全部特征。
本发明用附图加以说明，其中：
图1为石英晶体振荡器横断面的简化总图；
图2为印刷电路板的俯视图；
图3为热敏电桥的电路图；
如图1所示，本发明优选实施例的石英晶体振荡器包括一外部密封壳体1，其内固定地装有振荡器电路元件的印刷电路板2。电路板2的中心部分3被穿通槽缝4和周边部分隔开，同时用狭窄的边距5(图2)和电路板的该周边部分连接。在电路板的中心部分3上，集中了振荡器电路的所有恒温控制元件16。在外壳体1中装有一用高导热性材料如铜或铝合金制的敞开盒状内壳体6，内壳体6的底部外侧紧贴在电路板2的中心部分3的下表面上。为了改善内壳体6和电路板2之间的热接触，最好在它们的中间加一层高导热性胶7。内壳体6上装有用高导热性材料如铜制的杆8，通过它们将壳体6固定在电路板2上。杆8沿着靠近边距5(见图2)的中心部分3的边缘穿过电路板2，其端头从电路板2的中心部分3的背面伸出。位于自身壳体9内的石英晶体谐振器固定在内壳体6底部的内侧，而在内壳体6的侧壁上则装有例如具有晶体管的加热元件10和第一主温度传感器11。
内壳体6的敞开一侧最好用一厚度不超过0.5毫米，且用高导热性材料(最好为铜)制的薄盖12盖上，并用例如固定加热元件10的螺钉固定。在谐振器壳体9和盖12之间留有隔热间隙。
在电路板2的中心部分3的背面配置振荡器电路的恒温控制元件16。在伸出到电路板2背面上方的杆8端部，最好装上用高导热性材料如铜制的薄盖13。在盖13和振荡器电路元件16之间留有隔热间隙。
用隔热材料14填充外壳体1和内壳体6的内部自由空间。
在图1和3所示本发明的优选实施例中，温度调节器按电桥电路构成。温度调节器的热敏电桥包括：
—带R6和R7电阻的恒定臂；
—带第一主温度传感器11和选配电阻R4 *的主热敏臂，该传感器制成热敏电阻形式，图3上用R5表示；和
—带附加温度传感器15和选配电阻R1 *的附加热敏臂。该传感器也制成热敏电阻形式，图3上用R2表示。附加热敏臂通过选配连接电阻R3 *和主热敏臂连接。
附加温度传感器15装在电路板2的周边部分上。由于电路板2上有槽缝4，故保证了电路板2的中心部分3和其周边部分之间的隔热，这样就保证温度落差超过0.5℃。
按本发明的恒温控制振荡器按下述方式工作。从晶体管—加热器10发出的主要热流以下述方式通过：加热器10—壳体6的侧壁—杆8—边距5—电路板的周边部分—外壳体1—周围介质。由于结构具有一定的对称性，故杆8的温度是相同的，因而只有沿下述途径之一通过的该部分热流才流经壳体6的底部：壳体6的底部—电路板2的中心部分3—隔热材料14—外壳体1—周围介质。或者沿：壳体6的底部—石英晶体谐振器的壳体9—隔热材料14—外壳体1—周围介质。由于两种情况下的热流途径上均存在隔热材料14，故这些热流是极微小的。盖12和13使热流进一步减小。
对带这种热敏电桥的温度调节器工作所作的数学分析表明，当电桥调节正确时，即使在温度调节器的统计误差及其结构统计误差(石英晶体谐振器和加热器之间的温差)达到0.5℃数量级的情况下，恒温控制精度也可达到0.01～0.05℃。
在使用HC-37壳体中SC(可控硅)切片的石英晶体谐振器(以色列NEL公司产品)情况下，将按本发明优选实施例制的石英晶体振荡器样品进行试验，获得的结果如下：
温度稳定性     ±4×10-10
恒温控制精度(按B模式频率)     +0.02℃
在-20℃～+70℃温度范围内     -0.01℃
需用功率(在25℃时)     1.5瓦
外廓尺寸     51×41×19毫米
这样一来，由于上述突出的特点，等于或大于±1×10-9数量级的频率温度稳定性可以在不采用双级恒温控制电路条件下得到保证。
必须指出，虽然以上仅对本发明一个优选实施例加以详细说明。但要保护的内容只取决于下面本发明各项权利要求所述的，并且还包括很多发明变型，其变更可能性对于相应领域中的技术人员来说是很明显的。例如按照互换方案之一，本发明的恒温控制振荡器可以只用一个包括在热敏电桥主热敏臂中的主温度传感器来实现；又如当对稳定性的精度要求适中时，可以不用高导热性盖12和13制成振荡器；又如胶层7可以用其他具有高导热性的适当材料来替代等等。

Claims (9)

1.一种恒温控制石英晶体振荡器，它包含一外壳体(1)，在该壳体中装有电路板(2)，该电路板有：
中心部分(3)，其上装有振荡器的全部恒温控制元件，其中包括装在壳体(9)内的石英晶体谐振器和带有加热元件(10)及温度传感器(11)的温度调节器；
周边部分，该部分通过穿通板厚槽缝(4)和电路板(2)的中心部分(3)分开，同时又通过槽缝(4)末端之间的边距(5)和中心部分连接，其特征在于，
—壳体(9)内的石英晶体谐振器安装在内壳体(6)的底部，该内壳体用具有高导热性材料制成敞开的盒状，并且以其底部的背面紧贴在电路板(2)的一个侧面上，同时它备有高导热性杆(8)，该杆在靠近每个所述边距(5)的所述电路板(2)的中心部分上穿过；
—加热元件(10)和主温度传感器(11)安装在所述内壳体(6)的外侧壁上。
2.按权利要求1所述的恒温控制石英晶体振荡器，其特征在于，盒(6)敞开的一侧用一高导热性材料制的薄盖(12)盖住，其相对于石英晶体谐振器的壳体(9)留有隔热间隙。
3.按权利要求1所述的恒温控制石英晶体振荡器，其特征在于，其他的恒温控制元件(16)安装在电路板(2)的背面上，并且在伸出到电路板(2)背面上方的所述导热杆(8)的端部固定一用高导热性材料制的盖(13)，其相对于装在电路板该表面上的恒温控制元件留有隔热间隙。
4.按前述任一项权利要求所述的恒温控制石英晶体振荡器，其特征在于，在内壳体(6)的底部和电路板(2)之间有一高导热性胶。
5.按前述任一项权利要求所述的恒温控制石英晶体振荡器，其特征在于，温度调节器制成热敏电桥的形式，该电桥带支承臂和主热敏臂，其内包含所述温度传感器(11)，电桥还带附加热敏臂，其上带附加温度传感器(15)，该附加热敏臂通过连接电阻和带所述主温度传感器(15)的所述主热敏臂相连接，同时所述附加温度传感器(15)位于振荡器的任意点上在正常的外部条件下，其温度比石英晶体谐振器的温度至少低0.5℃。
6.一种恒温控制石英晶体振荡器，它包括一外壳体(1)，其中装有电路板(2)，该电路板有：
中心部分(3)，其上装有振荡器的全部恒温控制元件，其中包括壳体(9)内的石英晶体谐振器和带加热元件(10)及热敏电桥的温度调节器，该热敏电桥带有支承臂和带主温度传感器(11)的主热敏臂；
周边部分，该部分通过穿通槽缝(4)和电路板(2)的中心部分(3)分开，同时又通过槽缝(4)末端之间的边距(5)和中心部分连接，其特征在于，
所述热敏电桥备有带附加温度传感器(15)的附加热敏臂，该热敏臂通过连接电阻和带所述主温度传感器(11)的所述主热敏臂相连接，同时所述附加温度传感器(15)位于振荡器的任意点上在正常的外部条件下，其温度比石英晶体谐振器的温度至少低0.5℃。
7.按权利要求6所述的恒温控制石英晶体振荡器，其特征在于，
—壳体(9)内的石英晶体谐振器安装在内壳体(6)的底部，该内壳体用高导热性材料制成敞开的盒状，并且以其底部的背面紧贴在电路板(2)的一个侧面上，同时它装有高导热性杆(8)，该杆在靠近每个所述边距(5)的所述电路板(2)的中心部分上穿过；
—加热元件(10)和主温度传感器(11，R5)安装在所述内壳体的外侧壁上；
—其余恒温控制元件(16)安装在电路板(2)的背面上。
8.按权利要求7所述的恒温控制石英晶体振荡器，其特征在于，
—盒(6)的敞开一侧用一高导热性材料制的薄盖(12)盖住，其相对于石英晶体谐振器的壳体(9)留有隔热间隙，
—在伸出到电路板(2)背面上方的所述导热杆(8)的端部固定一用高导热性材料制的盖(13)，其相对于装在电路板该表面上的恒温控制元件留有隔热间隙。
9.一种恒温控制石英晶体振荡器，它包括一外壳体(1)，其中装有电路板(2)，该电路板有：
中心部分(3)，其上装有振荡器的全部恒温控制元件，其中包括壳体(9)内的石英晶体谐振器和带加热元件(10)及热敏电桥的温度调节器，该热敏电桥带有支承臂和带主温度传感器(11)的主热敏臂；和
周边部分，该部分通过穿通槽缝(4)和电路板(2)的中心部分(3)分开，同时又通过槽缝(4)末端之间的边距(5)和中心部分连接，其特征在于，
—壳体(9)内的石英晶体谐振器安装在内壳体(6)的底部上，该内壳体用具有高导热性材料制成敞开的盒状，并且以其底部的背面紧贴在电路板(2)的一个侧面上；
—内壳体(6)装有高导热性杆(8)，该杆在靠近每个所述边距(5)的所述电路板(2)的中心部分上穿过；
—加热元件(10)和主温度传感器(11)安装在所述内壳体(6)的外侧壁上；
—其余恒温元件(16)安装在电路板(2)的背面上；
—盒(6)的敞开一侧用一高导热性材料制的薄盖(12)盖住，其相对于石英晶体谐振器的壳体(9)留有隔热间隙；
—在伸出到电路板(2)背面上方的所述导热杆(8)的端部固定一用高导热性材料制的盖(13)，其相对于装在电路板该表面上的恒温控制元件留有隔热间隙；
—热敏电桥备有带附加温度传感器(15)的附加热敏臂，该热敏臂通过连接电阻和带所述主温度传感器(11)的所述主热敏臂相连接，同时所述附加温度传感器(15)位于振荡器的任意点上，在正常的外部条件下其温度比石英晶体谐振器的温度至少低0.5℃。
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