ДОСТОИНСТВА КВАРЦЕВЫХ РЕЗОНАТОРОВ С ВОЗБУЖДЕНИЕМ С КОЛЕБАНИЯМИ СДВИГА ПО ТОЛЩИНЕ

В правильно спроектированном КГ самым чувствительным элементом генератора к температурным изменениям является кварцевый резонатор. Температурной стабильности частоты простых КГ, содержащих КР и электрическую схему генератора с выходным буферным усилителем и стабилизатором питания, во многих случаях уже недостаточно, и поэтому применяют прецизионные КГ, у которых приняты специальные меры по её повышению. Наиболее высокую добротность имеют кварцевые резонаторы, возбуждаемые с колебаниями сдвига по толщине.

В термокомпенсированных кварцевых генераторах (ТККГ) и термостатированных кварцевых генераторах (ТСКГ) в общей динамической нестабильности частоты помимо динамической нестабильности частоты резонатора участвует динамическая нестабильность вследствие пространственной разнесённости кварцевого резонатора и датчика температуры и разности их тепловых постоянных времени. Это приводит к появлению динамической разности температур между резонатором и термодатчиком при нестационарных температурных условиях.

Простые КГ имеют температурную стабильность частоты не лучше ±20х10-6 в температурном диапазоне -40°С …+70°С ±8х10-6 в диапазоне -10°С …+60°С (генератор ГК-217УН компании АО “МОРИОН”). Для ТККГ и ТСКГ применяют КР с различными температурно-частотными характеристиками (ТЧХ). Различия достигаются изменением углов среза пьезоэлемента резонатора (ПЭ). Для ТККГ желательно использовать КР с наименьшим размахом (отклонением от постоянной величины) ТЧХ в широком рабочем температурном диапазоне и формой ТЧХ, удобной для аппроксимации и дальнейшего формирования компенсирующего воздействия. Для ТСКГ наиболее подходят КР с ТЧХ, имеющей наименьший температурный коэффициент в области температуры стабилизации. КР термостатируется при температуре, близкой к экстремуму ТЧХ резонатора, где ТКЧ первого порядка равен нулю. Одними из лучших резонаторов для термостатируемых КГ являются резонаторы ТД(SC)-среза, которые имеют малую чувствительность к динамическим температурным градиентам в процессе разогрева. При замене в ТСКГ резонатора АТ-среза резонатором ТД-среза такие параметры КГ как кратковременная нестабильность частоты, уровень фазовых шумов и время выхода на режим улучшаются в 2-3,5 раза.

Ещё одним способом повышения стабильности частоты ТСКГ является применение гармониковых резонаторов: такие резонаторы имеют более высокую долговременную стабильность. У резонаторов ТД-среза с колебаниями сдвига по толщине, благодаря малой величине интегральной силовой чувствительности, существенно ослаблено влияние линейных нагрузок механических и климатических воздействий, ослаблено влияние механических напряжений в электродном покрытии и узлах крепления. Резонатор ТД-среза имеет очень пологую ТЧХ вблизи температуры экстремума (вблизи которой задают температуру стабилизации), коэффициент разложения ТЧХ второго порядка в 2-3 раза меньше, чем у среза АТ; резонаторы имеют на порядок меньшую зависимость частоты от уровня возбуждения по сравнению с резонаторами АТ-среза. Исследование двухповоротных срезов выявило корреляцию между силовым коэффициентом чувствительности (СКЧ), ТДКЧ, временем эксплуатационной готовности резонаторов и существенные преимущества по этим параметрам перед резонатором АТ-среза. Недостатком резонатора ТД-среза является наличие более активной термочувствительной В-моды колебаний, которая легко возбуждается на частоте примерно на 9% …9,5% выше основного опорного колебания (С-мода), и более сложная технология получения данного среза кварца. Для ослабления возбуждения В-моды в схемах генераторов приходится принимать специальные меры. Но данный недостаток, наличие близкой по частоте термочувствительной моды, может играть положительную роль, когда, например, необходимо точно определить температуру резонатора. Применению двухмодовых генераторов на резонаторах ТД-среза в прецизионных ТККГ с цифровой термокомпенсацией посвящено много работ.