4.4. Температурная стабилизация частоты

Подбором материалов пьезоэлектрических подложек и времени задержки можно обеспечить термокомленсацию уходов частоты в автогенераторе на ЛЗ ЛАВ. Для этого в цепь обратной связи автогенератора включается ЛЗ ПАВ, составленная из двух отдельных линий задержки (рис. 4.13) [19]. Эти отдельные ЛЗ изготовляются на подложках из пьезоэлектриков с различными знаками коэффициентов изменения времени задержки от температуры. Термокомленсация достигается при выполнении равенства α₁T₁ = -α₂T₂, где α₁ и α₂ - температурные коэффициенты задержки (ТКЗ) "в первой и во второй линиях соответственно, Т₁ и Т₂ - времена задержки в этих линиях.

Рис. 4.13. Термокомпенсация в автогенераторе с составной ЛЗ ПАВ

На аналогичном принципе построена термокомпенсированная автоколебательная система, состоящая из двух генераторов и смесителя (рис. 4.14) [20]. Генераторы работают на разных частотах и используют ЛЗ ПАВ, которые могут иметь температурные коэффициенты либо одного, либо разных знаков. При температуре t₀ частота генераторов равна соответственно f₀₁, f₀₂, частота результирующего колебания f₀₁ ± f₀₂ (суммарная или разностная). При уходе температуры от значения t₀ на Δt частоты генераторов изменяются и станут равными f₀₁(1 + α₁Δt) - первого генератора и f₀₂(1 + α₂Δt) - второго (α₁ и α₂ - ТКЗ первой и второй линий задержки соответственно). На выходе смесителя получим f = f₀₁ ± f₀₂ + (f₀₂ ± f₀₂α₂)Δt. Видно, что для термокомпенсации необходимо α₁f₀₁ = ^-₊α₂f₀₂.

Рис. 4.14. Автоколебательная система с термокомпенсацией

Идея термокомпенсации частотных уходов может быть удачно решена в генераторах, использующих ЛЗ с отражательными избирательными решетками [120-123]. Варианты расположения отражательных решеток в подобного рода линиях задержки показаны на рис. 4.15, а-в. Преобразователи ЛЗ (как и в узкополосных двухвходовых резонаторах) являются широкополосными, а избирательность по частоте всей линии задержки в целом определяют узкополосные отражательные решетки.

Рис. 4.15. Варианты расположения отражательных решеток в ЛЗ ПАВ

Решетки выполняются методом ионного травления. Центральная частота ЛЗ ПАВ зависит от периода отражательной решетки, а полоса пропускания от ее размера. Эффективность отражения решеток, а значит и уровень вносимых потерь, определяется площадью решетки В×С. Необходимо отметить, что у подобного рода линий задержки уровень вносимых потерь соизмерим и даже превышает уровень вносимых потерь обычных ЛЗ ПАВ. К достоинствам их следует отнести возможность обеспечения простой термокомпенсации. Для этого отражательные решетки располагаются таким образом, что распространение ПАВ происходит в направлениях, соответствующих разным знакам температурного коэффициента времени задержки. Длины путей акустических волн по каждому из направлений подбираются такими, чтобы обеспечить суммарный нулевой температурный коэффициент частоты. Эксперименты показывают, что наиболее узкая полоса пропускания реализуется в устройстве на рис. 4.15, в.

С точки зрения температурной стабилизации большой интерес представляет применение в автогенераторах на устройствах на ПАВ линий задержки, выполненных из композиционных материалов [6]. Температурная стабильность достигается здесь путем компенсации температурных свойств материала пьезоэлектрической подложки. Например, при напылении на подложку из танталата лития LiТаО₃ пленки из двуокиси кремния SiO₂ положительный ТКЗ подложки компенсируется отрицательным ТКЗ напыленной пленки. Проведенные экспериментальные исследования показывают, что автогенератор на ЛЗ ПАВ, которая выполнена из такого материала, имеет лучшие температурные характеристики, чем автогенератор с ЛЗ ПАВ на ST-срезе кварца или даже генератор с кварцевым резонатором АТ-среза на объемных акустических волнах. Другим достоинством композиционного материала SiO₂/LiТаО₃ является то, что он имеет на порядок больший коэффициент электромеханической связи k²_m = 0,14. Для сравнения укажем, что у кварца ST-среза он равен 0,016. К наиболее существенным недостаткам композиционных материалов следует отнести то, что толщина пленки должна контролироваться с точностью до 0,1% и скорость распространения ПАВ на подложке из композиционного материала изменяется от образцу к образцу до 0,2% [6].

На практике первый указанный недостаток приводит к тому, что напыление пленки требуемой толщины производится в несколько этапов: нанесение пленки - определение температурной стабильности в действующем генераторе - нанесение или удаление части пленки и т. д. Отмечается, что обычно требуется не более двух итераций. Нестабильность от образца к образцу скорости распространения поверхностных акустических волн определяет низкую воспроизводимость частоты генератора. Предполагается, что одной из причин этого является неточное выдерживание заданной толщины напыляемой пленки.

Термостабилизация в автогенераторе с устройством на ПАВ может быть обеспечена также введением обратной связи, изменяющей частоту автогенератора таким образом, чтобы температурный уход частоты компенсировался. Такая схема автогенератора приведена на рис. 4.16 [21]. Обратная связь здесь действует следующим образом. При увеличении температуры напряжение между базой и эмиттером транзистора Т уменьшается. При правильном выборе параметров схемы это изменение напряжения усиливается транзистором (примерно в R₁/R₂ раз) и подается на варикапы Д₁ и Д₂. Варикапы изменяют частоту согласующего контура таким образом, что температурные уходы частоты компенсируются. Экспериментальное исследование такого автогенератора с устройством на ПАВ на частоте 150 МГц в диапазоне температур -40 ÷ +70°С показало, что стабильность его частоты составляет ±4⋅10^-6. Температурная нестабильность собственно автогенератора без цепей термокомшенсации в этом диапазоне составила 110⋅10^-6.

Рис. 4.16. Схема автогенератора с температурной компенсацией

Для повышения температурной стабильности частоты генераторов с устройствами на ПАВ можно применять всевозможные системы автоматической подстройки фазы или частоты. На рис. 4.17 изображена схема одного из таких автогенераторов [125-127]. Фазовый детектор ФД измеряет разность фаз сигналов на входе и выходе ЛЗ ПАВ. Выходным усиленным сигналам ФД производится подстройка фазового набега в цепи усилителя автогенератора. Это осуществляется устройством модуляции фазы МФ.

Рис. 4.17. Схема ПАВ генератора с фазовой стабилизацией частоты

Для поднятия чувствительности измерения фазовым детектором вариаций фазы в автогенераторах из ПАВ могут применяться более сложные схемы. Например, в схеме автогенератора на рис. 4.18 [127] ФД подключен к существенно разнесенным преобразователям П₁ и П₃. Большое расстояние между ними приводит к тому, что вариации разности фаз сигналов на преобразователях П₁ и П₃ оказываются существенно большими, чем соответствующие вариации фазы сигнала на преобразователях П₁ и П₂ собственно автогенератора, так как преобразователи П₁, П₂ близко расположены друг к другу. Однако увеличивать расстояние между П₁ и П₃ нельзя сколь угодно много. Это объясняется ограниченностью размеров пьезопластин, а также тем, что чрезмерно большое расстояние между П₁ и П₃ может привести к нарушениям работы системы при частотной модуляции.

Рис. 4.18. Схема ПАВ генератора с автоматической подстройкой частоты

На рис. 4.19 приведена еще одна из возможных схем стабилизации автогенератора на ПАВ [125, 126]. Модуляция фазы сигнала автогенератора осуществляется за счет наличия двух сдвинутых на λ/4 относительно друг друга преобразователей П₂ и П₃, а также регулируемого делителя на PIN-диодах Д₁, Д₂, напряжения на которые подаются противофазно. Преобразователи П₁ и П₄, П₅, диоды Д₃ и Д₄ вместе с дифференциальным усилителем образуют частотный дискриминатор. Собственно автогенератор образуют ЛЗ с преобразователями П₁, П₂, П₃ и цепь обратной связи с усилителем В. Центральные частоты преобразователей П₄, П₅ симметрично разнесены относительно рабочей частоты автогенератора.

Рис. 4.19. Схема ПАВ генератора с частотной стабилизацией

На рис. 4.20, а приведены зависимости уходов частоты подобного генератора от температуры с включенной и отключенной системой частотной стабилизации. Необходимо отметить, что подобная система отслеживает изменение частоты, определяемое не только изменениями температуры, но и другими факторами, такими, например, как изменение питающих напряжений Е (рис. 4.20, б).

Рис. 4.20. Зависимости ухода частоты в ПАВ генераторе на рис. 4.19 при изменении температуры и питающего напряжения: ----- с отключенной; - - - - - с включенной системой частотной стабилизации

Рис. 4.20. Зависимости ухода частоты в ПАВ генераторе на рис. 4.19 при изменении температуры и питающего напряжения: ----- с отключенной; - - - - - с включенной системой частотной стабилизации

Отметим, что большинство рассмотренных выше примеров термокомпенсации и стабилизации частоты автогенераторов на ЛЗ ПАВ применимо и для автогенераторов на двухвходовых резонаторах ПАВ.

Для целей термокомпенсащии автогенераторов на ПАВ могут быть применены и такие традиционные методы, как термостатирование, синхронизация внешним высокостабильным сигналом, автоподстройка по эталонному сигналу.