极端环境下恒温晶体振荡器的传热过程仿真.pdf
《极端环境下恒温晶体振荡器的传热过程仿真.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《极端环境下恒温晶体振荡器的传热过程仿真.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、2024年2 月第44卷第1期文章编号:10 0 0-7 2 0 2(2 0 2 4)0 1-0 0 7 6-0 7宇航计测技术Journal of Astronautic Metrology and MeasurementFeb.2024Vol.44No.1D0I:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.01.13极端环境下恒温晶体振荡器的传热过程仿真李纪康,彭慧丽?,于德江,郑振荣1,*(1.天津工业大学纺织科学与工程学院,天津3 0 0 3 8 7;2.北京无线电计量测试研究所,北京10 0 0 3 9)摘要:晶体是恒温晶体振荡器的核心部件,需要保持温度恒定不变,外
2、部环境温度的巨大变化必将影响晶振输出频率信号的稳定性。根据恒温晶体振荡器的工作状态和机制,建立其在稳态下传热过程的数学模型,探究晶体在高低温环境下的热稳定性,重点分析不同环境温度下功率管输出功率对晶体温度的影响,并利用恒温晶体振荡器实际运行过程中的数据进行验证。结果表明通过仿真得到的数据与实测数据基本一致,当环境温度分别为-40、25和7 0 时,要使稳定后的晶体温度恒定为8 5,相应功率管稳定后的输出功率应为3.9 5W、1.42 W 和0.74W。通过调节功率管的输出功率来使晶体在极端环境下达到预设温度并保持恒定,进而使晶振有较高的频率稳定度和较低的相位噪声水平,保证高精度的时钟信号输出。
3、关键词:恒温晶体振荡器;传热性能;仿真分析;高低温环境中图分类号:TN752.2文献标识码:ASimulation of Heat Transfer Process in an OCXO underExtreme EnvironmentLI Jikang,PENG Huili?,YU Dejiang”,ZHENG Zhenrong1*(1.School of Textile Science and Engineering,Tiangong University,Tianjin 300387,China;2.Beijing Institute of Radio Metrology and Mea
4、surement,Beijing 100039,China)Abstract:The crystal is the core component of the oven-controlled crystal oscillator,which needs to keep thetemperature constant,and the great change of the external ambient temperature will surely affect the stability of the outputfrequency signal of the crystal.Accord
5、ing to the working state and mechanism of the OCXO,a mathematical model of the heattransfer process in the steady state is established,the thermal stability of the crystal in high and low temperatures isinvestigated,and the influence of the output power of the power tubes on the temperature at the c
6、rystal in different ambienttemperatures is emphasized,and the data during the actual operation of the OCXO are used for verification.The results showthat the data obtained through simulation are basically consistent with the measured data;when the ambient temperatures are-40 ,2 5 a n d 7 0 ,r e s p
7、e c t i v e l y,t h e t e mp e r a t u r e a t t h e s t a b i l i z e d c r y s t a l i s 8 5 ,a n d t h e c o r r e s p o n d i n g o u t p u t p o w e rafter stabilization of the power tubes is 3.95 W,1.42 W and 0.74 W.The output power of the power tubes is adjusted tomake the temperature at the
8、crystal constant.By adjusting the output power of the power tubes,the crystals can reach thepreset temperature and keep it constant under extreme environments,so that the crystals can have high frequency stabilityand low phase noise level,and ensure the output of high-precision clock signals.收稿日期:2
9、0 2 3-0 9-19;修回日期:2 0 2 4-0 2-18作者简介:李纪康(19 9 9-),男,在读硕士研究生,主要研究方向:热防护材料的性能与制备技术。通讯作者:郑振荣(19 8 2-),女,教授,博士,主要研究方向:热防护材料的性能与制备技术。第1期Keywords:Oven-controlled crystal oscillator;Heat transfer property;Simulation and analysis;High and lowtemperature environment极端环境下恒温晶体振荡器的传热过程仿真77.0 引 言恒温晶体振荡器(Oven-Con
10、trolled Crystal Oscil-lator,OCXO)凭借其高精度和高稳定度,被广泛应用于各类振荡电路中,在通信系统中作为频率发生器,为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号1-4。由于工作需要,恒温晶体振荡器需在不同环境温度的场景中工作,温度范围一般在-4070,此范围因晶振的型号和应用而异5,6 ,而工作温度的改变会引起晶振内部的温度变化,从而影响其性能和稳定性,如频率稳定性7,8 、相位噪声9,10 和功耗1 等。通过传热仿真可以模拟晶体振荡器在工作过程中的温度分布等参数,进而评估其热性能,找到可能存在的热问题并进行优化设计,使其具有更好的热性能和更高的稳定性。近年
11、来,国内外对于晶体振荡器的仿真研究主要集中在其振荡频率,相位噪声和频率稳定度等12-14 方面,而对于晶振内部传热方面的研究相对较少。例如,Hilleriche等15 利用有限元方法研究控制电路中热敏电阻的最佳放置位置,并计算加热装置加热功率不同时所需要的预热时间,为小型OCXO的设计提供指导。陈萍萍针对TO-8 结构的晶体,通过选择不同封装的加热管和改变恒温槽位置从而设计出3 种不同结构,结果表明晶体及恒温槽在PCB板中心时其频率温度稳定度110-9 16 Huang等模拟计算了环境温度为2 0 时晶体加热到工作温度所需的时间以及晶振内部环境为真空、氮气和氨气时的温度分布17 。彭慧丽等研制
12、了一种高频高稳恒温晶体振荡器18 ,在恒温结构和电路设计完成后,对该恒温晶体振荡器进行热学仿真,得到内部区域的热分布示意图,结果表明热分布均匀,设计较为合理。随着飞行器技术的发展,晶体振荡器在飞行器中的应用越来越多,飞行器在高空飞行时往往经历外界高低温的巨变,严重影响到晶体振荡器的稳定性。从传热学基本理论出发,通过建立恒温晶体振荡器在不同环境温度下的稳态传热模型,对其热传递过程进行数值模拟,分析功率管不同输出功率对晶体以及其他零件处温度的影响,考察不同环境温度下功率管稳定输出功率对晶体处稳态温度的影响规律,并与实际运行过程中的数据进行对比验证,探明恒温晶体振荡器的恒温机制,对恒温结构的设计有重
13、要指导意义。1恒温晶体振荡器传热模型的构建1.1几何模型的建立首先利用三维建模软件建立某恒温晶体振荡器的几何模型,外形尺寸为50 mm50mm20mm。恒温晶振内部的简化结构如图1所示,晶振内部安装印制板,四角用螺钉固定,印制板上分布着电阻、电容等元器件;印制板中间有一片区域接地,模型中用厚度为0.0 5mm的铜板模拟接地层,这片区域四周开了隔离槽,以减小中心区域热量的耗散;中心区域中通过螺钉固定了一个恒温槽,其上放置功率管,内部放置晶体;功率管负责输出加热功率,恒温槽可以将热量从功率管传递到晶体上,并保持晶体处的温度恒定为8 5。外部环境晶振外壳.热敏电阻印制板图1恒温晶振的结构示意图Fig
14、.1 Structure diagram of the OCXO1.2模型假设为了便于对恒温晶振传热过程的研究,对模型做出假设:1)假设模型中螺钉和螺孔对传热过程无影响;2)假设晶振内部无空气自然对流。1.3控制方程当环境温度固定在Tamb,热源输出功率稳定在功率管晶体恒温槽.78P时,晶振内部达到热平衡状态,得出功率管、恒温槽和晶体传热过程的能量守恒方程1.3.1有内热源的功率管的能量守恒方程对于功率管而言,其内部热量的变化可以表示为自身产生的热量减去通过热传导和热辐射损失的热量,能量守恒方程如式(1)所示。TQPicbat式中Pb-功率管密度,kg/m;cb容,J/(kgK);T温度,;t
15、-恒温槽热导率,W/mK);8b-玻尔兹曼常数,J/K;T。1.3.2恒温槽的能量守恒方程对于恒温槽而言,其内部热量的变化可以表示为功率管传导和辐射的热量与减去通过热传导和热辐射损失的热量,能量守恒方程如式(2)所示TPahCchatkehax)+8(T4-T4)Tk)-8=(T4-T4.)(2)式中:P一-恒温槽密度,kg/m;Cch热容,J/(kgK);ker晶体热导率,W/(mK);8ch恒温槽发射率。1.3.3晶体的能量守恒方程对于晶体而言,其内部热量的变化可以表示为通过恒温槽传导和辐射的热量减去通过热辐射损失的热量,能量守恒方程如式(3 所示aT_(TPeacCerat+8ao(T4
16、-T*)k-8a0(T4-T4h)式中:P晶体密度,kg/m;car一J/(kg K);Tch-恒温槽温度,;8 cr射率。当稳态温升Tss已知时,瞬态条件下加热期间出现的温升T可由式(4)计算得出AT=T s s(1-e /t r)式中:Tss达到稳态条件所需要的温升,;T一加热时间,s;T,加热时间常数,s。1.3.4整个晶振的能量守恒方程对于整个晶体振荡器而言,将其视为一个整体,热量的变化可以表示为内热源产生的热量减去热辐射和与外部之间热对流散失的热量,能量守恒方程如式(5)所示宇航计测技术PAICAat=Q。-8 A l o(T 4-T u)-h(T-T o u)(5)式中:PAI一铝
17、壳的密度,kg/m;cAl容,J/(kg K);8Al铝壳的表面发射率;h一一对流换热系数,W/(m k);Tout外界环境温度,。1.4网格划分T对物理模型进行自定义网格划分,最大单元大小-8u0(T4-T4)(1)为4mm,最小单元格大小为0.0 5mm,曲率因子为-功率管比热0.5,共划分40 0 多万个网格。网格划分如图2 所示。t时间,s;ka功率管发射率;晶振内部温度,。T恒温槽比1.5边界条件功率管负责输出加热功率,恒温槽可以将热量从功率管传递到晶体上,并保持晶体处的温度恒定,内部传热方式主要是热传导和热辐射。恒温晶振的外部工作环境温度为Tamb,功率管输出功率P。2恒温晶体振荡
18、器热稳定性分析(3)2.1移稳态热分析晶体比热容,采用COMSOLMultiphysics软件进行仿真计算,晶体发分析环境温度为2 5、-40 和7 0 下功率管输出功率对晶体处温度的影响。2.1.1环境温度为2 5时的仿真结果初始条件:环境温度为2 5;功率管的稳定输(4)出功率为P;探究当稳定输出功率P分别为1W、1.2W、1.4W、1.6 W 和1.8 W时,晶振内的功率管、恒温槽、晶体和热敏电阻在稳态下的体平均温度如表1 所示。由表1可知,当功率管的稳定输出功率为1W和1.2 W时,功率管、恒温槽、晶体和热敏电阻的温度都在8 5以下。这4个零部件的温度都随着功率值的上升而不断提高,当功
19、率值为1.4W时,晶体处的温2024年T.铝壳的比热图2 恒温晶振几何模型网格划分图Fig.2Meshing diagram of OXCO geometry model不同功率值下对应的温度/第1期度正好在8 4.6 7,非常接近8 5,当功率进一步升高到1.6 W及以上时,晶体处的温度都在9 0 以上。表12 5时不同输出功率条件下晶振内主要零部件的稳态温度Tab.1 Steady-state temperature of main components inthe crystal under different output power conditions at 25 C零部件1W1.
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 极端 环境 恒温 晶体振荡器 传热 过程 仿真
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。