Чудесные кристаллы

ЕЩЕ ОДНО ЧУДЕСНОЕ СВОЙСТВО

Замечательные свойства пьезокристаллов обусловили их широкое применение и в ряде других отраслей, например в радиолокации.

В основу радиолокации положен тот же принцип, что и в гидролокации, т. е. принцип отражения эхо-сигналов. Только здесь применяются уже не ультразвук, а радиоволны. Они излучаются передатчиком и при помощи антенны узким пучком направляются в пространство. В паузах между излучениями к антенне подключается приемник, который усиливает отраженные от целей радиоволны и направляет их в индикатор. В индикаторе принятые сигналы просматриваются на экранах электронно-лучевых трубок, а по времени прихода отраженных сигналов определяется расстояние до цели (рис. 39).

Так коротко можно объяснить работу радиолокатора. Однако за каждым названием отдельных узлов радиолокационной станции, таких, как передатчик, индикатор и другие, скрыты тысячи разнообразных и остроумных устройств и деталей. И все они работают в строго согласованном порядке. Такое согласование в радиолокации называется синхронизацией, а прибор, согласующий работу отдельных блоков и устройств, — синхронизатором.

Синхронизатор — это «командир» радиолокационной станции (рис. 40). Без его «приказа» не начнет работать ни одно устройство. На остановку работы того или иного блока также требуется «разрешение» синхронизатора.

«Приказы» синхронизатора представляют собой электрические сигналы, следующие друг за другом с чрезвычайно постоянной частотой. Стоит лишь немного измениться частоте следования этих сигналов, как работа всей станции нарушится.

Как же создать такое постоянство, или, как чаще говорят, стабильность частоты следования электрических сигналов?

На помощь пришло пьезоэлектричество. Оказалось, что наиболее эффективным из всех способов повышения стабильности частоты является кварцевая стабилизация, а точнее — стабилизация при помощи кварцевых резонаторов.

Прежде всего вспомним основные законы колебательного движения. Для этого обратимся к обыкновенному маятнику — небольшому грузику, подвешенному на качающемся стержне или нитке. Достаточно слегка качнуть его, как начнутся постепенно затухающие колебания. Частота таких колебаний зависит только от размеров маятника и называется собственной.

Почему колебания затухают? Куда расходуется энергия, которую мы сообщили грузику, толкнув его? Ответ прост: на трение и преодоление сопротивления движению маятника со стороны окружающей среды. Встречая эти силы при своем движении, маятник постепенно, порцию за порцией, отдает весь сообщенный ему запас энергии — колебания затухают, маятник останавливается.

Подобно маятнику колебательной системой является тонкая кварцевая пластинка, снабженная электродами. Однако по сравнению с любым маятником кварцевая пластинка представляет собой куда более совершенную колебательную систему. Маятник после толчка может еще колебаться десятки раз. А если заставить колебаться кварцевую пластинку, то она проделает сотни тысяч колебаний, прежде чем израсходует свою энергию.

Но что самое примечательное: собственная частота пластинки при этом остается строго постоянной, даже если ее нагревать или охлаждать.

Например, если нагреть пластинку на один градус, частота изменится всего лишь на одну стотысячную долю процента. Вот почему для стабилизации частоты используется пьезокварц. Благодаря своим упругим свойствам, высокой температурной и химической устойчивости кварцевая пластинка наиболее совершенна из всех колебательных систем.

Как же привести кварцевую пластинку в колебательное движение? Если маятник начинает двигаться от толчка руки, то здесь «толчок» создается переменным электрическим током, подведенным к электродам. Переменный ток создает периодические сжатия и растяжения — кварцевая пластинка колеблется. Не любой переменный ток способен возбудить собственные колебания пластинки. Это делает только ток, частота которого совпадает с частотой собственных колебаний пластинки или близка к ней.

Возвратимся к радиолокационной станции. Как в ней осуществляется синхронизация?

Главной частью синхронизатора станции является так называемый задающий генератор, вырабатывающий электрический ток строго постоянной частоты. В одну из цепей генератора включена кварцевая пластинка. Частота вырабатываемого тока равна собственной чистоте пластинки.

Если по какой-либо причине частота генератора изменится, кварцевая пластинка будет продолжать колебаться с прежней частотой. Эти колебания будут навязаны и генератору, частота колебаний которого возвратится к прежней величине. Иначе говоря, кварцевая пластинка будет стабилизировать частоту генератора.

Переменный ток, выработанный задающим генератором, преобразуется в электрические сигналы специальной формы. Эти сигналы поступают в другие блоки радиолокационной станции и синхронизируют ее работу.

Собственная частота кварцевой пластинки определяется ее размерами, главным образом толщиной. Чем тоньше пластинка, тем выше ее частота.

Кварцевая пластинка снабжается электродами и помещается в герметический корпус. Такое устройство и называется кварцевым резонатором, или стабилизатором.

В некоторых случаях, когда необходима очень высокая стабильность частоты, кварцевую пластинку помещают в стеклянный или металлический баллон, из которого выкачивают воздух (рис. 41). В таких резонаторах колебания исключительно постоянны, так как разреженный воздух оказывает меньшее сопротивление колебаниям пластинки.

Кварцевая стабилизация частоты применяется не только в радиолокации. Не менее важна она в радиосвязи и радиовещании, где стабилизируются мощные электрические колебания радиопередатчиков.

Включите радиоприемник и поверните ручку настройки. Даже за небольшой поворот вы услышите работу нескольких десятков станций. Однако, настроив приемник на частоту какой-либо определенной станции, вы слушаете только ее передачу. Но что произойдет, если частоты работающих станций не будут стабильны? Радиостанции будут создавать взаимные помехи, «наезжать» друг на друга. В этом случае нечего и говорить о хорошем приеме.

Резонансные свойства пьезокварца используются и в радиоприемных устройствах. Здесь применяют кварцевые фильтры.

Если на вход приемника подключена кварцевая пластинка, в него попадут только те электрические колебания, частоты которых совпадают с резонансной частотой пластинки. Все остальные колебания будут отсеены. А раз так, то качество приема будет наилучшим. Про такой приемник говорят, что он обладает высокой избирательностью.