超高頻晶體振蕩器穩(wěn)定度分析

1、文章編號 :1006 1630(2003 04 0022 04超高頻晶體振蕩器穩(wěn)定度分析陳之純 , 柳 麗(上海航天測控通信研究所 , 上海 200086摘 要 :為了使超高頻晶體振蕩器滿足空間使用要求 , 對影響超高頻晶體振蕩 器頻率穩(wěn)定 度 、 準(zhǔn) 確度和老化 率 的各 種因素進(jìn)行了分析研究 。 在此基礎(chǔ)上為某運(yùn)載火箭外測安全系統(tǒng)設(shè)計了一種超高 頻晶體振 蕩器 。 經(jīng) 10多 次 飛行試驗表明 , 該振蕩器工作穩(wěn)定可靠 , 其穩(wěn)定度和頻率準(zhǔn)確度均比同類產(chǎn)品提高 1個量級以 上 , 而 老化率降低 了 1個量級 。關(guān)鍵詞 :晶體振蕩器 ; 頻率穩(wěn)定度 ; 頻率準(zhǔn)確度 ; 分析 ; 超高頻 中

2、圖分類號 :T N 752. 3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 :AHighly Stable VHF Crystal OscillatorCHEN Zhi chun, LIU Li(Shang hai Spaceflight T T &C and T elecommunication Institute, Shang hai 200086, ChinaAbstract :T o meet the demand of space application, t he var ious factors to affect t he deg ree of frequency stability, accura

3、cy and aging rate for very high frequency crystal oscillator are analyzed in t his paper. A new very high frequency crystal oscillator has been developed for the safet y test system of some rocket on the base of t his analysis. T he results of air borne test are showed that the oscillator works reli

4、ably and the performance has been impr oved.Keywords :Crystal oscillator; Frequency stabilit y; F requency accur acy; Analysis; Very hig h frequency收稿日期 :2000 10 18; 修回日期 :2003 04 28作者簡介 :陳之純 (1963 , 男 , 研究員 , 主要研究方向為航天測 0 引言晶體振蕩器是電子設(shè)備中常用的組成單元 , 在 設(shè)備中作為高穩(wěn)定的頻率源 , 為設(shè)備提供時間和頻 率基準(zhǔn)。在超高頻和微波設(shè)備中 , 需要高穩(wěn)定的超 高頻

5、或微波頻率源 , 這種高穩(wěn)定的頻率源一般都是 以高穩(wěn)定晶振為基準(zhǔn)源 , 通過高次倍頻或鎖相等方 式獲得。在航天領(lǐng)域 , 由于特殊的使用條件 , 要求這 種超高頻源具有可靠性高、 功耗低、 相噪小和體積小 等特點。一個滿足這一要求的最簡方案是使用超高 頻晶體振蕩器。為此 , 本文對超高頻晶體振蕩器穩(wěn) 定度進(jìn)行了分析。1 影響穩(wěn)定度的主要因素超高頻晶體振蕩器因振蕩頻率高 , 其電路的研制受多種因素的制約 , 所以 , 超高頻晶體振蕩器的頻 率穩(wěn)定度與準(zhǔn)確度均 比中低頻晶體振蕩器差 1, 2。 目前該 類振 蕩 器 的 頻 率穩(wěn) 定 度 一 般 都 低于 5 10-7, 準(zhǔn) 確度低 于 5 10-6

6、, 老 化率 大于 5 10-7d -1, 其使用范圍因而受到 了限制。解 決該問題的 關(guān)鍵是提高超高頻晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度與準(zhǔn)確 度 , 降低其老化率。 1. 1 主要性能參數(shù)分析晶體振蕩器的頻率準(zhǔn)確度主要取決于晶體的制 造精度和晶體振蕩器的調(diào)試。但產(chǎn)品出廠后 , 晶體 振蕩器的頻率準(zhǔn)確度主要受晶體振蕩器諧振回路器 件老化的影響 , 出廠時間越長 , 老化的影響就越大。 在出廠前 , 通過對生產(chǎn)工藝和調(diào)試過程的控制 , 可以 將晶體振蕩器的出廠頻率準(zhǔn)確度控制在允許的范圍 內(nèi)。這樣 , 解決超高頻晶體振蕩器出廠以后的頻率 準(zhǔn)確度問題就轉(zhuǎn)化成解決老化率問題。老化率實際 22上 海 航 天AER

7、OS PACE SHANGHAI2003年第 4期振蕩器的長期頻率穩(wěn)定性問題。 1. 2 頻率穩(wěn)定性分析就石英晶體諧振器的電特性而言 , 可以認(rèn)為它 具有串聯(lián)諧振特性 , 因此 , 可以用圖 1的等效電路來 表達(dá) 3。圖中 L 1、 C 1、 R 1為 石英 晶片基 頻諧振 特 性 ; L 3、 C 3、 R 3為石英晶片 3次泛音的諧振特性 , 其 余依此類推 ; C 0為石英晶體諧振器的并電容。對石 英晶體諧振器而言 , 由電特性分析可知 , 它可等效為 一個 L C 諧振回路。同樣 , 晶體振蕩器也可以被等 效為一個 LC 振蕩器 , 因而其頻率穩(wěn)定度可以通過 對 LC 振蕩器頻率穩(wěn)定度

8、的分析獲得。圖 1 石英晶體諧振器等效電路Fig. 1 Equivalent circuit of quartz crystal resonatorLC 振蕩器的環(huán)路總相移 T 為角頻率 的函 數(shù)。當(dāng)環(huán)境溫度、 電源電壓和周邊電磁場等外界因 素發(fā)生變化或諧振回路中器件參數(shù)隨時間而變時 , 振蕩器諧振回路參數(shù)就會發(fā)生變化 , T 也就隨之變 化 4。若將外界 因素和器件老 化引起的參數(shù) 變化 用自變量 表示 , 則 T 也是自變量 的函數(shù)。對于某一特定回路參數(shù)自變量 = 0, 滿足相 位平衡條件的振蕩角頻率 g 有T ( g , 0 =2n ! (n =1, 2, 3, .(1當(dāng)某種原因引起回路

9、參數(shù)變動 , 并致使自變量 變 化 時 , 原有的相位平衡條件會受到破壞。只要 這種變化不破壞振蕩器的相位穩(wěn)定條件 , 為維持振 蕩器的相位平衡條件 , 振蕩器就會產(chǎn)生一個頻率偏 移 g , 并滿足T ( g + g , 0+ =2n ! .(2由于 g 和 均為微小量 , 因此用泰勒級數(shù) 展開式 (2 時 , 其二次方及其以上項均可忽略 , 此時 T ( g + g , 0+ !T ( g , 0 + T 0,g 將式 (1 和式 (2 代入式 (3 , 得T0, g g + T 0, g =0, 即 g =- T0, g T 0, g . (4式 (4 表明 , g 與 成正比 , 當(dāng) 一

10、定時 , T 0, g T0, g 越大 , 由 引起的 g 就越小 , 頻率穩(wěn)定度就越高。也就是說 , 要提高振蕩器 的頻率穩(wěn)定度 , 應(yīng)減小 , 減小 T 對 的敏感度 , 提高 T 對 g 的敏感度。環(huán)路的總相移 T 由主網(wǎng)絡(luò)相移 m 和反饋網(wǎng) 絡(luò)相移 f 組 成 , 其中主 網(wǎng)絡(luò)相移又由 振蕩管相移 v 和振蕩器回路相移 z 組成。在這 3個相移中 , z 隨頻率的變化最劇烈 , 而其他 2個相移隨頻率的 變化要平緩得多。1. 3 晶振電路型式的選擇根據(jù)晶體在電路中的不同作用 , 晶振電路可分 為并聯(lián)型與串聯(lián)型 2類。在并聯(lián)電路中 , 晶體工作 在略高于串聯(lián)諧振頻率呈電感性的頻段內(nèi) ,

11、 作為三 點式電路中的回路電感 ; 在串聯(lián)電路中 , 晶體作為短 路元件 , 并將它串聯(lián)在反饋支路中 , 用以控制反饋系 數(shù)。在并聯(lián)型晶振電路中 , 晶體對 z 起穩(wěn)定作用 ; 在串聯(lián)型晶振電路 中 , 晶體對 f 起穩(wěn)定作 用。由 1. 2節(jié)分析可知 , 串聯(lián)型晶振電路的頻率穩(wěn)定性要 比并聯(lián)型高。以圖 2為例對頻率穩(wěn)定度進(jìn)行分析。串聯(lián)型晶 體振蕩器的起振條件為圖 2 串聯(lián)型晶振的典型電路Fig. 2 Model of crystal oscillator circuit in series232003年第 4期 陳之純 , 等 :超高頻晶體振蕩器穩(wěn)定度分析g m Z( C 3C 3+C 4

12、Z cr ( g i >1,(5 z ( c r ( =0,(6式中 : cr ( 為晶體諧振器的相移。式 (6 是振蕩器起振的相位平衡條件。由于晶 體的相移 c r ( 在晶體串聯(lián)諧振頻率附近隨頻率 變化的曲線十分陡峭 , 因此 , 當(dāng) L C 并聯(lián)諧振回路中 的參數(shù)由于某些原因發(fā)生變化時 , 振蕩器的頻率變 化量是極微小的。圖 3為一箭載電子設(shè)備中 200MHz 超高頻泛 音晶體振蕩器的實際電路。圖中 L 1為中和電感 , 其作用是 :與晶體的并電容組成諧振回路 , 諧振在振 蕩頻率上 , 以抵消 C 0的作用 ; 保證晶體具有串聯(lián)諧 振特性 , 增加晶體阻抗的相頻特性在串聯(lián)諧振頻率

13、 附近的斜率 , 從而 提高晶體振蕩器 的頻率穩(wěn)定度。 在采取 恒溫措 施后 , 該電 路的 頻率穩(wěn) 定度 可到 達(dá) 10-810-9 。圖 3 200MHz 超高 頻泛音晶體振蕩器實際電路 Fig. 3 Application circuit of 200MHz VHFovertone crystal oscillator2 提高頻率穩(wěn)定度的措施提高晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度應(yīng)從兩 方面入 手 :一 是 減 小 ; 二 是 當(dāng) 一 定 時 , 減 小 T 0, g , 增大T 0, g。 是 環(huán)路參 數(shù)變化 的總和 , 它主要由 2部 分組成 :環(huán) 境因素引起的 變化 c 和環(huán)路器件老化引起的變

14、化 d 。 2. 1 c 的控制信標(biāo)機(jī)的超高頻石英晶振來說 , 主要是劇變的熱環(huán) 境。箭載產(chǎn)品的工作溫度為 -40+60#, 晶振不 僅要在該溫度區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定工作 , 還應(yīng)能承受 (1015 #/min 的溫度變化、 大范圍的濕度和大氣壓力 變化、 電源電壓的波動和負(fù)載的輸入阻抗變化、 惡劣 的電磁場條件、 苛刻的力學(xué)環(huán)境 (包括高強(qiáng)度的機(jī)械 振動、 沖擊和離心力作用等 , 以及其他因素。其中 , 溫度因素是主要的。解決 c 問題的措施有降低環(huán)境因素本身的變 化影響 和 環(huán) 路 參數(shù) 對 環(huán) 境 因 素變 化 的 敏 感 度 2種 5。為減小環(huán)境因素本身的變化 , 可采取的相應(yīng) 措施有 :a 將

15、晶振電路 (包括溫度控制電路 置于恒溫槽 內(nèi) , 將環(huán)境溫度精確控制在晶體諧振器的拐點溫度 附近。晶體的拐點溫度一定要比環(huán)境溫度的最高值 高 5#以上 , 以確保溫控的有效性。b 將晶體振蕩器電路置于減振裝置上 , 以降低 力學(xué)環(huán)境變化對該振蕩器的影響。但是 , 由于航天 產(chǎn)品還受到體積、 質(zhì)量等限制 , 使用減振裝置在工程 上未必可行。另外還應(yīng)注意 , 無論使用何種減振裝 置 , 在航天器所承受的溫度變化范圍內(nèi) , 減振器的阻 尼系數(shù)等都會發(fā)生變化。這種變化可能是十分有害 的 , 在某種條件下 , 甚至可能會進(jìn)一步劣化晶體振蕩 器的使用環(huán)境。另一種可行的辦法是針對那些對力 學(xué)環(huán)境影響敏感的器

16、件 , 如晶體諧振器、 電感器等單 個元件實行減振措施。這樣雖不能對整個晶振實現(xiàn) 減振 , 但是可在晶振電路的恒溫槽內(nèi)實現(xiàn) , 不受環(huán)境 溫度影響。在航天器所處環(huán)境溫度條件下 , 這不失 為一優(yōu)選方案。c 將晶體振蕩器電路置于密封條件下 , 降低濕 度和大氣壓力對晶振回路的影響 6。d 晶體振蕩器電路的所有輸入、 輸出端口都應(yīng) 采取濾波措施 , 電路外應(yīng)有金屬屏障 , 以減小外界電 磁場的干擾。e 對晶振電路采取單獨(dú)供電 , 減小電源電壓波 動的干擾。穩(wěn)壓電路應(yīng)置于恒溫槽內(nèi) , 以減小溫度 對電源電壓和內(nèi)電阻等的影響。f 輸出采用緩沖放大器與負(fù)載隔離 , 減小負(fù)載 對晶振電路的影響。在超高頻頻

17、段 , 射極跟隨器的 隔離作用已經(jīng)不 明顯 , 不 能有效地起到隔 離作用。 晶體振蕩器電路的輸出阻抗與負(fù)載的輸入阻抗應(yīng)良 好匹配 , 盡量減小信號反射并充分考慮傳輸線的影 24上 海 航 天AEROSPACE SHANGHAI2003年第 4期2. 2 環(huán)路參數(shù) /環(huán)境變化敏感度的控制在串聯(lián)型晶體振蕩器電路中 , 振蕩環(huán)路總相移 T 為T = S + z + cr =2n ! , (7 式中 : S 為寄生環(huán)路分布參數(shù)的總相移與振蕩管相 移之和。 S 、 z 和 cr 都是環(huán)境因子 K 和 g 的函 數(shù)。對特定環(huán)境因子 K 05, 相位平衡時有T ( g , K 0 = S ( g , K

18、0 + z ( g , K 0 + cr ( g , K 0 =2n ! . (8 當(dāng)環(huán)境因子 K 0變化 K 后 , 為滿足相位平衡 條件 , 環(huán)路會出現(xiàn) g 的變化 , 即T ( g + g , K 0+ K =S ( g + g , K 0+ K +z ( g + g , K 0+ K +cr ( g + g , K 0+ K =2n ! . (9 實際上 , K 與 g 均是極小量 , 因此 , 用泰勒 級數(shù)展開式 (9 時 , g 與 K 的二次方及其以上項 均可忽略 , 故有S ( g + g , K 0+ K +z ( g + g , K 0+ K +cr ( g + g , K

19、 0+ K =S ( g , K 0 + S g, K 0 g + Sg, K K +z ( g , K 0 + z g, K 0 g + zg, K K +cr ( g , K 0 + cr g, K 0 g + crg, K K . (10將式 (8 和式 (9 代入式 (10 , 得Sg, K g +Sg, K K +zg, K g +zg, K K +crg, K g +crg, K K =0,則有 -Sg, K+zg, K+c rg, KSg, K+zg, K+c rg, K K .(11 一般情況下c rg, Kzg, KSg, K, c rg, K!zg, K!Sg, K. 在串

20、聯(lián)型晶振電路中 , 頻率的不穩(wěn)定因素主要 由寄生參 數(shù)和振蕩回路 參數(shù)不穩(wěn) 定引入 , 其中 S 隨頻率變化最緩慢。因此 , 要提高振蕩器的頻率穩(wěn) 定度 , 應(yīng)減小寄生參數(shù)在環(huán)路中的總占有量 , 提高環(huán) 路電感和電容的穩(wěn)定性。這些要從印制板設(shè)計和器 件選擇方面考慮。在設(shè)計印制板時 , 應(yīng)采用高頻電路的設(shè)計手段 , 引入傳輸線概念 , 充分考慮引線電感與引線電容的 影響。在器件選擇上應(yīng)選用溫度系數(shù)穩(wěn)定的器件 , 在 工作溫度范圍內(nèi) , 該系數(shù)應(yīng)盡量小而且必須是單調(diào) 的 (否則將出現(xiàn)不確定值 ; 回路中各器件的溫度系 數(shù)應(yīng)互補(bǔ) , 以降低振蕩器對溫度變化的敏感度 (在回 路電容中 , 應(yīng)選用合適的

21、負(fù)溫度系數(shù)陶瓷電容器 , 以 補(bǔ)償電路中其他元器件的正溫度系數(shù)變化 ; 對氣壓 和溫度敏感的器件應(yīng)選用密封器件 (如選用密封的 晶體管 , 晶體諧振器采用玻璃殼封裝 , 電感采用空心 電感等 ; 應(yīng)盡可能選用寄生電感、 電容極小的微波 器件。2. 3 d 的控制對環(huán)路器件老化 d , 應(yīng)從以下幾個方面進(jìn)行 分析 :a 選用化學(xué)和物理性能穩(wěn)定的低老化率器件 , 如晶體振蕩器應(yīng)采用玻璃殼真空密封 , 因為在真空 條件下 , 石英晶體的老化率最低 , 且晶體諧振器的電 極蒸發(fā)速度也小。b 采用化學(xué)和物理性能穩(wěn)定的印制板 , 以減小 分布參數(shù)的變化。在超高頻晶體振蕩器中 , 分布參 數(shù)對振蕩器的工作頻

22、率影響很大 , 而印制板引入的 分布參數(shù)所占比例又最大。因此 , 選用介電常數(shù)穩(wěn) 定 的印制板是穩(wěn)定振蕩器分布參數(shù)的重要環(huán)節(jié)。 在 252003年第 4期 陳之純 , 等 :超高頻晶體振蕩器穩(wěn)定度分析誤差為 5m 的持續(xù)時間為 5s 。經(jīng)多次試驗 , 最后選擇了 2組較大的 #、 。再 次跟蹤地標(biāo) , 故障消失。雷達(dá)系統(tǒng)改進(jìn)后 , 進(jìn)行了 2個架次的精度校飛 試驗。由精密光測和雷達(dá)測試設(shè)備獲得目標(biāo)真實距 離 , 對記錄的雷達(dá)測量距離按規(guī)定進(jìn)行處理 , 得到跟 蹤雷達(dá)距離系統(tǒng)誤差和距離起伏誤差 , 其中綜合了 陣地定標(biāo)、 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸延遲等多項誤差 , 試驗結(jié)表 2 某跟蹤雷達(dá)測距精度Tab.

23、 2 Ranging accuracy of the tracking radar m 距離段距離起伏誤差 距離系統(tǒng)誤差 架次 1架次 2架次 1架次 2遠(yuǎn)處 第 1距離段 3. 83. 45. 14. 8第 2距離段 5. 23. 24. 58. 3第 3距離段 5. 33. 64. 93. 7近處 第 4距離段 5. 9%4. 0% 果見表 2。試驗證明 , 改進(jìn)后雷達(dá)的距離系統(tǒng)誤差 和距離起伏誤差指標(biāo)均滿足系統(tǒng)的要求。4 結(jié)束語通過理論分析和試驗 , 發(fā)現(xiàn)了造成某跟蹤雷達(dá) 測距數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的主要原因 , 并從硬件和軟件兩方 面采取了改進(jìn)措施。改進(jìn)后的試驗表明 , 原故障消 除。這說明對問題

24、的分析是正確的 , 采用的解決方 法是可行的。參考文獻(xiàn)1 樓宇希 . 雷達(dá)精度分析 M .北京 :國防工 業(yè)出版社 , 1979.2 張有為 , 李少洪 . 雷達(dá)系統(tǒng)分析 M .北京 :國防工業(yè) 出版社 , 1981.3 孫 仲康 . 雷達(dá)數(shù) 據(jù)數(shù)字 處理 M .北京 :國 防工業(yè) 出 版社 , 1983.(上接第 25頁 超高頻晶振電路中 , 應(yīng)選用高頻陶瓷或聚四氟乙烯 等介電常數(shù)穩(wěn)定的材料作為印制板基材。c 對振蕩電路特 別是晶體振蕩器 進(jìn)行加電 老 練。d 在滿足電路起振條件的前提下 , 晶體的激勵 電平應(yīng)盡可能低 , 以減少晶體諧振器電極的蒸發(fā) , 延 緩晶體諧振器老化進(jìn)程 7。3 應(yīng)

25、用實例圖 3所示的電路是為某運(yùn)載火箭外測安全系統(tǒng) 箭載電子設(shè)備研制的 200MH z 高穩(wěn)定超高頻晶體 振蕩器。該超高頻晶體振蕩器已參加 10多次飛行 試驗 , 在飛行試驗過程中 , 工作穩(wěn)定可靠 , 技術(shù)性能 良好。與同類晶振相比 , 該晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定 度提高了 2個量級 , 準(zhǔn)確度提高了 1個量級 , 老化率 降低了 1個量極。該高穩(wěn)定超高頻晶體振蕩器的實 測頻率穩(wěn)定度 (阿侖方差 &5 10-9/10s, 頻率準(zhǔn) 確度 &1 10-7, 老化率 &5 10-9d -1。4 結(jié)束語超高頻晶體振蕩器在電子設(shè)備 , 特別是在航空、 航天器電子設(shè)備中有著廣泛的應(yīng)用。

26、目前 , 由于種 種技術(shù)原因 , 超高頻晶體振蕩器在頻率穩(wěn)定度、 準(zhǔn)確 存在較大的差距。本文針對上述問題 , 對超高頻晶 振的頻率穩(wěn)定度進(jìn)行了研究 , 并設(shè)計了一種超高頻 晶體振蕩器。試驗表明 , 該超高頻晶體振蕩器工作 穩(wěn)定可靠。參考文獻(xiàn)1 VIG J R, M EEK ER T R. T he aging of bulk acoustic w ave r eso nators, filters and oscillatorsC. In Proc. 45th A nnu. Symp. Fr eq. Co ntr. , 1991:77101.2 F IL LER R L , V IG J R. Long term ag ing of oscillators C .In IEEE T rans. U ltra. , F er roelec. , and Freq. Cont r. , 1993, 40:387394.3 SAL T D. Crysta