一種小型化高頻高穩(wěn)定恒溫晶振的研制

一種小型化高頻高穩(wěn)定恒溫晶振的研制

1z晶振的方法選擇隨著雷達(dá)和航空航天技術(shù)的發(fā)展，模型任務(wù)對(duì)晶體振蕩器頻率源的要求越大，頻率越高，同時(shí)需要高的頻率穩(wěn)定度和低相位噪聲。頻率高至100MHz以上的晶振常稱甚高頻晶振,目前在軍品級(jí)成熟產(chǎn)品中,國(guó)內(nèi)還沒有超過(guò)100MHz以上的恒溫晶振;國(guó)外此類軍品級(jí)產(chǎn)品一般價(jià)格非常高,又屬禁運(yùn)產(chǎn)品,不能直接應(yīng)用。因此需要自主研發(fā)才能滿足型號(hào)任務(wù)的需求。在理論上,設(shè)計(jì)200MHz晶振主要有三種方法:(1)在主振電路中直接采用200MHz諧振器產(chǎn)生200MHz的振蕩信號(hào)。此種方法電路簡(jiǎn)單,所用元器件少。但國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的200MHz晶體諧振器普遍存在可靠性和穩(wěn)定性差,不易加工的特點(diǎn),而從國(guó)外進(jìn)口的諧振器由于在技術(shù)指標(biāo)的協(xié)調(diào)上缺少溝通,經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)證明,往往因?yàn)榉阂舸螖?shù)多、等效電阻大等缺點(diǎn)不容易起振。(2)用低相噪5MHz或10MHz的成熟產(chǎn)品作為基準(zhǔn)頻率源,通過(guò)多次倍頻獲得所需信號(hào)。此種方法容易實(shí)現(xiàn)電性能指標(biāo),但是電路復(fù)雜,所用元件多,相噪損失嚴(yán)重,不能實(shí)現(xiàn)低相位噪聲和小型化的要求。(3)采用100MHz諧振器作為主振元件,通過(guò)一級(jí)倍頻產(chǎn)生輸出信號(hào)。這種方法與第二種方法相比電路簡(jiǎn)單,但是振蕩頻率高、噪聲影響大、頻率穩(wěn)定度指標(biāo)較低。因此,如何降低噪聲對(duì)晶振的影響,改善頻率穩(wěn)定度成為這種方法的主要問題及難點(diǎn)。本文在原理上采用了這種方案。2高、低亮穩(wěn)定的新型高性能晶振的設(shè)計(jì)2.1過(guò)濾器輸出波的信號(hào)方案2200MHz恒溫晶振的電路原理框圖如圖1所示,由低噪聲放大器和晶體諧振器組成的振蕩級(jí)產(chǎn)生100MHz的振蕩信號(hào),經(jīng)過(guò)一級(jí)放大倍頻電路獲得所需的200MHz正弦波,這樣產(chǎn)生的波形諧、雜波抑制不好,因此這里增加了一個(gè)無(wú)源窄帶濾波器進(jìn)一步抑制輸出信號(hào)中的次諧波和雜波信號(hào)。直流放大式控溫電路采用電阻絲加熱的方式對(duì)放有振蕩級(jí)的槽體進(jìn)行加熱。2.1.1等效電路的設(shè)計(jì)晶體振蕩器振蕩頻率的穩(wěn)定性,主要依靠石英諧振器的高Q值。為提高振蕩頻率的穩(wěn)定性,采用了J3封裝的100MHzAT切冷壓焊晶體,利用此晶體的高Q值及好的老化特性來(lái)保證振蕩器的老化率在1×10-8/d之內(nèi),同時(shí)為了盡量保持晶體Q值在電路中不受影響,這里選用了改進(jìn)型的皮爾斯振蕩電路,等效電路如圖2所示。該電路Q值很高,為獲得低噪聲創(chuàng)造了有利條件。由此可以看出整個(gè)振蕩級(jí)的電路非常簡(jiǎn)單,所用的元器件也非常少。這樣做的目的不僅能把整個(gè)振蕩級(jí)放在小小的恒溫槽中,而且最大限度的減小了主振電路的附加噪聲,這是減小相位噪聲的有效措施。2.1.2共射一方基放大器在放大電路中,晶體管的內(nèi)部反饋會(huì)使振蕩器頻率穩(wěn)定度變差,為了減小內(nèi)反饋的影響,選用如圖3所示的共射一共基放大器。該復(fù)合管內(nèi)反饋導(dǎo)納比單管小二到三個(gè)數(shù)量級(jí),功率增益比單管共射組態(tài)大3dB左右。這樣既滿足了輸出幅度大的要求,同時(shí)又減小了前后級(jí)的相互影響,符合小型化的設(shè)計(jì)思想。更重要的是共射—共基電路與單管共射電路相比上限截止頻率提高7倍左右,從而進(jìn)一步減小了放大級(jí)的分配噪聲。2.1.3放大電路pn結(jié)電容非線性動(dòng)力系統(tǒng)倍頻電路采用適合超高頻段工作的晶體管參量倍頻電路。利用放大電路PN結(jié)電容的非線性變化,得到輸入信號(hào)頻率的諧波,經(jīng)兩級(jí)選頻回路獲得倍頻。這種倍頻電路有工作頻率高、輸出功率大、所用元件少、引入噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。2.1.4裝調(diào)試工藝溫度控制電路選用直流放大式控溫電路,該電路具有體積小、造價(jià)低、安裝調(diào)試工藝簡(jiǎn)單和對(duì)晶體振蕩信號(hào)無(wú)干擾等優(yōu)點(diǎn)?？販仉娐酚秒娮杞z加熱的方式對(duì)槽體進(jìn)行加熱,用這種方法加熱時(shí),槽溫較均勻,而且可以通過(guò)電阻絲不同的繞制方式,對(duì)槽內(nèi)溫度的非均勻分布進(jìn)行矯正,提高恒溫槽質(zhì)量。2.2發(fā)射極電流的設(shè)計(jì)主振電路、放大電路和倍頻電路中,晶體管的噪聲都會(huì)影響晶振的頻率穩(wěn)定度。而管子的熱噪聲、散彈噪聲和分配噪聲均與發(fā)射極電流的大小有關(guān),可以證明,為獲得好的頻譜純度,發(fā)射極電流有一最佳值。根據(jù)試驗(yàn)電路的具體參數(shù),我們將低噪聲管的發(fā)射極電流設(shè)置為2mA左右。實(shí)現(xiàn)低相位噪聲要選用高β,高截止頻率的低噪聲管,經(jīng)過(guò)篩選我們選用了小型陶瓷封裝的微波管MRF573。為了進(jìn)一步減小電路板的體積,所有的電阻電容都選用0805表面貼裝的元件。2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在超高頻恒溫晶振的設(shè)計(jì)中,結(jié)構(gòu)對(duì)晶振的性能有很大的影響。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)盡量避免引起串?dāng)_、電磁輻射等干擾。2.3.1結(jié)構(gòu)支撐板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)適應(yīng)于小型化的要求,我們選擇了重量輕的鋁作材料,并以表面導(dǎo)電涂覆的工藝來(lái)彌補(bǔ)鋁板導(dǎo)電性能的不足。為了最大限度的減小晶振的重量,我們利用溫控電路板和放大倍頻電路板作為整個(gè)結(jié)構(gòu)支撐板,如圖4所示。圖中除外蓋外,結(jié)構(gòu)的頂蓋、上蓋、框和下蓋都盡量銑薄。晶振外殼采用強(qiáng)度較高的黃銅板彎角焊接成型。該晶振總重量小于160g。1.主振電路板;2.溫控電路板;3.放大倍頻電路板;5.保溫筒底;6.保溫筒蓋;7.外殼;8.框;9.頂蓋;10.外蓋;11.上蓋;12.下蓋;14.螺釘M2×4;15.螺釘M2×5;16.插座SMA-KFD2.3.2加熱加熱處理通常來(lái)說(shuō),雙層恒溫結(jié)構(gòu)可以減小電路參數(shù)引起的頻率變化,但雙層恒溫晶振的體積一般都較大,無(wú)法滿足小型化的要求。經(jīng)過(guò)反復(fù)研究和大量的試驗(yàn),我們采用將整個(gè)主振電路板放入恒溫筒的加熱方法。該方法不僅可將體積縮小,還能有效的把主振信號(hào)屏蔽起來(lái),以減小其空間輻射對(duì)輸出信號(hào)的干擾。同時(shí)對(duì)電磁兼容起到一定的改善作用。3測(cè)試結(jié)果3.1表1顯示了無(wú)性系位測(cè)量測(cè)試的結(jié)果3.2相位噪聲曲線如圖5和圖6所示。測(cè)試結(jié)果如表2所示由測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出該晶振在滿足小型化的前提下,實(shí)現(xiàn)了高頻高穩(wěn)定的設(shè)計(jì)。4熱封晶振的尺寸該超高頻恒溫晶振的外形尺寸是40mm×40mm×75