劉蘭坤，王占奎

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第十三研究所，河北 石家莊 050051）

0 引言

隨著我國(guó)宇航技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)對(duì)高可靠高穩(wěn)定恒溫晶體振蕩器的需求越來(lái)越緊迫，目前高穩(wěn)定度高頻恒溫晶振主要依靠進(jìn)口，因此設(shè)計(jì)一種高可靠高穩(wěn)定恒溫晶振十分必要。

本文設(shè)計(jì)了一種輸出頻率100MHz、短期穩(wěn)定度優(yōu)于2*1012/s，相位噪聲優(yōu)于-72dBc/Hz@1Hz，-105dBc/Hz@10Hz，-135dBc/Hz@100Hz的高可靠、高穩(wěn)定度恒溫晶振，主要用于宇航應(yīng)用系統(tǒng)。

1 方案設(shè)計(jì)

恒溫晶振是將石英晶體諧振器置于一個(gè)恒溫槽中，采用精密控溫系統(tǒng)對(duì)恒溫槽加熱，使位于恒溫槽內(nèi)的石英晶體諧振器工作在其頻溫曲線拐點(diǎn)溫度下，以獲得高穩(wěn)定度的晶體振蕩器。本文選用恒溫晶振方案實(shí)現(xiàn)，方案由穩(wěn)壓電路、振蕩放大電路、控溫系統(tǒng)及晶體諧振器組成，原理框圖如圖1示。

圖1 恒溫晶體振蕩器原理框圖

2 高穩(wěn)定度設(shè)計(jì)

衡量晶體振蕩器穩(wěn)定度性能的最重要指標(biāo)是短期穩(wěn)定度，短期穩(wěn)定度在時(shí)域和頻域內(nèi)的表征分別是阿侖方差和相位噪聲。

2.1 振蕩器短期穩(wěn)定度分析

短期穩(wěn)定度是指由噪聲引起的振蕩頻率的變化。反饋振蕩器由放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成，在放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)中，噪聲通過對(duì)振蕩器輸出信號(hào)進(jìn)行干擾或調(diào)制而影響振蕩器的短期穩(wěn)定度。相位噪聲的數(shù)學(xué)研究方法主要有線性時(shí)不變方法[1]、Lesson噪聲模型[2]等。本文選用Lesson噪聲模型進(jìn)行分析。

式中：SΔφ(f)為振蕩器輸出相位噪聲譜密度，SΔθ(f)f0為振蕩器環(huán)路內(nèi)部相位譜密度，f為振蕩器輸出頻率，QL為偏離輸出頻率，為回路有載品質(zhì)因數(shù)。

為方便分析，設(shè)振蕩器環(huán)路（放大器）中只存在閃變?cè)肼暫桶自肼?，則振蕩器環(huán)路輸出單邊帶相位噪聲譜密度為[3]：

式中：α為取決于1/f噪聲電平的常數(shù)，β=4kTF/Ps.k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，F(xiàn)為噪聲系數(shù)，Ps為振蕩器輸入的信號(hào)功率。

將式（2）代入式（1）得輸出信號(hào)的相位噪聲譜密度為：

將（3）式寫成如下冪級(jí)數(shù)形式：

根據(jù)時(shí)域與頻域的轉(zhuǎn)換關(guān)系可求得阿侖方差為：

式中：σy(τ)為阿侖方差，τ為采樣時(shí)間，fh測(cè)試帶寬。

將各噪聲有關(guān)的系數(shù)值代入式中，得出阿侖方差表達(dá)式為：

式（5）表征了各類噪聲對(duì)振蕩器的短期穩(wěn)定度影響。經(jīng)過分析可知，對(duì)振蕩器秒級(jí)短期穩(wěn)定度影響最大的因素是閃頻噪聲。為降低振蕩器的閃變?cè)肼?，設(shè)計(jì)中一方面要選取品質(zhì)因數(shù)Q值較高的晶體諧振器，并選擇合適的振蕩電路形式，盡可能提高振蕩回路有載品質(zhì)因數(shù)值，另一方面振蕩電路要選用低噪聲的晶體管，并合理設(shè)置穩(wěn)定的工作點(diǎn)。

2.2 低噪聲振蕩電路設(shè)計(jì)

振蕩電路是實(shí)現(xiàn)振蕩器優(yōu)異穩(wěn)定度的關(guān)鍵，因此是晶振高穩(wěn)定度的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。本文采用有載品質(zhì)因數(shù)值較好的巴特勒電路[4]，如圖2所示。在電路中晶體諧振器接在振蕩晶體管的發(fā)射極，工作在自身串聯(lián)諧振頻率上，呈純阻性，起到對(duì)諧振頻率進(jìn)行高Q選頻作用，為電路提供反饋，屬于串聯(lián)反饋型振蕩電路。

圖2 巴特勒電路等效原理圖

為了提高秒級(jí)短期穩(wěn)定度，本文對(duì)巴特勒電路進(jìn)行改進(jìn)，將振蕩信號(hào)從振蕩晶體管的集電極采用部分接入方式引出，降低負(fù)載對(duì)振蕩電路品質(zhì)因數(shù)Q的影響。

振蕩電路中振蕩晶體管選用噪聲系數(shù)低、放大倍數(shù)高、截止頻率高的高頻低噪聲晶體三極管。本文選用的三極管噪聲系數(shù)優(yōu)于2.5dB，截止頻率大于700MHz。

振蕩電路中的晶體諧振器選用高品質(zhì)因數(shù)Q值的SC切5次泛音100MHz晶體，選用合理的等效電阻和拐點(diǎn)溫度，保證滿足高穩(wěn)定度。

2.3 低噪聲放大電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)中振蕩信號(hào)從振蕩晶體管集電極引出，選用低輸入阻抗的共基低噪聲放大器。放大電路晶體管選用與振蕩級(jí)同型號(hào)的低噪聲三極管，采取適當(dāng)?shù)呢?fù)反饋，降低電路1/f 噪聲。輸出端采用電容分壓帶負(fù)載方式實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，并加入低通濾波電路，有效隔離振蕩電路與輸出端，減小負(fù)載對(duì)振蕩狀態(tài)的影響，進(jìn)而提高信輸出信號(hào)穩(wěn)定性。

3 高可靠性設(shè)計(jì)

面向宇航應(yīng)用需求，本文在電路設(shè)計(jì)、元器件選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面遵循宇航標(biāo)準(zhǔn)，滿足宇航環(huán)境適應(yīng)性要求。

3.1 混合集成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了提高產(chǎn)品固有可靠性，將電路設(shè)計(jì)方案中的穩(wěn)壓電路、振蕩放大電路和控溫加熱電路按照電路功能，將有源器件通過混合集成工藝制成高可靠混合集成模塊電路。在混合集成電路模塊外圍連接必要的無(wú)源元件最終構(gòu)成高可靠晶振成品，晶振總體結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，可靠性大大提高。

為了提高產(chǎn)品使用可靠性，晶振外殼采用重量輕、剛度高的鋁合金盒體結(jié)構(gòu)。電路板安裝通過引腳焊接方式固定于盒體內(nèi)部，并通過內(nèi)部加固方式提高晶振固有機(jī)械模態(tài)頻率[5]。在晶振管殼上設(shè)計(jì)有四個(gè)安裝孔，可以通過螺釘安裝緊固到結(jié)構(gòu)中，再將晶振的引腳焊接引出，充分保證了產(chǎn)品的可靠性。

3.2 器件選用

本文所有器件均選用宇航級(jí)器件，器件均滿足降額的要求。

晶振的核心器件晶體諧振器，本文選用了抗振動(dòng)、抗沖擊性能較好的多點(diǎn)支撐的TO-5封裝SC切冷壓焊晶體。TO-5的冷壓焊晶體為四點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)，從力學(xué)方面分析可知TO-5封裝晶體支撐強(qiáng)度大大提高，其抗沖擊能力較兩點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)大大提高；另外TO-5封裝SC切型的晶體具有應(yīng)力補(bǔ)償效應(yīng)，抗加速度性能好。

4 實(shí)物制作及測(cè)試結(jié)果

本文最終研制設(shè)計(jì)的恒溫晶體振蕩器體積為38mm×38mm×16mm，如圖3所示。

圖3 實(shí)物照片

對(duì)設(shè)計(jì)研制的100MHz高可靠高穩(wěn)定恒溫晶體振蕩器的度短期穩(wěn)定度進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)際測(cè)試相位噪聲為-72dBc/Hz@1Hz，-105dBc/Hz@10Hz，-135dBc/Hz@100Hz，-161dBc/Hz@1kHz，見圖4。測(cè)試阿侖方差為在100ms和1s均達(dá)到2×1012。具有很好的頻率穩(wěn)定性。

圖4 相位噪聲實(shí)測(cè)曲線

5 結(jié)論

本文從高穩(wěn)定度電路設(shè)計(jì)及高可靠性設(shè)計(jì)兩方面開展了100MHz高可靠高穩(wěn)定度恒溫晶體振蕩器的分析和研究，研制的產(chǎn)品可靠性滿足宇航應(yīng)用預(yù)期，性能指標(biāo)與國(guó)外同類產(chǎn)品達(dá)到同一水平，對(duì)我國(guó)高可靠恒溫晶振技術(shù)發(fā)展具有重要意義。