楊 磊

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

高穩(wěn)晶振(Oven Controlled Crystal Oscillator, OCXO)廣泛應用于電子、通信、導航、航空航天等諸多領域，超穩(wěn)晶體振蕩器(Ultra-Stable Oscillator，USO)是短期穩(wěn)定度和相位噪聲最高的恒溫振蕩器類產(chǎn)品，憑借其優(yōu)異的性能、小體積和高可靠性，進一步拓寬了其在空間精密測量和深空通信等領域的應用[1]。由于自身和外界因素，振蕩器的輸出頻率不可能恒定不變，即便是非常微小的變化，對某些系統(tǒng)的性能影響也不可忽視?？臻g科學的發(fā)展對振蕩器輸出頻率的穩(wěn)定度提出了越來越高的要求。美國、法國和瑞士開展這方面研究較早，居于領先地位。目前，美國應用于GRAIL月球探測器的星載超穩(wěn)晶振的短期頻率穩(wěn)定度指標優(yōu)于2×10-13/s，代表了星載超穩(wěn)晶振研制的最高水平。隨著目前空間測量及時頻應用領域的不斷擴展[1-3]，更高穩(wěn)定度的超穩(wěn)晶振需求不斷增加[4-6]。本文在前期開展樣機研制的基礎上，在不降低性能指標的同時，優(yōu)化了恒溫槽設計，與樣機產(chǎn)品相比，大幅縮小了產(chǎn)品的體積，設計實現(xiàn)了尺寸為99mm×88mm×55mm的宇航用小型化USO。經(jīng)測試，產(chǎn)品短期頻率穩(wěn)定度為2.11×10-13/1s、3.28×10-13/10s、8.61×10-13/100s(Allan方差)，相位噪聲為-129.4dBc/Hz@1Hz和-147.0dBc/Hz@10Hz。

1 振蕩器相位噪聲

現(xiàn)有的相位噪聲數(shù)學研究方法主要有Leeson噪聲模型[7]和線性時不變方法等。Leeson噪聲模型是關(guān)于反饋振蕩器的簡單噪聲模型，與實際測試實驗具有良好的符合性，因此被廣泛應用于振蕩器噪聲的分析。

振蕩器是由放大器和反饋網(wǎng)絡組合構(gòu)成，噪聲引起振蕩器輸出信號的頻率(相位)隨機起伏，起伏越小的振蕩器其相位噪聲就越好。

振蕩器的Leeson模型輸出相位噪聲表示如下

(1)

式中,Sφ0(f)為振蕩器輸出端相位噪聲譜密度；SφA(f)為振蕩器環(huán)路內(nèi)部相位譜密度；f0為振蕩器輸出頻率；Q為回路品質(zhì)因數(shù)。

設放大器中只存在閃變噪聲(1/f噪聲)和白噪聲，則總的振蕩器輸入相位功率譜密度可表示為

SΔθ(f)=αf-1+β

(2)

其中，α為取決于1/f噪聲電平的常數(shù)；β=2FkT/Ps，其中F為噪聲系數(shù),Ps為振蕩器輸入的信號功率。

將式(2)代入式(1)得

SΔφ(f)=αkf-3+βkf-2+αf-1+β

(3)

其中，k=(f0/2Q)2；αk為與閃頻噪聲有關(guān)的系數(shù)；βk為與白頻噪聲有關(guān)的系數(shù)；α為與閃相噪聲有關(guān)的系數(shù)；β為與白相噪聲有關(guān)的系數(shù)。

主振電路與放大電路對超穩(wěn)晶振的噪聲影響最大，這是本文研究的重點內(nèi)容。電路的相位噪聲Sφ(f)為主振電路的相位噪聲Sφ1(f)與放大電路的相位噪聲Sφ2(f)相加。

根據(jù)Leeson模型，主振電路相位噪聲Sφ1(f)為[8]

Sφ1(f)=(2G1KF1T/PS1+

2α1/f)[1+(fc/2Qef)2]

(4)

其中，PS1為主振輸出信號功率；F1為主振噪聲系數(shù)；G1為主振功率增益；K為波茲曼常數(shù)；T為絕對溫度；α1為主振1/f噪聲系數(shù)；Qe為晶體有載Q值；QL為晶體有效Q值。

放大電路相位噪聲Sφ2(f)為

Sφ2(f)=2G2KF2T/PS2+2α2/f

(5)

其中,PS2為放大電路輸出信號功率；F2為放大電路噪聲系數(shù)；G2為放大電路功率增益；K為波茲曼常數(shù)；T為絕對溫度；α2為放大電路1/f噪聲系數(shù)。

當然，除主振電路和放大電路外，在實際電路中，濾波電路和恒溫槽等對相位噪聲也有一定影響[9]，在設計中也需進行考慮。

相位噪聲是頻率穩(wěn)定度的頻域表征，是噪聲信號調(diào)制的單邊帶(Single Side Band, SSB)功率和載波功率之比

(6)

L(f)稱為單邊帶相位噪聲，并且當|φ(t)|?2πf0時

Sφ(f)≈2L(f)

(7)

2 低噪聲電路設計

研究表明，晶體振蕩電路的噪聲主要由主振及放大電路貢獻，因此主振及放大電路是超穩(wěn)晶振低噪聲設計的重點。

2.1 振蕩電路設計

主振電路選用皮爾斯電路形式，該電路具有良好的頻率穩(wěn)定性[10]，是低噪聲振蕩器應用最廣泛的電路之一，如圖1所示。在主振電路的低噪聲設計中采取了以下措施：

圖1 皮爾斯電路等效圖

1)理論分析表明，對秒級穩(wěn)定度影響較大的是閃頻噪聲[10]。改善秒級穩(wěn)定度的措施之一是盡量降低晶體管集電極電流，該特性由晶體管自身特性所決定。合適的晶體及晶體管可實現(xiàn)較小的集電極電流，同時保證主振電路工作正常。

2)石英晶體諧振器頻率的相對變化與晶體電流的關(guān)系可以近似用式(8)表示[10]

(8)

其中：D為晶體電流常數(shù)，對于5MHz晶體,D≈0.5～1/A2；i為流過晶體的交流電流。

由式(8)可知，晶體的激勵電平較大時,對頻率穩(wěn)定度的影響較大。同時由于噪聲的限制，激勵電平也不能取得太小，否則會使短期穩(wěn)定度變差。因此，要有良好的頻率穩(wěn)定度就必須將晶體激勵電平控制在合適的范圍內(nèi)，本文選取的激勵電平約為100μA。

3)選擇噪聲系數(shù)低、電流放大倍數(shù)較高、截止頻率高的高頻低噪晶體三極管。晶體管的噪聲主要有白噪聲和閃爍噪聲，應選用rb’b小、Cbe小的晶體管[9]，同時放大倍數(shù)不宜過高，否則容易降低振蕩電路的頻率穩(wěn)定性，通常電流放大倍數(shù)大于80即可[10-11]。主振電路選用的晶體管為國產(chǎn)3DG142C高頻低噪聲晶體管，其截止頻率為800MHz，噪聲系數(shù)為2.5dB。

4)選用高Q值晶體諧振器，并提高電路有載Qe值。由于1/f噪聲電平大致與晶體諧振器Q值成反比，選用高Q值晶體諧振器對提高振蕩電路秒級穩(wěn)定度非常有利[9]，最終選用了SC切TO封裝冷壓焊5MHz晶體諧振器，Q值約為2400k，同時必須在電路設計及調(diào)試中使振蕩電路工作在最佳負載阻抗附近，盡可能地提高有載Qe值，才能充分發(fā)揮晶體高Q值特性。

5)在主振電路晶體管射級增加交流反饋電阻Rf，可減小發(fā)射結(jié)電容及晶體管電流因1/f噪聲引起的起伏，改善主振電路的近端噪聲；也可減小因電源電壓和環(huán)境溫度變化所引起的晶體管電流的變化[10]，一般Rf取值在20～40Ω效果較好。

2.2 輔助電路設計

輔助電路主要包括電源濾波電路、放大電路和濾波匹配電路三部分，合理選擇輔助電路形式及參數(shù)，可以提高輸出信號的質(zhì)量。電源濾波電路主要通過二次穩(wěn)壓，各級電路電源入端就近濾波，使干擾噪聲信號就近濾除到地線端以平滑噪聲，降低電源波動引起的干擾。

放大電路是振蕩電路低噪聲設計的重點環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的恒溫晶振設計通常會設置自動增益控制電路和射極跟隨器電路，有利于提高電路穩(wěn)定性，易于起振，提高隔離效果；但自動增益控制電路和射極跟隨器電路容易引入噪聲，而且晶體管的增加對降低電路噪聲也是不利的，因此本次設計未使用自動增益控制電路和射極跟隨器電路。在放大電路設計上采取了如下降低噪聲的措施：

1)采用阻容耦合結(jié)合的方式實現(xiàn)級間匹配，確定合理的工作點，盡可能使放大電路處于線性工作區(qū)，降低電路噪聲。在放大電路設計中采用兩級放大電路，第一級放大電路處于線性工作區(qū)，第二級放大電路處于淺飽和狀態(tài)，起到放大兼隔離作用。

2)根據(jù)放大器拐角頻率fc和振蕩電路轉(zhuǎn)折頻率f0/2Q的關(guān)系，優(yōu)化振蕩電路的調(diào)試參數(shù)，采取適當?shù)慕弧⒅绷髫摲答伣档碗娐?/f噪聲，達到改善近端相位噪聲的目的。

3 精密控溫系統(tǒng)設計

控溫電路與恒溫槽共同構(gòu)成了控溫系統(tǒng)，高精度的控溫系統(tǒng)不僅可以提升短期穩(wěn)定度，還能改善近端相位噪聲。對于達到10-13量級短期穩(wěn)定度的超穩(wěn)晶振，環(huán)境溫度的波動會引起產(chǎn)品頻率的變化，效果如同1/f噪聲對頻率的調(diào)制一樣，使恒溫晶振的近端相位噪聲變差[10,12]。傳統(tǒng)的單層恒溫設計難以滿足要求，采取雙層恒溫設計方案并設置合理的內(nèi)外層控溫偏置溫度，進一步改善近端相位噪聲。

內(nèi)、外兩層恒溫槽控溫電路均選用直接放大連續(xù)式控溫電路，直接放大連續(xù)式控溫電路工作于直流狀態(tài)，受外界干擾小，電路簡單，易于小型化設計。在采用穩(wěn)定可靠控溫電路的同時，合理的控溫結(jié)構(gòu)設計同樣至關(guān)重要。在雙層恒溫槽結(jié)構(gòu)中，內(nèi)層和外層所用的溫度控制電路一般形式相同，但內(nèi)和外恒溫槽的熱學結(jié)構(gòu)卻不同。外層恒溫槽體積較大，要保持恒溫控制比較困難，一般對于環(huán)境溫度變化的改善比較有限。外層的縮減因子[10]一般在0.1左右，內(nèi)槽的縮減因子大約為0.02，兩層同時工作時的縮減因子理論上為0.002。實際試驗時測試縮減因子小于該值，由于內(nèi)外兩層恒溫槽結(jié)構(gòu)間非完全熱隔離，之間會有熱耦合而相互影響[13]。

內(nèi)層恒溫槽布局時，主要將主振電路放置在內(nèi)層恒溫槽，以保證電路中對溫度敏感的晶體及晶體管狀態(tài)基本保持恒定。同時，恒溫槽結(jié)構(gòu)設計時采用導熱系數(shù)高、熱容值較大的材料，以保證在大熱容的同時提高晶體溫度分布的均勻性。外層控溫主要用來隔離環(huán)境溫度和內(nèi)層恒溫槽溫度之間的變化，進一步降低環(huán)境溫度影響。

4 小型化設計

小型化設計在宇航應用中有諸多便利之處。本設計在電路設計時，在全部采用國產(chǎn)化元器件的基礎上，盡量考慮小型化如表貼封裝的電阻和電容等器件，同時簡化不必要電路，并在電路布局布線上提高密度，減小PCB布線及連接等寄生效應引起的等效雜散電容，提高超穩(wěn)晶振產(chǎn)品的設計健壯性，避免晶振進入非正常工作模式或引起起振不正常等問題。

宇航應用中主要考慮產(chǎn)品的空間環(huán)境適應性，除了適應力熱環(huán)境外，還需考慮空間輻照環(huán)境，因此設計中優(yōu)先選用抗輻照等級高的元器件，在結(jié)構(gòu)設計和材料選擇上，選用抗空間輻照能力強的材料。同時整機設計中通過局部鉭皮加固，提高了產(chǎn)品的抗輻照能力。小型化設計中一項重要的措施是去掉了金屬隔熱裝置，簡化了恒溫槽設計，在不明顯降低性能指標的同時，與樣機產(chǎn)品相比，大大縮小了產(chǎn)品的體積，使產(chǎn)品最終由尺寸140mm×140mm×200mm，質(zhì)量800g(圖4(a))減小至尺寸99mm×88mm×55mm，質(zhì)量300g(圖4(b))，實現(xiàn)了小型化設計，原理框圖如圖2所示。

圖2 超穩(wěn)晶振設計框圖

5 測試結(jié)果分析

根據(jù)上述分析，選擇皮爾斯形式的電路作為5MHz振蕩電路，利用ADS軟件進行仿真分析。對電路的近端相位噪聲進行仿真及參數(shù)優(yōu)化，仿真結(jié)果如圖3所示。振蕩電路輸出5MHz正弦信號，其相位噪聲為-125.0dBc/Hz@1Hz和-141.5dBc/Hz@10Hz。

圖3 5MHz振蕩電路仿真

基于上述分析，設計研制的小型化USO產(chǎn)品實物如圖4(b)所示，體積較原工程樣機(如圖4(a))體積大幅減小。利用TSC5120(含內(nèi)置源)進行測試，結(jié)果如圖5所示，產(chǎn)品短期頻率穩(wěn)定度為1.86×10-13/0.4s、2.11×10-13/1s、3.28×10-13/10s、8.61×10-13/100s，相位噪聲為-129.4dBc/Hz@1Hz和-147.0dBc/Hz@10Hz。與樣機指標(短期穩(wěn)定度為3.29×10-13/1s和1.68×10-13/10s，相位噪聲為-121.6dBc/Hz@1Hz和-133.8dBc/Hz@10Hz)相比，小型化產(chǎn)品1s級穩(wěn)定度稍有提升，10s級穩(wěn)定度稍有降低；對于相位噪聲，小型化產(chǎn)品整體較樣機提升明顯。

(a)140mm×140mm×200mm

(a)短期穩(wěn)定度

受限于TSC5120內(nèi)置源的近端相位噪聲限制，最終選取了2臺性能相近的參考源1#和2#與研制的USO產(chǎn)品3#進行兩兩互測，規(guī)定2臺參考源的相位噪聲為L1(f)和L2(f)，研制的USO的相位噪聲為L3(f)，則L12(f)為2個參考源互測結(jié)果，L13(f)為參考源1#與研制產(chǎn)品互測結(jié)果，L23(f)為參考源2#與研制產(chǎn)品互測結(jié)果。三源循環(huán)比對測量方法中盡量保證測試時間和環(huán)境等的一致性。

根據(jù)三源循環(huán)比對測量方法，可按式(9)～式(11)計算各頻率源相位噪聲測試指標

L1(f)=

(9)

L2(f)=

(10)

L3(f)=

(11)

測試數(shù)據(jù)如表1所示，經(jīng)過計算，研制的USO產(chǎn)品相位噪聲為-130.4dBc/Hz@1Hz和-147.2dBc/Hz@10Hz，100Hz～100kHz相位噪聲指標受限于被測參考源。同時，在不進行測試數(shù)據(jù)修正的情況下，研制的USO用TSC5120內(nèi)置源測試1Hz相位噪聲受限，10Hz～100kHz相位噪聲測試較為準確[14]。

表1 三源循環(huán)比對測試結(jié)果

6 結(jié)論

本文主要從低噪聲電路設計、高精度控溫電路、小型化等方面開展了國產(chǎn)宇航用小型化超穩(wěn)定晶體振蕩器設計研制。通過對產(chǎn)品進行仿真分析及實測，在相位噪聲及短期穩(wěn)定度指標上取得了較好的結(jié)果，達到了國內(nèi)領先水平，具有較高的宇航應用價值。當然，超穩(wěn)晶振產(chǎn)品仍有提升空間，可從以下方面開展工作：1)小型化后續(xù)可以考慮從電路集成化方面進一步提升；2)進一步優(yōu)化電路設計，提高控溫性能，開展測試及研究，秒級穩(wěn)定度可優(yōu)于1.5×10-13。