高频高稳恒温晶体振荡器
设计
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Summary：本文采用低频高稳振荡与低噪声倍频相结合的
方法
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，并进行精密控温设计，研制了一种高频高稳恒温晶体振荡器，输出频率为100MHz，短期频率稳定度可以实现2．68E-13／s，2．54E-12／100s，老化率优于7E-11／d，谐波优于-50dBe。经随机振动、冲击和温度冲击等环境试验考核，晶振试验前后频率变化均小于±5E-9，可以很好地满足多领域应用对高频高稳定信号源的需求，可靠性高，有利于简化系统构成，缩小设备体积。Keys：高频；短期频率稳定度；老化率；恒温晶体振荡器恒温晶体振荡器作为系统的基准频率源，广泛应用于导航、制导和空间探测等领域中。随着系统探测精度的不断提高，对恒温晶体振荡器的短期频率稳定度和老化率提出更高要求；而由于高速电路和系统小型化要求，对高频高稳恒温晶体振荡器产生了较大的需求。对于输出频率达到100MHz的高频晶体振荡器，通过石英谐振器直接振荡，频率稳定度可达到2E-12／s，而要实现E-13量级则较为困难，还不能满足一些领域的应用需求。本文采用IOMHz低频振荡并进行倍频的方式，结合精密控温设计，研制了100MHz高频高稳恒温晶体振荡器，测试结果
表
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明，该晶振具有优异的短期频率稳定度和老化率。2高频高稳晶体振荡器设计2．1总体技术
方案
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理想情况下，倍频不会影响到晶体振荡器的短期频率稳定度，因此，对于追求优异短期频率稳定度的情况，高频高稳恒温晶振多采用高稳晶振结合锁相倍频，或低频振荡直接倍频的方案。其中，采用锁相方案的晶振噪底较好。但锁相环路较为复杂，且易受到环路器件性能的限制和其他附加噪声的影响；直接倍频方式虽然会抬高噪底，但是具有良好的近端相位噪声，且电路形式简单，适用于对秒级和百秒级短期频率稳定度要求较高的场合。振荡电路部分采用10MHz高Q值石英谐振器形成稳定的振荡，信号经放大后，通过低噪声倍频、放大、滤波，得到纯净的100MHz高频高稳振荡信号。同时，为减小环境温度变化对晶体振荡器频率的影响，设计了精密控温电路和恒温结构，将石英谐振器及温度敏感器件安装在恒温槽或控温区域内，保持其温度的恒定，提高其频率温度稳定度。设计方案中，10MHz振荡信号的短期频率稳定度是关键，我们对其进行了深入
分析
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。2．2高稳定振荡电路设计振荡电路是产生振荡频率的核心电路，是实现优异短期频率稳定度和低老化率的关键。设计采用Colpitts电路。该电路中，信号从集电极输出，可明显减小后级对振荡回路的影响，改善晶体振荡器的频率负载允差，提高频率稳定度。所用石英谐振器为10MHzSC切三次泛音真空冷压焊封晶体，Q值可达1．2×106，在电路中工作在并联谐振状态，与变容二极管串联，可以方便地调节输出频率。2．3低噪声倍频电路设计理想情况下，n次倍频后，信号相位噪声恶化2019n。而实际上，倍频电路还会引入包括闪烁噪声、调幅一调相(AM—PM)变换引起的噪声、过度激励时引起的噪声、热噪声等在内的附加噪声，使得倍频后信号的相位噪声在理论值的基础上再恶化(1—3)dB。因此，需要选择合理的倍频电路，并恰当设置电路工作状态，以降低倍频器引入的噪声。2．4精密控温设计及热仿真分析精密控温设计的目的是当外部环境温度变化时，晶体振荡器的输出频率等特性保持稳定。这不仅有利于改善晶体振荡器的频率温度稳定性，对实现优异的短期频率稳定度，也具有非常重要的作用。在恒温结构设计中，将石英谐振器和振荡电路置于恒温槽内，由功率管进行加热，并适当选择热敏电阻位置，使其可以较为准确地反映石英谐振器的温度。恒温槽采用铝材料，具有大的比热容和热导率，不仅有利于减小槽内热梯度，使热分布更为均匀；也有效提高恒温结构热容量，减小温度波动。控温电路采用两级比例积分(PI)控制电路，可实现无差控温，从而提高控温精度，包含热敏电阻桥式测温电路、第一级PI放大电路、高增益运算放大器N1、功率管N2和电阻R1～R5采用两级控制电路，可降低电源电压波动的影响，结合振荡电路部分电源稳压设计，进一步提高晶体振荡器的频率电压稳定性。3产品制作及测试采用上述电路方案实际制作了100MHz高频高稳恒温晶振，体积为50mm×50mm×30mm，晶振输出功率为11．3dBm，谐波优于-50dBe，稳定功耗小于2W(@25。C)。采用8607超稳晶体振荡器作为参考源，用5125A测试系统测试了晶体振荡器的短期频率稳定度，短期频率稳定度(阿伦方差)为2．68E-13／1S，2．54E-12／100s。测量得到晶体振荡器的老化率为+7E-11／d，在温度范围-40℃～+70℃内测得晶振的频率温度稳定度为±6．9E-9，测试结果如图12所示。将恒温晶振进行正弦振动、随机振动、冲击和温度冲击等多项环境试验考核。结果表明，晶振试验前后频率变化均小于±5E-9，性能稳定，可靠性高。短期频率稳定度(阿伦方差)测试结果4结束语针对高频高稳恒温晶体振荡器的需求，在对短期频率稳定度分析的基础上，设计了低频高稳振荡电路，并结合精密控温设计，得到高稳定IOMHz信号。并在此基础上进行低噪声直接倍频，得到100MHz高频高稳恒温晶振。短期频率稳定度达到2．68E-13／s，2．54E-12／100s，老化率优于7E-ll／d，行性，溯源方法可推广应用至各种光谱辐亮度计的辐亮度定标。Reference[1]邹鹏，郑小兵，吴浩宇，等．基于陷阱探测器的辐亮度探测器定标方法研究[J]．光学学报，2013，33(7)：0712002．[2]赵维宁，方伟，姜明，等．用于光谱基准定标传递技术的传递辐射计研究综述[J]．光谱学与光谱分析，2016，36(9)：2984—2990．[3]王玉鹏，胡秀清，王红睿，等．可在轨溯源的太阳反射波段光学遥感仪器辐射定标基准传递链路[J]．光学精密工程，2015，23(7)：1807—1812．[4]李健军，孟凡刚，夏茂鹏，等．太阳辐射计实验室定标方法[J]．大气与环境光学学报，2015，10(4)：333—342．[5]赵维宁．高精度可溯源sI在轨绝对光谱辐亮度定标传递链路研究[D]．长春：中国科学院大学，2016．、[6]杨小虎，王淑荣，曲艺，等．基于绝对辐亮度计定标的积分球紫外光谱辐射特性研究[J]．中国激光，2011，38(10)：108007． -全文完-
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