引言

如今，超高頻振蕩器在通信中獲得了廣泛的應(yīng)用，如通信中繼線(xiàn)路、電視、通信導(dǎo)航以及通信遙控系統(tǒng)等。超高頻振蕩器不僅被應(yīng)用在各種通信系統(tǒng)的發(fā)送設(shè)備中，還作為接受設(shè)備的本機(jī)振蕩器并用于各種測(cè)量設(shè)備中（標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀等）。因此，對(duì)封裝小、頻率高、相噪好、壓控寬、穩(wěn)定性高的高頻晶振設(shè)計(jì)現(xiàn)在提出了更高的要求，本文給出了設(shè)計(jì)的討論意見(jiàn)。

技術(shù)指標(biāo)

晶振主要技術(shù)規(guī)格如下：

• 標(biāo)稱(chēng)頻率：622.08MHz；

• 輸出信號(hào)類(lèi)型：LVPECL；

• 占空比：45%/55%；

• 上升時(shí)間/下降時(shí)間：≤0.5nS；

• 輸出低電平：≤1.65V MAX；

• 輸出高電平：≥2.2V MIN；

• 輸出負(fù)載：50Ω；

• 輸入功率：3.3V±5%, ≤80mA；

• 相位抖動(dòng)：1pS RMS MA （12KHz~20MHz）；

• 頻率溫度穩(wěn)定度：≤±35PPM （-40℃ ~ +85℃）；

• 壓控頻率范圍：±80~±170PPM（Vc = +1.65V ± 1.35V）；

• 封裝：14mm×8.9mm×6.5mm（L×W×H）。

問(wèn)題的分析和研究

晶振的輸出頻率為622.08MHz，要求頻率高、壓控范圍寬、工作溫區(qū)范圍大、相位噪聲低、相位抖動(dòng)小、可靠性高、外形尺寸小。對(duì)于分米波段（特高頻 UHF）的輸出頻率，如果采用低頻基頻晶體鎖相高次倍頻實(shí)現(xiàn)，則很難避免相噪中遠(yuǎn)端差。高基頻晶體模擬電路低次倍頻的方法在理論上可行，但目前國(guó)內(nèi)基頻晶體一般在70MHz以下。所以，為了實(shí)現(xiàn)高頻率輸出、寬壓控范圍，此次采用三次泛音155.520MHz晶體模擬電路4次倍頻，從而實(shí)現(xiàn)高頻率輸出；采用特殊設(shè)計(jì)的電抗網(wǎng)絡(luò)電路外接晶體，改變晶體C0對(duì)牽引率的影響，實(shí)現(xiàn)寬壓控范圍。由于4倍頻要增加12dBc相位噪聲，晶體外加電抗網(wǎng)絡(luò)增加了電路復(fù)雜化，這兩者大大增加了實(shí)現(xiàn)低相位噪聲、晶振小封裝的難度。

低相位噪聲和寬壓控，溫度要求的實(shí)現(xiàn)

晶體的壓控靈敏度高即調(diào)整系數(shù)大，意味著動(dòng)態(tài) Q 值小，或頻率穩(wěn)定性差。低相位噪聲的實(shí)現(xiàn)和晶振的壓控是相互制約的。該晶振的壓控范圍寬，因而頻率要有更大的調(diào)整系數(shù)，電抗網(wǎng)絡(luò)的增加與低相位噪聲的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生矛盾，這需要通過(guò)電抗網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)選擇而在壓控和相噪之間找到平衡。

1. 石英諧振器的選擇

石英諧振器本身具有一定的溫度特性（如圖1）。它也是低相位噪聲實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，此次采用了三次泛音155.520MHz晶體，由于采用了特殊的設(shè)計(jì)，具有小電阻、高Q值、良好的寄生抑制以及很好的老化特性。

圖1 石英諧振器本身具有一定的溫度特性

2. 電路設(shè)計(jì)

振蕩電路方框圖如圖2所示。其中，主振級(jí)采用改進(jìn)型柯?tīng)柶テ濍娐罚ㄈ鐖D3）。為了減小頻偏 1kHz的相位噪聲，我們用提高信噪比的有效手段，加大了振蕩級(jí)的輸出幅度。為此振蕩級(jí)采用集電極放大輸出。此外，為降低相位噪聲，要特別注意電路元件參數(shù)的選擇和阻抗的轉(zhuǎn)換。

圖2 振蕩電路方框圖

圖3 主振級(jí)采用改進(jìn)型柯?tīng)柶テ濍娐?/p>

3. 工作狀態(tài)的選擇

通常的電路知識(shí)告訴我們，頻偏1kHz的低相位噪聲對(duì)一般電路而言都進(jìn)入了白噪聲調(diào)相，主要是熱噪聲。各級(jí)工作電流在滿(mǎn)足輸出和諧波抑制的情況下應(yīng)取最佳值，盡量減小噪聲。白噪聲源主要是晶體管，晶體管的工作點(diǎn)也特別影響晶振的頻率穩(wěn)定度。而對(duì)于高頻泛音晶體來(lái)說(shuō)，電路的激勵(lì)要大于對(duì)基頻晶體的激勵(lì)。所以我們選用高頻低噪聲管，其工作電流為 5mA~6mA。同時(shí)這也解決了電源穩(wěn)定度的要求。

4. 其它考慮

三極管的選用也很關(guān)鍵，要選用高β、高 ft 、低噪聲管子，我們這次選用的ft為12GHz,并對(duì)元器件進(jìn)行篩選和老化處理。

5. 壓控范圍的實(shí)現(xiàn)

采用三次泛音155.520 MHz石英諧振器，變?nèi)荻O管與電抗網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)在不同部位，增大了對(duì)C0的影響，再控制石英諧振器的出廠頻差，實(shí)現(xiàn)了±80PPM~±170PPM的壓控頻率范圍要求。

輸出電平的實(shí)現(xiàn)

采用高頻LVPECL門(mén)電路IC。選用門(mén)電路的過(guò)程中，要注意對(duì)IC的輸入幅度、噪底、輸出電平、占空比、負(fù)載波動(dòng)、工作電流的測(cè)試，并對(duì)器件進(jìn)行老化測(cè)試，從而實(shí)現(xiàn)要求。

信號(hào)放大、非諧振波抑制和相互隔離的問(wèn)題

該晶振采用倍頻方法達(dá)到 622.08MHz 輸出，4倍頻信號(hào)遠(yuǎn)小于初始頻率信號(hào)，對(duì)于信號(hào)的放大、非諧波抑制及相互隔離的問(wèn)題要著重注意。為此放大級(jí)采用高隔離的共集共基式，輸出采用網(wǎng)絡(luò)濾波，以抑制信號(hào)的泄漏。計(jì)算網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，非諧波抑制可達(dá)-40dBc。

可靠性研究

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，高頻晶振的可靠性測(cè)試被越來(lái)越多的使用者所重視。

1. 元器件的選用

我們選用軍品器件進(jìn)行高低溫儲(chǔ)存、熱沖擊試驗(yàn)，篩選和老化處理，以保證晶振熱性能的穩(wěn)定。

2. 石英諧振器的選用

通常，石英諧振器通過(guò)普通環(huán)境條件測(cè)試而不損壞并不困難，但要求石英諧振器在極限環(huán)境條件下性能穩(wěn)定就困難了。特別是在振動(dòng)狀態(tài)下要求振蕩器相位噪聲和短期頻率穩(wěn)定性能變化小是非常困難且難以實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)槭⒅C振器是加速度的敏感元件，人們常用石英諧振器作加速度傳感器，而在晶振中恰恰是要避開(kāi)它的敏感性，以減小振動(dòng)對(duì)振蕩信號(hào)調(diào)制引起的頻率不穩(wěn)定性和相位噪聲的增加。晶振要求石英諧振器的加速靈敏度性能指標(biāo)盡量減小，晶振也要盡量克服和避開(kāi)它對(duì)加速度的敏感性，而且泛音晶體要比基頻晶體在各個(gè)環(huán)境條件下更差。為此特別考慮了以下要求：1. 石英諧振器原料的選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)件材料選用、工藝過(guò)程的設(shè)計(jì)和實(shí)施技巧；2. 晶振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、晶體安裝方式、印制板設(shè)計(jì)和電裝工藝技巧。

測(cè)試結(jié)果

頻率溫度穩(wěn)定性

測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1、圖4，可見(jiàn)溫度穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。(單位：MHz)

表1 溫度頻率穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果

圖4 溫度頻率穩(wěn)定度

相位噪聲

相位噪聲曲線(xiàn)及抖動(dòng)見(jiàn)圖5、圖6。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2?？梢?jiàn)相噪與抖動(dòng)較好。

表2 相位噪聲測(cè)試結(jié)果

圖5 相位噪聲曲線(xiàn) 圖6 相位噪聲

信號(hào)輸出特性

信號(hào)輸出特性曲線(xiàn)見(jiàn)圖7、圖8。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

圖7 輸出信號(hào)諧波與主頻圖 圖8 頻偏100MHz外頻譜圖

壓控范圍

電壓0.3V至3.0V的頻率壓控范圍與線(xiàn)性見(jiàn)表4、圖9。

表3 信號(hào)輸出測(cè)試結(jié)果

表4 頻率壓控范圍與線(xiàn)性

圖9 頻率壓控范圍與線(xiàn)性

輸出電平

輸出波形見(jiàn)圖10。

圖10 輸出波形

輸入功率

電源電壓3.3V的輸入電流見(jiàn)表5，可見(jiàn)功耗較小。

表5 電源電壓3.3V的輸入電流

表6 振動(dòng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表7 沖擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表8 跌落實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)



環(huán)境條件測(cè)試

環(huán)境條件下的振動(dòng)、沖擊、跌落測(cè)試見(jiàn)表6，可見(jiàn)可靠性較高。以下為試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：

• 溫度沖擊：溫度范圍：-40℃~85℃ 保存時(shí)間：30min 循環(huán)次數(shù)：6 次

• 振動(dòng)（破壞性的）：依次按X、Y、Z三個(gè)互相垂直的方向試驗(yàn)，振幅為0.75mm，頻率為10Hz~55Hz，每個(gè)軸向掃描振動(dòng)各30分鐘。

• 沖擊（破壞性的）：依次按X、Y、Z三個(gè)相互垂直的方向試驗(yàn)，峰值加速度為1000m/s2，持續(xù)時(shí)間6ms，每個(gè)方向沖擊3次，波形為半正弦波。

• 跌落（破壞性）：晶體振蕩器從高75cm處自由跌落到混凝土平滑表面上，重復(fù)3次。

結(jié)束語(yǔ)

該晶振體積小、相噪好、壓控寬、頻譜優(yōu)、可靠性高。在遠(yuǎn)程中繼通信中，由于有可能產(chǎn)生銳定向輻射，因而使用此高頻晶振可以保證用較小的發(fā)射機(jī)功率實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信并大大降低鄰近通信線(xiàn)路之間的相互干擾及減小竊聽(tīng)通信的危險(xiǎn)，適合通信系統(tǒng)中的中繼系統(tǒng)通信要求。