晶振相噪分析及抗振設(shè)計

1、<p>　　晶振相噪分析及抗振設(shè)計</p><p>　　[摘 要]目前，高穩(wěn)定的晶體振蕩器已在高精度的通信和雷達(dá)系統(tǒng)中廣泛使用。隨著雷達(dá)和微波通信系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展， 系統(tǒng)指標(biāo)的要求也隨著逐漸提高， 對參考源的頻譜純度的要求尤為突出。 因此，低相位噪聲、高穩(wěn)度、高可靠性信號源的研制以及其性能測試成為系統(tǒng)發(fā)展的重要內(nèi)容。 </p><p>　　[關(guān)鍵詞]晶體振蕩器；相位噪聲；減振器

2、 </p><p>　　中圖分類號：TH578.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2015）14-0356-01 </p><p><b>　　0 引言 </b></p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，晶體振蕩器的性能也發(fā)生了很大的優(yōu)化。在微波通信和雷達(dá)系統(tǒng)中，參考源最早采用的是磁控管振蕩器，由于工作電壓高，供電種類多，且

3、其頻率穩(wěn)定度只能達(dá)到10量級，遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代雷達(dá)的需要。隨著晶體振蕩器的不斷發(fā)展它的穩(wěn)定度能達(dá)到 10-11以上，高穩(wěn)定的晶體振蕩器已被高精密的雷達(dá)系統(tǒng)廣泛的采用。晶體振蕩器在實(shí)際的應(yīng)用中受到各種環(huán)境條件的影響。面對空間技術(shù)發(fā)展的需要，如何降低或消除加速度對晶振的影響，已成為壓電晶體器件研制中的重要課題。 </p><p>　　1 晶體振蕩器相位噪聲的分析 </p><p>　　相位噪聲是

4、晶體振蕩器主要的技術(shù)指標(biāo)之一，它對通信和雷達(dá)設(shè)備的性能好壞有著很大的影響，所以對晶振相位噪聲的研究在高穩(wěn)定低相噪晶體振蕩器的設(shè)計中的主要考慮因素之一。晶體振蕩器的指標(biāo)包括有噪聲指標(biāo)和非噪聲指標(biāo)，其中噪聲指標(biāo)是最主要的，非噪聲指標(biāo)可以在解決噪聲指標(biāo)的同時一并考慮。對相位噪聲的分析可以充分發(fā)揮晶體、晶體三極管的低噪聲特性，使晶體振蕩器達(dá)到所要求的噪聲指標(biāo)。 </p><p>　　噪聲是存在于電路內(nèi)部的一種固有的擾動信

5、號，它是由于組成電路器件的材料的物理性能以及為溫度等原因引起電荷載流子運(yùn)動發(fā)生的不規(guī)則變化而引起的結(jié)果。噪聲是一種隨機(jī)信號，在任一瞬間不能預(yù)知其精確大小，噪聲在電路中總是同有用信號混同在一起，是極其有害的。低相位噪聲的設(shè)計必須通過分析噪聲的特性及其在電路中的規(guī)律，合理選取元器件，才能控制噪聲，降低噪聲，提高電路的抗噪聲能力。晶體振蕩器的相位噪聲是指各種隨機(jī)噪聲所造成的瞬時頻率或相位的起伏，它決定高穩(wěn)定晶振的短期頻率穩(wěn)定度，可以用頻域表示

6、和時域表示兩種方法對相位噪聲進(jìn)行表征，二者是可以互相轉(zhuǎn)換的。頻域表示是用相對頻率（或相位）起伏的單邊功率譜密度表示。在振動條件下，測得的信號源的相位噪聲發(fā)生極大的惡化，在原理上是振動對信號的相位調(diào)制，采取適當(dāng)?shù)臏p振措施后晶振相位噪聲的惡化將有所改善。 </p><p>　　2 加速度對晶振的影響及減振器的設(shè)計優(yōu)化 </p><p>　　2.1加速度對晶振的影響機(jī)理 </p>

7、<p>　　晶振在實(shí)際的工作中，因外部環(huán)境產(chǎn)生的振動、離心和沖擊條件，通常歸結(jié)為加速度的影響。晶振在加速度的條件下，其頻率的相對變化與所受加速度的大小成正比。通常都認(rèn)為晶振頻率的變化主要由晶體產(chǎn)生。晶體是一種機(jī)電耦合器件，它在電路中工作時將機(jī)械振動轉(zhuǎn)換為電振蕩。加速度會使晶片變形而引起頻率變化，這種使晶片變形產(chǎn)生頻率變化的原因又分為兩種：一是完全由晶片尺寸變化引起的線形部分，另一是由變形的壓電材料非線形彈性引起的非線形部分。經(jīng)

8、過大量試驗(yàn)證明，晶體在不同方向上受加速度影響是不一樣的，這與晶片受力的方向和支架結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。加速度垂直與晶片方向時，對頻率的影響很大，其它方向影響較小，就是說，AT 切晶體的加速度敏感度幾乎是在垂直與晶片的方向上。然而，SC 切晶體卻不相同，它在沿晶片垂直方向和沿晶片平面方向的加速度敏感度差不多，即 SC 切晶體的加速度敏感度方向，既不接近于晶片的垂直方向，也不接近于晶片的平面方向。在晶振的加速度試驗(yàn)中，按規(guī)定都要進(jìn)行三個相互垂直方向

9、的試驗(yàn)，長期以來都認(rèn)為是因晶體在各個方向加速度影響不同而規(guī)定的。實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果表明，晶振三個方向受加速度影響的情況與晶體的規(guī)律不完全符合，這還與</p><p>　　2.2減振器的設(shè)計 </p><p>　　阻尼減振就是將振動能轉(zhuǎn)化成熱能耗散出去，從而達(dá)到減振的目的，其方法是依靠提高機(jī)械結(jié)構(gòu)阻尼（材料阻尼、結(jié)構(gòu)阻尼、接觸阻尼）來降低或消除機(jī)械振動以及提高機(jī)械的動態(tài)穩(wěn)定性。在阻尼減振技術(shù)中，性

10、能良好的粘彈阻尼材料與合理的結(jié)構(gòu)阻尼設(shè)計方法及正確應(yīng)用是取得良好阻尼減振設(shè)計效果的三要素。這三個要素在阻尼減振中缺一不可。根據(jù)晶振的結(jié)構(gòu)，文中采取了阻尼墊的方案。阻尼墊是按照一定的設(shè)計要求預(yù)先制成的具有一定幾何形狀的簡單阻尼元件。它適用于剛性較好的整體結(jié)構(gòu)中，在使用中一般都安置在被減振設(shè)備與固定基座之間，靠設(shè)備的固定螺釘連接。阻尼墊減振結(jié)構(gòu)如圖1所示。 </p><p>　　2.3減振器的優(yōu)化 </p>

11、;<p>　　（1）減振方式設(shè)計： </p><p>　　采用兩級減振的方式，第一級減振選用質(zhì)量比鋁板大的不銹鋼板作底板，目的是提高第一級的減振效果；第二級減振是對重點(diǎn)要減振的電路板進(jìn)行減振，目的是減少電路板振動引起電性能變化。 </p><p><b>　?。?）電路設(shè)計： </b></p><p>　　簡化電路設(shè)計，減小電路板

12、尺寸，以減小其質(zhì)量；電路布線采用微帶線；器件盡量采用表貼器件；對振動敏感的器件，采取大面積接地，使其與印制板緊貼；電路板設(shè)計時預(yù)留出可增加減振墊片的位置，以便調(diào)節(jié)第二級的減振效果。 </p><p><b>　?。?）結(jié)構(gòu)設(shè)計： </b></p><p>　　第二級減振中需要給電路板加裝橫向鋁支撐板，以提高電路板自身的剛度，防止電路板自身顫動引起電性能的變化；結(jié)構(gòu)設(shè)計

13、中橫向鋁支撐板預(yù)留出可增加減振墊片的位置，以便調(diào)節(jié)減振效果。 </p><p>　?。?）墊片數(shù)目選擇及減振點(diǎn)位置設(shè)置： </p><p>　　第一級減振的減振點(diǎn)位置按照對稱分布的原則進(jìn)行設(shè)置，結(jié)構(gòu)設(shè)計時不銹鋼板預(yù)留出可增加減振墊片的位置，以便調(diào)節(jié)第一級減振效果。第二級減振的減振點(diǎn)位置按照對稱分布的原則進(jìn)行設(shè)置，電路板設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計預(yù)留了可增加減振墊片的位置，以便調(diào)節(jié)第二級減振效果。 &l

14、t;/p><p><b>　　3 結(jié)語 </b></p><p>　　本文在對晶振相位噪聲分析的基礎(chǔ)上，闡述了加速度對晶振的影響，并對減震器的設(shè)計及優(yōu)化進(jìn)行了深入的分析與研究，從而大大改善了振動對晶振相位噪聲的惡化。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1]李秀華，李