高频高稳恒温晶体振荡器设计
摘要：本文采用低频高稳振荡与低噪声倍频相结合的方法，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。 关键词：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
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。
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低频振荡采用两级控制电路，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-1
2／100s，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。
参考文献
[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．
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议