基于高q值頻率源的頻率源小型化和高穩(wěn)定化

基于高q值頻率源的頻率源小型化和高穩(wěn)定化

1saw穩(wěn)頻源無(wú)噪聲噪聲低、頻率純、噪聲低、體積小的saw磁共振掃描儀是現(xiàn)代信息行業(yè)高頻地震的重要源。最新的sawr試驗(yàn)結(jié)果為10hz和15hz（1997年前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為3.3ghz），可用頻率非常大。相同的亞微芯片制造技術(shù)可以以相同的微分速度比其他來(lái)源設(shè)備快。q值的合理設(shè)計(jì)意味著壓控器（rco）和點(diǎn)頻器是現(xiàn)代信息行業(yè)的一個(gè)非常重要的信號(hào)頻率來(lái)源。基于多點(diǎn)頻的穩(wěn)頻源是雷達(dá)、電子對(duì)抗、微波通信、遙測(cè)、遙控等領(lǐng)域的重要器件.在光纖通信中,是模式轉(zhuǎn)換型光分插復(fù)用器的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)器.對(duì)SAW穩(wěn)頻源的研究從現(xiàn)有的技術(shù)情報(bào)可以看到,該方向是國(guó)際上研究的一個(gè)熱點(diǎn).與VCO不同,多點(diǎn)頻源往往需要定做,國(guó)際上定做周期很長(zhǎng).考慮國(guó)內(nèi)信息行業(yè)當(dāng)前需大量使用多點(diǎn)頻源,研制高穩(wěn)定的多點(diǎn)頻源在當(dāng)前具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義.2聲表面波諧振器最大插損數(shù)額的確定,c雙端SAW諧振器的一對(duì)叉指換能器置于由一對(duì)反射柵組成的腔體中.振蕩條件是環(huán)路的相移必須滿足:φR+φE=2πn(1)其中n為整數(shù),φE為振蕩電路中由于放大器和相移器引起的附加相移,φR為聲表面波諧振器群延遲引起的相位移偏.諧振器的群延遲為:τg=QL/(πf0)(2)QL代表在反饋環(huán)路中聲表面波的有載Q值由定義可得到:Δf0=(1/2πτg)ΔφE(3)由式(2)和(3)可得到振蕩頻率跟蹤相位的變化的關(guān)系:Δf0=(f0/2QL)ΔφE(4)在諧振頻率處,插損達(dá)到最小值,而相位斜率dφ/df達(dá)到最大值.由式(4)可見(jiàn),當(dāng)振蕩電路發(fā)生相移時(shí),振蕩電路的頻率將發(fā)生改變.這也可以看出,電路的相位噪聲將影響頻率穩(wěn)定度.高Q器件是保證振蕩器具有良好相位噪聲的最關(guān)鍵的因素.要提高SAWR的Q值,需要使器件盡可能少地向諧振腔外耗散聲能.圖1為聲表面波諧振器的反射柵條在掃描電鏡下的圖片,可以看到,反射柵條反射邊緣并不是光滑的直線,有很多缺陷,這些缺陷將表面波向諧振腔外反射.所以要設(shè)計(jì)高Q器件,需要設(shè)計(jì)合理的孔徑.采用溝槽結(jié)構(gòu)能得到最高的Q值,但工藝復(fù)雜.文報(bào)道了采用淺溝槽反射柵,在ST石英上,制成的152MHz的SAW諧振器的最高Q值為15000,這些年的研究也沒(méi)有更高指標(biāo)的報(bào)道,采用金屬反射柵的報(bào)道一般小于10000.采用金屬反射柵具有成本低的優(yōu)點(diǎn),本文采用金屬反射柵.設(shè)計(jì)高性能諧振器的有力工具是耦合模理論,在該方法中加入一些二階效應(yīng)項(xiàng)可以非常精確地得到器件的性能曲線,通過(guò)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)可以得到較好的實(shí)際器件性能.圖2為采用耦合模方法得到的理論148MHzSAW諧振器的幅頻和相頻理論響應(yīng)曲線.實(shí)際制成的148MHz雙端諧振器的頻率響應(yīng)等器件參數(shù)由HP8753B網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)定,圖3(a)和(b)分別為SAWR的幅頻和相頻特性曲線.表1列出了SAWR的電特性數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)是器件未經(jīng)匹配時(shí)的測(cè)量結(jié)果.在主諧振峰-15dB帶寬內(nèi)沒(méi)有橫向模式(一般有橫向模式),主諧振峰的插損比第二諧振峰的插損高約8dB,器件具有很高Q值(無(wú)載Q值18236,有載Q值15000),據(jù)掌握的資料,現(xiàn)在尚沒(méi)有采用金屬反射柵結(jié)構(gòu),在這個(gè)頻率段達(dá)到該指標(biāo)的報(bào)道,器件的綜合性能指標(biāo)很高.3采用mmic小型高穩(wěn)振蕩電路影響電路相位噪聲的關(guān)鍵器件是SAWR,移相器和環(huán)路放大器.器件的相位噪聲與諧振電路的相位噪聲是不同的,但是器件的相位噪聲越小則電路的穩(wěn)定性就越高,所以這里測(cè)量了器件的相位噪聲.圖4是器件的相位噪聲測(cè)試連接圖和曲線.可以看到,器件的相位噪聲很低,偏離載頻10Hz處的單邊帶功率譜密度小于-120dB.這樣,只要保證振蕩電路其它的調(diào)頻元件的相位噪聲足夠低,就可以使整個(gè)電路的噪聲保持在很低的水平上.與常規(guī)的微波振蕩電路不同的是,該種電路要考慮SAWR的等效電路,也就是說(shuō)要與換能器的插指電容的容抗相匹配.本文通過(guò)精心地對(duì)原理圖和版圖的設(shè)計(jì),研制了一種采用MMIC小型高穩(wěn)振蕩器.圖5(a)是采用高穩(wěn)采集系統(tǒng)連續(xù)采集600個(gè)點(diǎn)的頻漂曲線.縱坐標(biāo)為某一個(gè)中頻(不是頻率漂移),橫軸時(shí)間單位是秒.從該圖可以看到10分鐘不超過(guò)10Hz,頻率穩(wěn)定度在10-8到10-7之間.由于SAW采用ST石英,該基片在室溫時(shí)的延遲溫度系數(shù)為零,這就保證了器件有很好的溫度穩(wěn)定性.圖5(b)是采用多點(diǎn)頻并有下變頻要求時(shí)的結(jié)構(gòu),有四個(gè)點(diǎn)頻振蕩器,通過(guò)一個(gè)公共的本振(圖中最下一個(gè)器件為頻控元件)進(jìn)行下變頻.為使結(jié)構(gòu)緊湊,研制了獨(dú)特的圓形結(jié)構(gòu).由于有下變頻的要求,并考慮抑制干擾的問(wèn)題,結(jié)構(gòu)上將各單元進(jìn)行了相互之間的屏蔽.對(duì)不同的頻率,只要更換不同頻率的SAWR即可,調(diào)節(jié)元件只有一個(gè),所以通用性很強(qiáng),調(diào)試十分方便.4視頻采集板的設(shè)計(jì)對(duì)有些重要場(chǎng)合,為保證多點(diǎn)頻源工作的可靠性,這里還采用了頻率監(jiān)控技術(shù).當(dāng)前對(duì)頻率信號(hào)采集系統(tǒng)(硬件和軟件)十分缺乏,多為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)采集系統(tǒng),這些采集系統(tǒng)沒(méi)有實(shí)時(shí)測(cè)頻的功能,為此這里研制了頻率信號(hào)采集系統(tǒng),可對(duì)多達(dá)10路的信號(hào)進(jìn)行采集,而且采樣是同時(shí)采樣,最高采樣頻率達(dá)8.5MHz(采集下變頻后的信號(hào)),頻率分辨率可精確為0.5Hz.由于采用了獨(dú)特的參考時(shí)鐘互補(bǔ)技術(shù),使采集板本身的頻率穩(wěn)定性達(dá)到10-9(不采用時(shí)鐘互補(bǔ)技術(shù)的穩(wěn)定性為10-7),該采集系統(tǒng)可代替10個(gè)“同時(shí)使用”的頻率計(jì),(每個(gè)頻率計(jì)還要單配與計(jì)算機(jī)之間的接口卡,這種接口卡本身不能測(cè)頻),采集多路時(shí)用頻率時(shí)成本高而且很不方便.該類采集系統(tǒng)目前尚沒(méi)有報(bào)道.中頻信號(hào)通過(guò)耦合器進(jìn)入采集板,可不間斷、長(zhǎng)期監(jiān)控頻率.采集可以設(shè)定采樣時(shí)間間隔,可以一個(gè)微秒(μs)采集一個(gè)點(diǎn),也可以一個(gè)小時(shí)采集一個(gè)點(diǎn).采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)形成文件,并方便地形成10條頻率漂移曲線.5采用可擴(kuò)張式小體積saw振蕩通過(guò)恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì),采用工藝要求不高的金屬反射柵結(jié)構(gòu),解決了高Q值器件的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,并研制成