一種小型化高頻高穩(wěn)定恒溫晶振的研制

一種小型化高頻高穩(wěn)定恒溫晶振的研制

1z晶振的方法選擇隨著雷達和航空航天技術(shù)的發(fā)展，模型任務(wù)對晶體振蕩器頻率源的要求越大，頻率越高，同時需要高的頻率穩(wěn)定度和低相位噪聲。頻率高至100MHz以上的晶振常稱甚高頻晶振,目前在軍品級成熟產(chǎn)品中,國內(nèi)還沒有超過100MHz以上的恒溫晶振;國外此類軍品級產(chǎn)品一般價格非常高,又屬禁運產(chǎn)品,不能直接應(yīng)用。因此需要自主研發(fā)才能滿足型號任務(wù)的需求。在理論上,設(shè)計200MHz晶振主要有三種方法:(1)在主振電路中直接采用200MHz諧振器產(chǎn)生200MHz的振蕩信號。此種方法電路簡單,所用元器件少。但國內(nèi)生產(chǎn)的200MHz晶體諧振器普遍存在可靠性和穩(wěn)定性差,不易加工的特點,而從國外進口的諧振器由于在技術(shù)指標(biāo)的協(xié)調(diào)上缺少溝通,經(jīng)過大量的試驗證明,往往因為泛音次數(shù)多、等效電阻大等缺點不容易起振。(2)用低相噪5MHz或10MHz的成熟產(chǎn)品作為基準頻率源,通過多次倍頻獲得所需信號。此種方法容易實現(xiàn)電性能指標(biāo),但是電路復(fù)雜,所用元件多,相噪損失嚴重,不能實現(xiàn)低相位噪聲和小型化的要求。(3)采用100MHz諧振器作為主振元件,通過一級倍頻產(chǎn)生輸出信號。這種方法與第二種方法相比電路簡單,但是振蕩頻率高、噪聲影響大、頻率穩(wěn)定度指標(biāo)較低。因此,如何降低噪聲對晶振的影響,改善頻率穩(wěn)定度成為這種方法的主要問題及難點。本文在原理上采用了這種方案。2高、低亮穩(wěn)定的新型高性能晶振的設(shè)計2.1過濾器輸出波的信號方案2200MHz恒溫晶振的電路原理框圖如圖1所示,由低噪聲放大器和晶體諧振器組成的振蕩級產(chǎn)生100MHz的振蕩信號,經(jīng)過一級放大倍頻電路獲得所需的200MHz正弦波,這樣產(chǎn)生的波形諧、雜波抑制不好,因此這里增加了一個無源窄帶濾波器進一步抑制輸出信號中的次諧波和雜波信號。直流放大式控溫電路采用電阻絲加熱的方式對放有振蕩級的槽體進行加熱。2.1.1等效電路的設(shè)計晶體振蕩器振蕩頻率的穩(wěn)定性,主要依靠石英諧振器的高Q值。為提高振蕩頻率的穩(wěn)定性,采用了J3封裝的100MHzAT切冷壓焊晶體,利用此晶體的高Q值及好的老化特性來保證振蕩器的老化率在1×10-8/d之內(nèi),同時為了盡量保持晶體Q值在電路中不受影響,這里選用了改進型的皮爾斯振蕩電路,等效電路如圖2所示。該電路Q值很高,為獲得低噪聲創(chuàng)造了有利條件。由此可以看出整個振蕩級的電路非常簡單,所用的元器件也非常少。這樣做的目的不僅能把整個振蕩級放在小小的恒溫槽中,而且最大限度的減小了主振電路的附加噪聲,這是減小相位噪聲的有效措施。2.1.2共射一方基放大器在放大電路中,晶體管的內(nèi)部反饋會使振蕩器頻率穩(wěn)定度變差,為了減小內(nèi)反饋的影響,選用如圖3所示的共射一共基放大器。該復(fù)合管內(nèi)反饋導(dǎo)納比單管小二到三個數(shù)量級,功率增益比單管共射組態(tài)大3dB左右。這樣既滿足了輸出幅度大的要求,同時又減小了前后級的相互影響,符合小型化的設(shè)計思想。更重要的是共射—共基電路與單管共射電路相比上限截止頻率提高7倍左右,從而進一步減小了放大級的分配噪聲。2.1.3放大電路pn結(jié)電容非線性動力系統(tǒng)倍頻電路采用適合超高頻段工作的晶體管參量倍頻電路。利用放大電路PN結(jié)電容的非線性變化,得到輸入信號頻率的諧波,經(jīng)兩級選頻回路獲得倍頻。這種倍頻電路有工作頻率高、輸出功率大、所用元件少、引入噪聲低等優(yōu)點。2.1.4裝調(diào)試工藝溫度控制電路選用直流放大式控溫電路,該電路具有體積小、造價低、安裝調(diào)試工藝簡單和對晶體振蕩信號無干擾等優(yōu)點?？販仉娐酚秒娮杞z加熱的方式對槽體進行加熱,用這種方法加熱時,槽溫較均勻,而且可以通過電阻絲不同的繞制方式,對槽內(nèi)溫度的非均勻分布進行矯正,提高恒溫槽質(zhì)量。2.2發(fā)射極電流的設(shè)計主振電路、放大電路和倍頻電路中,晶體管的噪聲都會影響晶振的頻率穩(wěn)定度。而管子的熱噪聲、散彈噪聲和分配噪聲均與發(fā)射極電流的大小有關(guān),可以證明,為獲得好的頻譜純度,發(fā)射極電流有一最佳值。根據(jù)試驗電路的具體參數(shù),我們將低噪聲管的發(fā)射極電流設(shè)置為2mA左右。實現(xiàn)低相位噪聲要選用高β,高截止頻率的低噪聲管,經(jīng)過篩選我們選用了小型陶瓷封裝的微波管MRF573。為了進一步減小電路板的體積,所有的電阻電容都選用0805表面貼裝的元件。2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計在超高頻恒溫晶振的設(shè)計中,結(jié)構(gòu)對晶振的性能有很大的影響。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)盡量避免引起串?dāng)_、電磁輻射等干擾。2.3.1結(jié)構(gòu)支撐板的結(jié)構(gòu)特點適應(yīng)于小型化的要求,我們選擇了重量輕的鋁作材料,并以表面導(dǎo)電涂覆的工藝來彌補鋁板導(dǎo)電性能的不足。為了最大限度的減小晶振的重量,我們利用溫控電路板和放大倍頻電路板作為整個結(jié)構(gòu)支撐板,如圖4所示。圖中除外蓋外,結(jié)構(gòu)的頂蓋、上蓋、框和下蓋都盡量銑薄。晶振外殼采用強度較高的黃銅板彎角焊接成型。該晶振總重量小于160g。1.主振電路板;2.溫控電路板;3.放大倍頻電路板;5.保溫筒底;6.保溫筒蓋;7.外殼;8.框;9.頂蓋;10.外蓋;11.上蓋;12.下蓋;14.螺釘M2×4;15.螺釘M2×5;16.插座SMA-KFD2.3.2加熱加熱處理通常來說,雙層恒溫結(jié)構(gòu)可以減小電路參數(shù)引起的頻率變化,但雙層恒溫晶振的體積一般都較大,無法滿足小型化的要求。經(jīng)過反復(fù)研究和大量的試驗,我們采用將整個主振電路板放入恒溫筒的加熱方法。該方法不僅可將體積縮小,還能有效的把主振信號屏蔽起來,以減小其空間輻射對輸出信號的干擾。同時對電磁兼容起到一定的改善作用。3測試結(jié)果3.1表1顯示了無性系位測量測試的結(jié)果3.2相位噪聲曲線如圖5和圖6所示。測試結(jié)果如表2所示由測量數(shù)據(jù)可以看出該晶振在滿足小型化的前提下,實現(xiàn)了高頻高穩(wěn)定的設(shè)計。4熱封晶振的尺寸該超高頻恒溫晶振的外形尺寸是40mm×40mm×75