1、晶振相噪分析及抗振设计摘 要目前，高稳定的晶体振荡器已在高精度的通信和雷达系统中广泛使用。随着雷达和微波通信系统技术的不断发展， 系统指标的要求也随着逐渐提高， 对参考源的频谱纯度的要求尤为突出。 因此，低相位噪声、高稳度、高可靠性信号源的研制以及其性能测试成为系统发展的重要内容。 关键词晶体振荡器；相位噪声；减振器 中图分类号：TH578.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）14-0356-01 0 引言 随着科学技术的迅猛发展，晶体振荡器的性能也发生了很大的优化。在微波通信和雷达系统中，参考源最早采用的是磁控管振荡器，由于工作电压高，供电种类多，且其频率稳定度只能达
2、到 10 量级，远不能满足现代雷达的需要。随着晶体振荡器的不断发展它的稳定度能达到 10-11以上，高稳定的晶体振荡器已被高精密的雷达系统广泛的采用。晶体振荡器在实际的应用中受到各种环境条件的影响。面对空间技术发展的需要，如何降低或消除加速度对晶振的影响，已成为压电晶体器件研制中的重要课题。 1 晶体振荡器相位噪声的分析 相位噪声是晶体振荡器主要的技术指标之一，它对通信和雷达设备的性能好坏有着很大的影响，所以对晶振相位噪声的研究在高稳定低相噪晶体振荡器的设计中的主要考虑因素之一。晶体振荡器的指标包括有噪声指标和非噪声指标，其中噪声指标是最主要的，非噪声指标可以在解决噪声指标的同时一并考虑。对相
3、位噪声的分析可以充分发挥晶体、晶体三极管的低噪声特性，使晶体振荡器达到所要求的噪声指标。 噪声是存在于电路内部的一种固有的扰动信号，它是由于组成电路器件的材料的物理性能以及为温度等原因引起电荷载流子运动发生的不规则变化而引起的结果。噪声是一种随机信号，在任一瞬间不能预知其精确大小，噪声在电路中总是同有用信号混同在一起，是极其有害的。低相位噪声的设计必须通过分析噪声的特性及其在电路中的规律，合理选取元器件，才能控制噪声，降低噪声，提高电路的抗噪声能力。晶体振荡器的相位噪声是指各种随机噪声所造成的瞬时频率或相位的起伏，它决定高稳定晶振的短期频率稳定度，可以用频域表示和时域表示两种方法对相位噪声进行
4、表征，二者是可以互相转换的。频域表示是用相对频率（或相位）起伏的单边功率谱密度表示。在振动条件下，测得的信号源的相位噪声发生极大的恶化，在原理上是振动对信号的相位调制，采取适当的减振措施后晶振相位噪声的恶化将有所改善。 2 加速度对晶振的影响及减振器的设计优化 2.1 加速度对晶振的影响机理 晶振在实际的工作中，因外部环境产生的振动、离心和冲击条件，通常归结为加速度的影响。晶振在加速度的条件下，其频率的相对变化与所受加速度的大小成正比。通常都认为晶振频率的变化主要由晶体产生。晶体是一种机电耦合器件，它在电路中工作时将机械振动转换为电振荡。加速度会使晶片变形而引起频率变化，这种使晶片变形产生频率
5、变化的原因又分为两种：一是完全由晶片尺寸变化引起的线形部分，另一是由变形的压电材料非线形弹性引起的非线形部分。经过大量试验证明，晶体在不同方向上受加速度影响是不一样的，这与晶片受力的方向和支架结构密切相关。加速度垂直与晶片方向时，对频率的影响很大，其它方向影响较小，就是说，AT 切晶体的加速度敏感度几乎是在垂直与晶片的方向上。然而，SC 切晶体却不相同，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 切晶体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。在晶振的加速度试验中，按规定都要进行三个相互垂直方向的试验，长期以来都认为是因晶体在各个方向加速度影
6、响不同而规定的。实际试验结果表明，晶振三个方向受加速度影响的情况与晶体的规律不完全符合，这还与晶振本身的工作条件有关。 2.2 减振器的设计 阻尼减振就是将振动能转化成热能耗散出去，从而达到减振的目的，其方法是依靠提高机械结构阻尼（材料阻尼、结构阻尼、接触阻尼）来降低或消除机械振动以及提高机械的动态稳定性。在阻尼减振技术中，性能良好的粘弹阻尼材料与合理的结构阻尼设计方法及正确应用是取得良好阻尼减振设计效果的三要素。这三个要素在阻尼减振中缺一不可。根据晶振的结构，文中采取了阻尼垫的方案。阻尼垫是按照一定的设计要求预先制成的具有一定几何形状的简单阻尼元件。它适用于刚性较好的整体结构中，在使用中一般
7、都安置在被减振设备与固定基座之间，靠设备的固定螺钉连接。阻尼垫减振结构如图 1 所示。 2.3 减振器的优化 （1）减振方式设计： 采用两级减振的方式，第一级减振选用质量比铝板大的不锈钢板作底板，目的是提高第一级的减振效果；第二级减振是对重点要减振的电路板进行减振，目的是减少电路板振动引起电性能变化。 （2）电路设计： 简化电路设计，减小电路板尺寸，以减小其质量；电路布线采用微带线；器件尽量采用表贴器件；对振动敏感的器件，采取大面积接地，使其与印制板紧贴；电路板设计时预留出可增加减振垫片的位置，以便调节第二级的减振效果。 （3）结构设计： 第二级减振中需要给电路板加装横向铝支撑板，以提高电路板
8、自身的刚度，防止电路板自身颤动引起电性能的变化；结构设计中横向铝支撑板预留出可增加减振垫片的位置，以便调节减振效果。 （4）垫片数目选择及减振点位置设置： 第一级减振的减振点位置按照对称分布的原则进行设置，结构设计时不锈钢板预留出可增加减振垫片的位置，以便调节第一级减振效果。第二级减振的减振点位置按照对称分布的原则进行设置，电路板设计和结构设计预留了可增加减振垫片的位置，以便调节第二级减振效果。 3 结语 本文在对晶振相位噪声分析的基础上，阐述了加速度对晶振的影响，并对减震器的设计及优化进行了深入的分析与研究，从而大大改善了振动对晶振相位噪声的恶化。 参考文献 1李秀华，李宏宇.振动状态下频率源特性测试技术研究.宇航计测技术，2009，10：9-21 2 张玉兴.射频模拟电路.成都：电子科技大学.2009 3 林嘉锐，陈家显等.晶体管电路基础.北京：科学技术文献出版社.2009.3：21-54
