聲表面波振蕩器頻率穩定度影響因素分析及改進

石 勇，齊曉琳，劉久玲，何世堂

(1.海軍裝備部駐北京地區第七軍事代表室，北京 100176；2.中國科學院聲學研究所，北京 100190)

0 引 言

快速探測無色而劇毒的化學戰劑是化學防護的重要組成部分, 聲表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）傳感技術因體積小、靈敏度高，成為近年來毒劑氣體探測的一項新技術，被廣泛應用于艦船化學戰劑監測等領域。SAW傳感器的核心部件是SAW振蕩器。SAW振蕩器的頻率穩定度直接影響聲表面波傳感器的檢測下限與靈敏度，因此，對聲表面波振蕩器的頻率穩定度進行研究對提高傳感器的性能十分關鍵[1-2]。SAW振蕩器主要包括作為振蕩器頻率控制元件的SAW器件和相關的振蕩電路。本文介紹SAW振蕩器的工作原理，分析SAW振蕩器頻率穩定度的影響因素，并針對電源電壓對SAW振蕩器頻率穩定度的影響進行分析。最后，根據研究結果提出相應的改進措施并進行測試驗證。

1 SAW振蕩器的基本原理

為了減小振動、溫度等因素對SAW振蕩器頻率穩定度的影響，SAW振蕩器一般采用雙環路差頻輸出的結構，其結構框圖如圖1所示。由2個基本相同的SAW器件與對應的振蕩電路構成兩路SAW振蕩回路。一路作為測試回路；另一路則作為參考基準，兩路差頻后作為整個振蕩器的輸出。該結構可最大程度上消除外圍環境如溫度、振動等對于振蕩器頻率穩定度的影響。

圖1 雙環路差頻輸出的SAW振蕩器結構框圖Fig.1 Structural block diagram of SAW oscillator with dual-loop differential frequency output

振蕩回路產生振蕩須同時滿足振幅條件和相位條件，即放大器增益能補償電路和SAW器件損耗（振幅條件）、環路相位為的整數倍（相位條件），具體振蕩條件為：

2 SAW振蕩器頻率穩定度影響因素分析

影響振蕩器性能的因素可概括為內部因素和外界因素[3-4]。

內部因素主要包括振蕩回路的品質因數Q、SAW器件插入損耗、環路放大器和分立元件如電容、電感等的性能參數。SAW器件在振蕩器中起頻率選擇作用，其品質因數越大，插入損耗越低，回路的頻率穩定性越好。環路放大器和分立元件的性能參數對振蕩器性能也有影響，如寬頻帶、低噪聲、動態范圍大、發熱量小的放大電路能改善振蕩器的相位噪聲，使得振蕩環路內的相移量在振蕩頻率附近變化緩慢，不容易受外部電壓、溫度變化的影響。

外界因素主要有以下幾種：

1）溫度。影響振蕩器頻率穩定性的溫度變化包括外界環境溫度的變化和設備器件自身產生的溫度變化。溫度變化產生的影響主要表現在改變諧振電路的電感線圈和電容器的幾何尺寸以及電容的介電常數。同時，作為頻控元件的SAW器件，其工作參數也容易受溫度影響，引起振蕩電路相位漂移，從而使得每次輸出頻率不一致。

2）電源電壓。振蕩電路有源器件的非線性特性使得其與各級電壓和工作點有密切的關系。電源電壓的變化必然導致振蕩器工作狀態的變化，從而引起振蕩頻率的變化，影響頻率穩定性及一致性。

3）電磁干擾。外部存在的電磁場會影響振蕩電路內部的電容、電感、晶體管等元器件，并激發電壓和電流，破壞振蕩器的平衡條件，引起頻率變化。

4）機械振動。外界環境造成的機械振動也會對振蕩器的頻穩度造成影響。它能使振蕩回路中的電感和電容發生形變，改變電感和電容值，從而影響頻穩度和一致性。

本文主要分析電源電壓對聲表面波振蕩器頻率穩定度的影響，并提出改進措施。

2.1 電源電壓對SAW振蕩器頻率穩定度的影響分析

振蕩回路中的放大器在工作時，其驅動電壓的變化將引起振蕩電路的相位發生變化，從而影響整個振蕩環路的起振點，最終影響SAW振蕩器的頻率穩定度。

圖2給出了實驗測得的頻率穩定度隨電壓波動的變化。在圖2（a）中，測試了電源電壓波動時，對振蕩器中期頻率穩定度的影響；在圖2（b）中，測試了電源電壓波動時，對振蕩器長期頻率穩定度及一致性的影響；從結果可以看出，驅動電壓變化0.2 V時，引起的振蕩器輸出頻率的變化大于1 kHz。從這2個實驗結果可以得出，電壓波動對振蕩器的頻率穩定度影響較大，不能忽略。

圖2 電源對SAW振蕩器頻率穩定度的影響Fig.2 Effect of power supply on frequency stability of SAW oscillator

3 改進措施

根據前文對SAW振蕩器頻率穩定度影響因素的分析，對振蕩電路進行改進，主要采取以下措施：

1）選用高性能的放大器，將原電路采用的AD8009放大器更換為BGA2802。AD8009為運算放大器，對高頻且損耗較大的頻控元件，這類放大器易受其增益帶寬的制約，影響性能；BGA2802為專用的低噪聲射頻放大器，更適合與高頻條件的應用；

2）對放大器采用高性能的穩壓電源供電，在放大器的電源設計上采用線性穩壓模塊，不直接使用開關模式的穩壓電源。

圖3 改進后的SAW振蕩器及其頻率穩定度的測試結果Fig.3 Test results of improved SAW oscillator and its frequency stability

改進后的電路板及測試實驗結果如圖3所示。振蕩器中SAW器件采用300 MHz的兩端對諧振器，當外接電源電壓波動時，其對振蕩器的頻率輸出影響基本可以忽略，即改進方案有效抑制了電源電壓波動對振蕩器頻率穩定度的影響，達到優化目的，而且從實驗結果來看，改進后的頻率穩定度達到了1 ppm/4 h量級。

4 結 語

本文針對SAW振蕩器頻率穩定度的影響因素進行分析，并對電源電壓等因素對SAW振蕩器頻率穩定度的影響進行實驗研究。根據分析結果，提出了相應的改善措施，并應用于基于300 MHz兩端對諧振器型振蕩器的研制。最后，對其頻率穩定度進行了測試。試驗結果驗證了改進措施的有效性。采取改進措施后，有效降低了電源電壓波動對振蕩器頻率穩定度的影響，而且其頻率穩定度達到了1 ppm/4 h量級。