新型抗振結構的晶體諧振器設計

逄杰 李鵬 王占奎 孟昭建 徐淑壹 牛占魯

中國電子科技集團公司第13研究所 第16專業部 河北 石家莊 050051

引言

現代通信、導航和識別系統中，晶體振蕩器在振動環境下的相位噪聲對接收機探測靈敏度和通信設備傳輸誤碼率等有較大影響[1]。當收發機中晶體振蕩器的加速度靈敏度性能提高10倍，系統所能提供的用戶數將提高12倍[2]。為保證電子系統在惡劣振動條件下的整體性能，晶體振蕩器的相位噪聲惡化盡可能減小，此時晶體振蕩器的加速度靈敏度指標則顯得尤為重要[3]。

本文討論了在常規To結構上，通過疊層結構，實現晶體諧振器振動下相位噪聲的優化和加速度靈敏度的降低。測試結果顯示，新型抗振結構的晶體諧振器在振動條件下的典型相位噪聲優化-9dBc/Hz，相應的加速度靈敏度由5.2E-10/g優化為1.8E-10/g。

1 加速度靈敏度的作用機理

在加速度作用下，晶體振蕩器輸出頻率的相對頻偏與加速度變化成正比。這個比例系數為產品的加速度靈敏度函數。對于某一給定方向，有

2 降低加速度靈敏度的方法

降低加速度靈敏度的方法有很多，總的來說分為有源法和無源法兩類。

在有源法中，使用加速度傳感器獲取振動環境加速度矢量的方向、強度等信息，利用反饋網絡改變振蕩器頻率，補償加速度產生的頻移。有源法主要有：變容管反饋、直接控制晶體等[4]。

無源法與有源法相反，在無源法中，不監測振動信息或輸出頻率的動態變化。無源法主要有：晶體切角、晶片裝配方法、晶體配對補償、機械振動隔離等[4]。

3 設計原理

在晶體振蕩器中，對加速度最敏感的元器件為石英晶體諧振器。而石英晶片作為諧振器振蕩的核心部分，其裝配方法直接影響晶體諧振器、晶體振蕩器的加速度靈敏度性能優劣。因其多點支撐和易于對稱的優勢，To結構為抗振晶體諧振器的優選結構。

3.1 結構改進

常規To結構如圖1。新型結構抗振結構結構如圖2。與常規結構相比，新型結構為疊層結構。

圖1 常規To結構示意圖

圖2 新型抗振結構示意圖

3.2 結構分析

對常規To結構、新型抗振結構的頻率輸出晶片進行正弦振動下的應力仿真，應力仿真圖分別見圖3、圖4。常規To結構的最大應力約為2.2×104N/m2，新型抗振結構的最大應力約為8.5×103N/m2。新型抗振結構的應力較常規To結構的應力降低60%以上，優化效果明顯。

圖3 常規To結構的應力仿真圖

圖4 新型抗振結構的應力仿真圖

4 測試

4.1 測試方法

振動試驗的測試系統如圖5所示。振動臺控制器接收到振動臺上加速度傳感器的振動信號，經過控制器的信號處理后把控制信號傳至功率放大器，使振動臺按照預先設置的振動條件進行振動。振動臺振動后使用模擬信號發生器測量晶體振蕩器的相位噪聲[5]。

圖5 振動試驗測量系統

振動條件：正弦，頻率40Hz，掃頻模式對數，掃頻率1oct/min，加速度峰值2g，位移0.62mm。

4.2 測試結果

晶體諧振器為SC切5次泛音100MHz，使用恒溫晶體振蕩電路的恒溫槽控溫85℃±3℃。

常規To結構的晶體在振動狀態下3個方向的相位噪聲曲線如圖6、圖8、圖10所示。從3個方向的相位噪聲曲線可看出，最差方向為垂直晶體表面的Z方向，最差值為-57.79dBc/Hz，換算加速度靈敏度為5.2E-10/g。

新型抗振結構的晶體在振動狀態下3個方向的相位噪聲曲線如圖7、圖9、圖11所示。從3個方向的相位噪聲曲線可看出，最差方向仍為Z方向。最差值為-67.09dBc/Hz，換算加速度靈敏度為1.8E-10/g。

圖6 常規To結構晶體在X方向振動時的相位噪聲

圖7 新型抗振結構晶體在X方向振動時的相位噪聲

圖8 常規To結構晶體在Y方向振動時的相位噪聲

圖9 新型抗振結構晶體在Y方向振動時的相位噪聲

圖10 常規To結構晶體在Z方向振動時的相位噪聲

圖11 新型抗振結構晶體在Z方向振動時的相位噪聲

采用新型抗振結構的晶體在正弦振動條件下，最差方向Z的相位噪聲可優化-9dBc/Hz，典型加速度靈敏度由5.2E-10/g優化為1.8E-10/g。

5 結束語

本文設計的新型抗振結構為疊層結構，經過加速度靈敏度計算和測試，疊層結構的晶體諧振器加速度靈敏度能實現2.0E-10/g的指標。新型抗振結構的抗振指標較常規To結構可實現近10dBc/Hz的提升，具有明顯優勢，可廣泛應用于振動敏感系統中。