高频小公差石英谐振器的研制

研制宽温度范围(-25～+60℃)内,频率随温度变化小于±5×10~(-6)的小公差石英谐振器,是目前国内压电晶体行业的重要任务之一。本文介绍了5～75MHz 小公差石英谐振器的设计、关键工艺,以及测试中应注意的问题。最后给出了试验结果.     

四点安装的SC切和AT切谐振器的加速度和加热特性

本文研究了四点安装的 SC 切和 AT 切谐振器的加速度灵敏度和加热特性。加速度的灵敏度是根据振动引起的边带来确定的。每一个谐振器的测量结果均与振动方向和振动频率呈函数关系。所研究的谐振器的参数包括:切角(AT 和 SC)、固定方位、泛音次数、晶片的几何形状(平平的、平凸的、双凸的)、安装支架的刚度和晶片材料(天然石英、人造石英和经扫掠的人造石英)。预热特性的测量是,先把谐振器浸入冰水中,然后迅速将其浸入沸水中,等达到热均衡之后,用晶体阻抗表(CI-meter)监测谐振器频率。对不同的 AT 和 SC 切设计(基模和三次泛音)的预热时间作了比较。可以看出,四点安装的陶瓷扁平封装的 SC 切谐振器能够在20秒内从0℃预热到100℃,而频率在2×10~(-7)以内。     

低温下工作的石英晶体振荡器

本文介绍石英晶体谐振器在低温下工作的性能试验结果及其在高稳定振荡器中的应用。已经对两种不同型号的晶体谐振器进行了测试:BVA_2型设计(无电极设计)的5MHz谐振器和常规设计的5MHz、五次泛音 AT 切谐振器。在4.2K 时 Q 值大约增加了一个数量级。低于4.2K 时所测出的上述每一种谐振器的 Q 值均无明显的增加。对于这两种型号的晶体,各取一只样品,在靠近2K 时的温度系数和4.2K 时的数值相比较是显著降低了。BVA_2型样品在靠近2K 时的温度系数为3×10~(-10)/K。同一只晶体在靠近2K 时所得到的幅频效应表明,在10~(-7)瓦以上时频率随晶体耗散功率的变化是很大的。本文给出了采用在低温下工作的石英晶体谐振器来稳定振荡器系统的某些结果。     

怎样减小振动对SC切石英晶体振荡器的影响

要给现代化通讯、导航及雷达系统提供必要的频谱纯度,就必须减小石英谐振器的加速灵敏度(γ),例如从γ=10~(-10)/g 减小到γ=10~(-12)/g。为了实现这一目的,当前正在研究几种(仅与谐振器有关的)无源法。专门设计的单谐振器和双谐振器是无源法应用的两个实例。应用电子线路的有源法已经进行了研究,它能进一步使振动影响减到1/50。然而,用来实现这种方法的变容二极管的非线性限制了可能达到的最终减小量。本文介绍一种可供使用的有源法。这种方法的原理是应用 SC 切晶体的线性电压～频率特性,而要点在于把相位适当的振动模拟信号电压直接加在晶体电极上。用几块不同的SC 切晶体所做的一系列试验都确认了这种有源法的效果。把晶体振荡器略加修改,是为了加入补偿电压,而不会改变振荡器的电路原理。补偿测试范围:加速度1至14g,振动频率50至500Hz;补偿电压大小取决于γ的初值,可从-20至+20V(峰-峰值)。初步实验结果表明,在不连续的频率上γ值几乎能降低三个数量级,在50到500Hz 连续频率范围能降低一个数量级。     

50MHz温度补偿晶体振荡器的研制

本文简要地讨论了采用50MHz三次泛音晶体的温度补偿晶体振荡器,分析了振荡电路,介绍了热敏电阻网络的计算方法。为改进计算而采用了比较简便直观的逐次渐近法。最后,给出了实验电路及测量结果。结果表明补偿后的50MHz晶振在宽温度范围内(-40℃～+60℃)具有±1×10~(-6)的频率稳定度。     

一种双旋转石英晶体切角自动测量仪

本文介绍一种正在研制的自动 X 射线定向系统用于双旋转(即 SC 切)石英晶体片切角的精密测量。研制该系统的目的在于研制一种能够测量一般的φ/θ切角的原型机,其精度对于 SC 切在±10弧秒,对于 AT 切为±6秒,而对于其他切型为±30秒(在θ>0的体波零温度系数情况下)。测量速度至少每小时50片。假定这些晶片都被预切到正确定向的大约1/4°以内。经过选择的设计是设计一台在微计算机控制下的激光辅助的劳埃(Laue)衍射仪。采用劳埃法只要求晶片的运动有一个自由度,因而使设计较为灵活、开阔。     

用于石英谐振器研究的频域反射计

本文介绍一种用于精确测量石英晶体谐振频率特性的调相频域反射计系统的概念和工作原理。反射计法容许被测晶体谐振器远置于一环境试验箱中;这系统还能同时而又单独地对任一给定晶体中发生的不同谐振模(例如,SC切晶体中的b模和c模谐振)进行频率测量。这一反射计技木主要适用于对谐振器进行以下基本研究:频率一温度特性的研究;滞后现象和热冲击效应的研究;幅度一频率因数和多模激励特性的研究以及核幅射效应的研究,等等。本仪器也可应用于晶体生产过程,包括自动化生产、测试以及质量控制等。     

首次从理论上阐明石英谐振器在室温、低温下1/f噪声和Q值的关系

石英晶体振荡器的极限稳定度是由时域噪声本底相对应的石英谐振器频率噪声决定的。只有减小电子噪声的起伏,才能测量谐振器本身的谐振频率起伏。使用π型传输网络和相位平衡电桥,能够将激励源的相位起伏抑制50-60dB。此测量系统曾在室温下测量了大量的成对谐振器,发现1/f 频率噪声电平和 Q 值之间的相互关系遵循1/Q~4规律。为了将谐振器频率起伏的测量扩展到极低温,研究了一种能测不同谐振器对的新测量系统。因此,在4K 和1K 温度下测得了1/f 频率噪声,并观察到随着 Q 值的增加而噪声大大减小。现在有一种理论能解释1/Q~4规律。这就是根据声波衰减和速度变化引起的三声子相互作用过程来解释。声波衰减和速度变化这两种现象均可用热声子的张弛时间来加以说明。     

一种采用介质谐振器的X波段GaAsFET振荡器

一种采用介质谐振器的高稳定X波段GaAsFET振荡器已经研制出来。这种振荡器的频率稳定度低于±1MHz(-40℃～85℃),其外形尺寸大大地缩小了(20.3mm×12.6mm×8.8mm)。为介质谐振器研制了一种新材料Ba(NiTa)为O3—Ba(ZrZnTa)为O3,这种新型材料具有非常高的Q值和高的温度稳定性。在10GHz和Tf=0ppm/℃时,谐振器的特性为K=29,Q=10000。     

基于虚拟仪器技术的MCXO开发系统

介绍一种主要用于AT切微机补偿晶体振荡器(MCXO)的开发系统。该开发系统由温控柜、多路开关组、PC机、高分辨力频率计、频率标准、控制系统和基于虚拟仪器的人机界面组成。使用该开发系统生产的微机补偿晶体振荡器在-40℃-85℃的温度范围内,可以获得±1-3×10-7的温度-频率稳定度。     

自动网络测试系统

本文介绍计量院研制的自动网络参数测试系统。它被用作网络参数国家标准装置。为了提高测量准确度,系统硬件采用了多项先进技术方案,同时研制了新的功能更强的系统应用软件。测试系统工作频带:100～2000MHz,量程可达70dB。反射系数测量不确定度△Г≤±1.5×10~(-3)(1+A) △φ≤±(0.2+tg~(-1)(0.0015)/Г)°.传输系数测量不确定度△A≤±(1×10~(-2)+5×10~(-4)A)dB,Aθ≤±0.2° A<40dB。     

一种新型的微机补偿晶体振荡器及开发系统

提出了一种新型的以微处理器为核心的AT切温度补偿晶体振荡器 (MCXO)的设计思想 ,说明了其开发系统的原理 ,给出了最后的实验结果。使用该开发系统得到的这种振荡器可以工作在 - 40℃～ 85℃的环境内 ,频率—温度稳定性≤± 5× 10 - 7。     

单片机数字温度补偿晶体振荡器的研究

讨论应用单片微型计算机对晶体振荡器进行数字温度补偿的原理,给出系统方框图和单片微机程序流程图,也对校准值的插值运算作了介绍,在-20～+50℃温度范围内,获得了小于±1×10~(-7)频率稳定度的温补晶体振荡器。     

溅镀C轴倾斜的压电膜和切变波谐振器

作者对溅镀的压电膜能否应用于甚高频至微波频率的声波器件进行了研究。本文介绍了切变波谐振器用的C轴倾斜的氧化锌(ZnO)和氮化铝(AlN)膜的生长及特性。文中计算了某些膜的切变波激动的定向关系。这些膜在C轴取向与表面法线成大约45°时,可能激励出接近于纯的切变波。在其他角度,则只能激励准切变波和准纵向波。 C轴对膜法线倾斜方向合适的ZnO或AlN膜,是在配有辅助阳极的反应式直流面磁控管溅镀系统中生长的。这类膜可用扫描式电子显微镜(SEM)和体声波器件测量法进行鉴定。自Si基片法线倾斜的C轴晶粒柱形结构可在扫描式电子显微镜中清楚地看到。C轴倾斜角达45°,厚度达10微米的薄膜已经制做成功。在P~+Si基片上溅镀上ZnO和AlN可以制成复合谐振器。这类谐振器的Q值在200兆赫到500兆赫基频谐振范围内大约为5000。特别令人感兴趣的是可以对谐振频率进行温度补偿。在ZnO/Si和AlN/Si的复合结构上已制造出室温下串联谐振频率的绝对温度系数小于1×10~6/℃的谐振器。ZnO和AlN晶片谐振器的温度系数已测出为-36.2×10~-6/℃和-25×10~-6/℃。这表明P~+Si基片在切变膜时的温度系数大约是+9×10~6/℃、     

体波谐振晶片加速度灵敏度的测定

本文叙述了测定直接工作在微波频率的高次泛音钇铝石榴石(YAG)体波谐振晶片的加速度灵敏度的近似理论。高次泛音声体波谐振器比用其它方法更容易实现低相位噪声倍频微波源,所需硬件也少得多。在参考文献[1]中详细介绍了振荡器的设计及测试。本文通过分析及实验对振动灵敏度作了论述。在静态和振动状两种状态下,对钇铝石榴石(YAG)体波谐振器件进行了电测量。将约为4×10~(-11)/G的加速度灵敏度的计算值(K)与约为1.28×10~(-11)/G的测试值进行了比较。体波谐振的实测值约比典型的三类AT切石英晶体对运动的灵敏度要低两个数级量。     

非整数频率的精测

由于通用电子计数器存在±1量化误差,使得频率和周期测量的精度受到了限制。本文介绍两台通用计数器组成的测量系统的原理、方法及测量结果,并分析了各项误差。该系统在不附加任何测试设备和电路的情况下,减少了±1字的影响,在时基精度足够高时使测频精度比单台计数器提高了2—3个数量级,测频精度可达1×10~(-11)。     

振动位移激光干涉测量系统的改进

石英晶体谐振器振动位移激光干涉测量系统的改进工作业已完成。在本文中作了如下的改进:在激光束上加上直流相位控制和偏移小的低频相位调制而得到数字形式的振动位移幅度。测量和数据处理是通过计算机系统来完成的。经改善的系统可用来测量低达5A的振动位移,在1MHz～10MHz频率范围内,其测量重复性为百分之几。使用这个系统,对平凸SC切石英晶体谐振器的详细振动位移分布进行了测量。     

在电解高纯石英谐振器中辐照引起的频率和电阻的变化

本文描述了由电解高纯石英制造的高精密5兆赫AT切石英谐振器中辐照引起的频率和电阻的变化。文中介绍了辐照测量方法、瞬态和稳态数据,以及热模拟结果。依嗦尔研究成果中的光学级和超Q石英可以像生长的晶体一样足够纯,得出的结论是:1)没有观察到通常与频率时间相关的t~(-1/2)恢复特性;2)如果未经电解,杂质含量仍然很高,足以在离子辐照脉冲后的一个短时间内使品质因数明显下降;3)由于电解能够进一步降低辐照响应,所以,杂质的影响不再很明显;4)电解石英的瞬时辐照响应实际上主要是热造成的。     

改进的环形支架谐振器

本文研究一些有改进的环形支架(r-s)谐振器。这些谐振器证明能够在宽的温度范围和在现场受到静压和动压情况下提供高精度频率。本文报道这种有改进的环形支架谐振器对溫度和力效应的试验结果。这种谐振器是环形支撑的,用具有适当球面外形的双凸晶体和凹凸晶体制成,其频率温度特性是在-196℃—+160℃宽温度范围内测量的。幸运的是,有改进的环形r-s凹凸石英的试验结果证明频率稳定度极好。我们还讨论了Q值与有改进的环形r-s谐振器的球面外形的相关性。通过对这些有改进的r-s谐振器的最佳设计,我们能够进一步预估稳定的精密谐振器的形状。     

一种新型微机补偿晶体振荡器

提出了一种以微处理器 +单一A/D、D/A数据处理芯片的新型微机补偿晶体振荡器。该温补晶振的频率稳定度≤± 2× 10 -7(- 4 5℃～ +85℃ ) ,体积 35× 2 4× 10mm3 ,平均功耗≤ 30mW。