5MHz空气隙石英谐振器的研制

通常的高精密石英谐振器采用的是电极膜直接被在石英晶体谐振片上,玻璃壳火封或冷压焊封装结构。本文介绍一种结构全新的高精密石英谐振器的设计、工艺和性能。它的电极膜是被在靠近石英晶体谐振片的上下二个电容器上,电极膜与谐振片形成空气隙形状,所以称为空气隙石英谐振器或无电极石英谐振器。它的外壳采用了密封性能很好的金属化氢焊和电子束焊封接装技术,使产品提高Q值和改进老化。尤其是石英晶体谐振片采用了SC切型进一步提高了短期频率稳定度和加速度灵敏度。     

SC切石英晶体谐振器在甚高频低噪声振荡器中的应用

晶体控制的甚高频振荡器广泛应用于具有优良短期频率稳定度和低相位噪声的信号发生器中。这种振荡器均采用工作在泛音模的 AT 切晶体。由于 AT 切晶体谐振器的幅频效应,使相位噪声难以进一步减小。双旋转切晶体(例如 SC 切晶体)的幅频效应较 AT 切的小得多。因此,可使 SC 切晶体工作在较 AT 切晶体所允许的更大的激励电流上。如果能使振荡器固有的相位起伏不随晶体电流的增大而显著增大,则采用 SC 切晶体元件可以改善晶体控制甚高频信号发生器的短期频率稳定度和噪声。曾用三次泛音 SC 切晶体(而不是用五次泛音 AT 切晶体)进行过100MHz 低噪声振荡器的实际可行性试验。对 SC 切和 AT 切晶体元件的相频特性进行了测量。测量结果表明,晶体元件的功耗能够比使用 AT 切晶体增加6-10dB。对用双极结型晶体管振荡器的噪声源的检查表明,二次及三次失真是造成实际振荡器呈现显著相位闪变的原因。从解凡得堡(微分)方程中出现的频率校正项可了解到减小频率闪变的要求。桥式 T 形振荡器适合于作 SC 切甚高频晶体振荡维持电路。曾研究过这种电路的噪声源(包括调幅闪变噪声的幅相变换),并得到了对上述振荡器所预期的 L(f)的估算值。对相同的一对振荡器进行了测量,预计的 L(f)和所测得的 L(f)很一致。结果表明,和 AT 切甚高频晶体控制振荡器相比较,SC 切晶体控制的甚高频振荡器的L(f)得到了显著改善。     

快速加热的SC切晶体振荡器

本文讨论尾部警戒雷达方案中所采用的石英振荡器的设计和研制。在经过改进的比例控制恒温器中使用 SC 切晶体已获得极好的加热特性。仅五分钟后,稳定度达到1×10~(-8)。该振荡器工作在10兆赫,利用 TO-8型外壳的三次泛音 SC 切晶体。缩小了比例控制恒温器的尺寸,以便得到快速加热所需的最小质量。本文介绍该振荡器的结构和电路设计,并讨论加热、温度稳定性和其它特性的测试结果。文章介绍了有关 SC 切晶体对“g”灵敏度和辐射灵敏度的附加数据。辐射数据表明,稳定度比用 AT 切晶体的要高1-2个数量级。     

用修磨球面的方法调整SC切谐振器的频率-温度特性

本文研究了修磨晶片球面对基频、三次泛音 SC 切晶体的频温特性的影响。已经发现,SC 切晶体的频温特性对晶片的球面非常灵敏,并且发现在重新研磨晶片球面时,偏转点温度斜率的变化与球面的变化近似线性关系。对 AT 切晶体,球面是设计的一个关键。对类似的 SC 切谐振器,能够在很宽的不同球面范围内获得令人满意的性能。已成功地将球面与温度特性的依赖关系应用于“角度校正”SC 切谐振器。本文介绍这种“角度校正”的几个例子。本文还报道了电极尺寸对频温特性影响的一些初步结果。     

AT+SC切石英晶体谐振器热滞的自动测量方法和结果

本文的目的是要说明传统的HC—27/U玻璃壳封装的精密石英晶体谐振器温度补偿的极限。为了对限制补偿精度的谐振器的热滞(返回)进行测量,建立了计算机控制的滞后测量台,该测量台曾用来测量由3个德国厂家制造的多种晶体。与AT切晶体相比较,SC切晶体没有显示出实际优点。用数字温度补偿石英晶体振荡器可获得的频率稳定度,单仅晶体谐振器的热滞一项,就限制在△f/f=±1×10~(-7)左右。如果把用做补偿的温度传感器的不精确度和数字化的分辨误差加在一起,则对于连续生产而废品率不高的情况可以把可达到的频率稳定度假定为△f/f=±2×10~(-7)。这个数值实际上与工作温度范围无关。     

高性能SC切谐振器的设计

采用基频、三次和五次泛音设计的 SC 切α石英谐振器已经制造出来,其频率复盖范围为4MHz 到100MHz。一些设计数据表明,SC 切谐振器的理论最大 Q 值,要比 AT 切谐振器的高(15～20)％。例如,一种已经制成的60兆赫三次泛音 SC 切谐振器,其 Q 值达到25万,这个数字是 AT 切谐振器在该频率上的理论最大 Q 值。已经确定了几种 SC 切设计(平-平、平-凸、双凸,基频和泛音)的“零角”。Vig 用控制磨球面来调整5MHz 基频 SC 切谐振器转折点的方法,已经用于生产中。SC 切晶片的化学抛光法通过生产实践正在完善。研究表明,Vig 建议的1:4的氢氟酸-氟化铵溶液对 SC 切晶片的表面污染是完全允许的。然而,他建议的1:2氢氟酸-水溶液引起了 SC 切+X 表面的退化。所有磨球面的 SC 切的设计是这样进行的,即在晶片的同一晶面磨球面,这是在 Bond介绍的电路中通过对每个晶片的挤压试验来完成的。对用同样制造技术加工的 AT 和 SC 谐振器老化特性的研究表明,典型的 SC 谐振器进入最终老化率的时间要比 AT 的快(5～10)倍,而典型 SC 切的最终老化率有(2～3)倍的改进。     

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。     

温度补偿振荡器用SC切谐振器

本文介绍对SC切TCXO谐振器的频温一切角特性的测定情况。θ值是在下转折点温度范围+100℃至-70℃的数值。根据这种谐振器的频率温度(f-T)特性,测出了在不同温度范围(即-40℃—+75℃, -54℃—+85℃和0℃—+60℃)的最佳切角、最小频率偏移和最大频率-温度斜率。业已发现,用普通切割设备就能很容易达到切角公差。初步的滞后测量结果表明,SC切谐振器可以使TCXO的稳定度得到明显提高。     

晶片几何形状对AT和SC切石英谐振器加速灵敏度的影响

AT切谐振器的加速灵敏度与晶片的曲率密切相关。片子的球面变得较平时,加速灵敏度系数差不多随着屈光度值线性地减小。已经研究过四种类型的AT切谐振器:5MHz基模,5MHz三次泛音,10MHz三次泛音和20 MHz基模。已经发现给定球面的双凸谐振器并不比同样球面的平凸谐振器的加速灵敏度更低。据观察,晶片的曲率和SC切谐振器的加速灵敏度没有关系。设计的大量的基模和三次泛音AT与SC切谐振器已通过鉴定。至今,设计得最好的AT切谐振器的加速灵敏度并不比设计得最好的SC切谐振器的加速灵敏度差。     

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。     

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。     

谐振器工作在两频率上的简接幅频效应

使用单个石英谐振器,能够在加上几种激励电压情况下,同时得到几种谐振频率。几个振荡器可以使用同一个谐振器。但在信号幅度增加时,不会出现线性效应。各种不同振动之间的耦合,主要由下列两方面引起:1)振荡器之间的电子耦合。2)振荡材料本身引起的耦合(通过非线性效应)。文中只考虑了两个谐振频率之间的耦合,其实验数据符合 B.V.A 谐振器。为了消除振荡器之间的电子耦合,可用两个隔离的频率综合器对谐振器进行无源测试。主振模的频率变化,是根据其它模的幅度进行测量的。为了明确起见,把这种效应称做间接幅频效应(或引入的幅频效应)。这里介绍的一些特殊情况包括:采用三次和五次泛音和 B 模的5兆赫 AT 切和 SC 切晶体。本文给出了一些实验结果和曲线图,同时提出了一些应用。     

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。     

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。     

一种小型高频恒温晶体振荡器设计

恒温晶体振荡器因其频率稳定度高、相位噪声低,在军用电子设备和民用通信领域得到广泛的应用。本文介绍了一种100MHz小型恒温晶振,该产品外形尺寸为25.4mm×25.4mm×12.7mm,采用SC切晶体。振荡电路使用改进的Colpitts电路,控温电路则为双运放直流放大连续控温结构。测试结果表明,产品相位噪声达到-140dBc/Hz@100Hz、-160dBc/Hz@1kHz、-172dBc/Hz@100kHz;短期稳定度达2.11E-12/1s;在-40℃～70℃的工作温度范围内,频率温度稳定性达到±3.0E-8。     

反台晶体及其应用

介绍了应用离子束刻蚀技术制作高基频反台晶体谐振器及反台晶体谐振器的应用。     

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。     

石英谐振器技术条件和特性在理论和实际上对精密石英晶体振荡器的设计和性能的影响

由于振荡器的性能总是比它所用的石英谐振器的性能要差,所以,谐振器是晶体振荡器的心脏。设计优良振荡器的重要目标是尽量减小振荡器和谐振器之间的这种性能差异。为了实现这个目标,充分地了解谐振器的性能是十分必要的。这就要了解谐振器的技术条件,以石英谐振器和振荡器的技术条件为基础的计算和振荡器的电路参数。本文对现有谐振器的技术条件作了阐明,并补充了一些有关振荡器和谐振器性能和电路的概念。文章内容特別适合于采用五次泛音低C_1的SC切精密晶体振荡器。     

XB03、XB04型石英谐振器设计定型和SC切型石英谐振器鉴定会议在京举行

1987年8月20日,XB03、XB04型石英谐振器的设计定型,以及 SC 切型10MHz 高稳定石英谐振器的技术鉴定会议在北京举行。这是航天部二院二○三所又一次成果鉴定会议。会议由二院科技委副主任李蕴滋主持,部内外的同行、专家和业务机关的代表共48人参加了会议。与会代表听取了产品的技术总结和有关报告,参观了工艺生产线,并进行了讨论。会上,中国计量科学研究院和航天部五院五○四所代表分别介绍了产品的使用情况,并     

一种宇航通信用低噪声高频晶振的系统设计

最好的石英谐振器的固有噪声确实比用该谐振器做成的晶振的低得多。本文对使用无源石英谐振器作基准通过锁相环,锁定高功率低噪声5兆赫压控晶振来改善秒级以上频率稳定度,并对5兆赫频率的稳定度向100兆赫VHF压控品振传递的环路设计问题进行了分析、计算。预计系统对于秒以上的短期频率稳定度最终可提高1000倍以上。