SC切10MHz高稳定度石英谐振器

为了满足航天技术对石英谐振器频率稳定性、幅频特性、辐照特性,以及耐高温和耐高加速度的要求,研制了 SC 切10MHz 三次泛音高稳定度晶体谐振器,介绍了在制作过程中某些关键工艺的解决途径。同时,也列出了此种谐振器的实际性能指标和用此谐振器组装的振荡器的稳定度指标。测试结果证明,SC 切晶体谐振器确实比 AT 切的具有更多的优点。同时,也指出了存在的问题.     

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。     

军用精密声表面波振荡器的研制

近年来,美国雷声公司已经有研制300～600MHz可军用的声表面波振荡器的课题;此种振荡器在频率调节能力和稳定性两方面均达当代最高水平。本文不讨论这种振荡器的详细用途。对它的要求一般为:(1)噪声本底必需至少为-160dBc/Hz;(2)振动灵敏度至少应与AT切体波器件一样好;(3)振荡器频率应能在大致±10ppm频率窗内进行调节并加以保持。在某些情况还要求加热时间小于3分钟。在满足这些要求方面,雷声公司已取得明显进展。本文将对这种进展加以讨论。在频谱纯度方面,文中讨论了二个题目:其一是低噪声放大器。实验证明,当它与310MHz声表面波谐振器联用时,噪声本底可达-176dBc/Hz。其二主要讨论了外部振动对噪声边带的影响。研制声表面波振荡器最重要的方面之一就是它的频率调节能力。利用金衬微调技术被证实既适用于延迟线也适用于谐振器。文中给出了实验结果,也讨论了在焊封过程中产生频移(约100ppm数量级)这一复杂情况。但已提出一种外部牵引频率技术来重调频率。在很多应用场合要求用恒溫箱以保持常温,于是就要求快速加热,而给出的数据要能显示出3分钟加热周期的频率稳定度。最后,除上述要求外,还要求声表面波振荡器的长稳保持在～1ppm/年的水平。利用提供的数据来确定冷焊密封在TO-8型外壳中的器件的基本老化率,同时也示出微调器件以及低振动灵敏度器件的变化率。     

石英晶体振子的频率与加速度特性的测量技术

本文介绍一种能够快速测量在随机振动下晶体振子的加速度灵敏度的测量仪器。这种测量仪器比用HP台式计算机构成的频谱分析仪来计算加速度灵敏度与加速度频率的关系并记录下结果要快一些。这种测量仪器能够测出使用仪器的噪声水底,而这种使用仪器能够在频率为500～15000Hz、加速度为10~(-4)g~2/Hz到10~(-3)g~2/Hz时,对低于10~(-10)/g的VHF晶体振子的加速度灵敏度进行测量。本文将讨论用频谱分析仪测量电压和所要求的加速度灵敏度之间的关系,还给出了AC、FC、IT和SC切晶体的加速度灵敏度的计算机取样曲线,用以说明谐振频率与安装系统的关系。     

卫星用精密L波段声表面波振荡器

本文介绍一种在卫星系统发射机中用作固定本机振荡器的740MHz SAW振荡器。该SAW振荡器装在一个2.4立方英寸的外壳内,其中装有一个加热丝、第二级缓冲放大器、功率调整和谐波抑制的滤波部份。该系统的优点是,由于取消了体波振荡器中所需要的倍频链而减小了尺寸和复杂性。100秒平均时间的短期稳定度为2×10~(-10),单边带噪声本底低,电压驻波比为1.1∶1。本文讨论SAW谐振器的短期稳定度和相位噪声这两个设计参数在理论和实际方面的最佳考虑,并介绍使长期稳定度和调谐点的控制均得到改善的制作过程。谐振频率因制造公差而产生的变化与等离子加工微调和静态、动态电容比的最佳设计或者与谐振器的牵引范围有关。半导体渗杂技术的采用减少了金属脱落和因激励电平而产生的附加不稳定性。文中讨论影响精密高频SAW振荡器设计的因素,重点在于晶体管型号和振荡器方案的选择。对场效应晶体管和双极晶体管进行比较,以得到改善短期稳定度的最佳功率电平、所需要的输入和输出阻抗特性以及最低的噪声系数。在这一研究中,对皮尔斯、科耳皮兹和克拉波振荡器方案进行了验证。在作出最后的设计选择时,重新审查了对上述方案的各元件有可能起分流作用的寄生电容和偏压要求的实际考虑。鉴于尺寸的限制,选用组件型恒温系统来稳定振荡器。对振荡器样机在相位噪声、相对频率变化的阿仑方差、功耗和温度稳定度的测试结果作了报道,介绍了邻近相位噪声、噪声本底和平均时间为1秒至100秒的阿仑方差。还介绍了测试考虑,其中包括参考振荡器的要求和电磁干扰-射频干扰效应。     

SC切晶体谐振器工艺的改进

以前,我们已经讨论了 SC 切晶体的制作,从石英材料切割双转角晶片的技巧和确定 g 灵敏度的试验方法。本文将论述下列几个问题:1)一种采用旋转 X 切法的简化 X 射线定向;2)改变Ψ角时,频率随加速度的变化;3)介绍一个 SC 切成品晶体振荡器的试验结果。     

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。     

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。     

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。     

关于小型化战术晶体振荡器的更新方案

关于小型化战术晶体振荡器(TMXO)及其最重要的设计特点,作者从前发表的文章已有论述。本文将介绍早期TMXO样机的工作性能。此外,还谈到一些足以反映采用SC切晶体的最新组件的运用结果,并着重讨论了改变结构能改善内部结构特性问题。最后介绍一种很有用的测试振荡器,用它鉴别晶体质量。概括地说,有关初期TMXO样机的若干鉴定结果表明:样机的几种主要性能指标已经实现。针对尚未达到预定性能的那些指标,已经采取了提高样机性能的改善措施。最近研制的一些样机,均有具体改进,证明了改变结构是行之有效的。     

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。     

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。     

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。     

温度补偿晶体振荡器的调查和试验结果

为了评定中精密和高精密温度补偿晶体振荡器的使用价值和质量,购买了各种类型的振荡器并进行了试验。试验包括频率一温度稳定度和老化。我们发现,在稳定度为1—5×10~(-6)范围内的振荡器符合技术条件,只是老化特性的差别很大。在0.5×10~(-6)和1×10~(-6)之间的振荡器却不太顺利,有相当百分比的数量不满足技术条件要求。这些振荡器的老化比较好,但在很多情况下仍使人失望。没有发现价格和性能之间的相关性。用户已知道,在计划将振荡器用于系统之前,要对备用的振荡器仔细地加以测定和试验。     

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。     

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。     

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。     

加速度灵敏度优于2×10~(-10)/g的SC切10MHz高Q晶体的设计

力一频效应的理论和实验研究证明,晶体谐振器的加速度灵敏度直接与装架的位置和结构有关。本文的目的就是要阐明低灵敏度晶体谐振器的一种新的设计方法。加在晶体振动部份的表面力和体积力的影响都必须加以考虑。本文将详细介绍这种新的设计方案。统计结果表明,目前在工业上在最不合适的轴向上能够达到的加速度灵敏度在3×10~(-11)/g和2×10~(-10)/g之间。这些数值是用相位调制反射计或用传统的振荡器以“2g翻转”测试法在所有方向上进行试验测得的(均以5MHz和10MHz加以说明。)     

620千赫低频压控石英晶体的设计

本文介绍了620千赫低频压控石英晶体的设计与制造。对不同形状石英晶体片的压控灵敏度进行了测试比较。给出了频率温度特性、等效参数和耐振耐冲击耐辐射等特性的测试结果。     

用数字补偿法降低声表面波振荡器的温度灵敏度

本文介绍一种用数字补偿法降低声表面波振荡器温度灵敏度的方法。AT切石英声表面波振荡器的初步研究结果表明,在-13到+97℃温度范围内,频率的变化从191.7×10~(-8)减小到5.2×10~(-6)。主要特点是在同一基片上使用两个延迟电路。第一延迟电路被调节来与声表面波具有低温灵敏度的方位保持一致。借助于反馈回路的振荡,该电路提供更精确的频率和时钟。第二延迟电路被调节来与声表面波具有高温灵敏度的方位保持一致,并通过其振荡频率起测温器件的作用。利用直接安放在基片上的温度表,把热接触和时间常数问题减到最小,从而得到准确的温度传感。温度表的频率(温度的一种直接量度)是递减计数,以便给预先校准好的只读存贮器提供地址。在每一温度上均在ROM的数据线上产生一个保持稳定时钟频率所需要的移相器控制字,然后送到电子可变移相器。