氮化铝薄膜及复合体波谐振器

为了在超高频范围内对基模振荡器进行控制和运用滤波器,开展了对于小型体波谐振器的基本材料和器件特性的研究。本文报道了氮化铝(ALN)在构成复合谐振器几何形状和边缘支撑型晶片结构方面的性能。 ALN薄膜是在直流平板磁控管溅镀装置中,用中间电极溅射出来的AL和等离子气体中的N_2之间的等离子体反应生成的。一般溅镀条件是:溅镀压力=1×10~(-3)毛,空气含氮量=99.999％基片温度=200℃,直流功率-225瓦,溅镀率=1.2微米/小时。ALN薄膜的品质用扫描式电子显微镜(SEM)、X射线衍射法和奥格(Auger)电子分光镜进行鉴定。检测结果说明,溅镀的ALN薄膜具有严格的晶向结构,其C轴垂直于Si(硅)基片表面。对于由1.7微米ALN薄膜和8微米Si基片组成的谐振器,测出的基频串联谐振频率为328.53兆赫,基频并联谐振频率为328.61兆赫。这种规格谐振器的Q值约有7500,它在-20℃至+120℃范围内的实测温度系数约为-4×10~(-8)/℃。对于具有1.7微米ALN薄膜和6微米Si基片的谐振器,实测的温度系数是-6×10~(-6)/℃。这种规格谐振器的Q值约为5000,它的基频串联谐振频率是524.11兆赫,而基频并联谐振频率是524.45兆赫。应用微电子半导体加工技术,已经制成了边缘支撑型ALN晶片。晶片厚度为1.0至7微米,面积约为300平方微米。这种晶片是边缘支撑型的,这与以前报道的底膜支撑型薄膜是不相同的。厚度为6.5微米的典型ALN晶片在790兆赫附近产生基模谐振,耦合系数为10.3％。在-20℃至120℃范围内测得的温度系数可达到-20.5×10~(-6)/℃。目前,已按外延特性制造出具有水平C轴的氧化锌ZnO晶片。这种晶片显示出切变波谐振特性,这意味着晶片有很高的谐振Q和比较简单的模式结构。     

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。     

电调节砷化镓声表面波谐振器振荡器

已经用砷化镓制作出高 Q 表面波谐振器,并且用来控制振荡器的频率。由于砷化镓既是压电材料,又是半导体材料,因此有可能用来对全单片振荡器进行电调节。曾对半绝缘基片上的表面波谐振器的参数进行了研究。这些器件既有刻槽,又有金属电极反射栅。可调节频率的声表面波谐振器被制作在用肖脱基势垒电极作为谐振器栅的外延砷化镓基片上。调节频率并不显著改变介入损耗。两端对谐振器的介入损耗值典型的在15和20dB 之间,在180兆赫的负载 Q 值高达12000。虽然砷化镓的延迟温度系数为52ppm/℃,但是,可以通过加一层 Au/SiO_2对砷化镓延迟线进行温度补偿。     

超导腔稳频红宝石激射器振荡器

本文介绍一种新型全致冷频率源——超导腔稳频激射器振荡器(SCSMD)的稳定度分析、性能及设计。文中还将介绍该振荡器的各个部件的实验研究结果。它将充分证明采用这一技术方案有可能使频率稳定度达到优于△f/f=10~(-17)的水平。以前设计超导腔稳频振荡器,采用低温下的铌腔与室温下的微波电子器件相结合的方案。但据报道这种方案所能达到的最佳频率稳定度仅为△f/f=3×10~(-16)。这主要是因电子系统与腔体互连的部分不稳定影响了长期性能。但全致冷的方案却不存在这一问题,因为热膨胀系数被冻结(freezing-out)以及完全没有热梯度。红宝石激射器在目前所有微波放大器中噪声温度最低(1.5k),看来它是用于全致冷振荡器的较理想的器件。它的有效输出功率(～10~(-7)W/cm~3在4.2k)足以用来进行时间长于一秒的测量。另外,它具有相当高的增益(Q_m=-100)使得仅需振荡器与稳定腔之间保持很弱的耦合即可。此外,它本身的功耗也很小,即使在低至1k时也能与腔体工作在同一温度环境条件下。但激射器的工作和调谐却需外加磁场,这就产生了一个很重要的技术问题,即需要对超导腔加以磁屏蔽,同时磁场的变化还将产生频率的牵引。为此,文中介绍了采用多腔方案来解决这一问题。该方案将红宝石部件与超导腔隔开一段距离。我们还将谈到具有较大频率牵引效应的低Q腔稳定的激射器振荡器的频率稳定度。最后,本文将介绍有关研制结构最坚固的超导腔的结果。兰宝石的热膨胀系数仅为铌的百分之一,其微波损耗在1.5k时,目前已达的最低值为7×10~(-10)。在兰宝石上镀超导体的谐振腔可达(按设计要求值)Q=10~8。     

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。)     

晶体振荡器老化自动测量设备

已经研制出一种能够对大量恒温振荡器进行测试的多通道高精密老化测量设备,其频率基准是溯源于美国国家计量局(NBS)。为了能自动地工作,数据的采集是用计算机进行控制。作者认为生产这种老化测量系统以下几点是必须具备的。1.罗兰—C/DTF 用的振荡器频率标准;2.直流电源母线的设计;3.测量技术与开关技术;4.大量谐振器的自动老化。     

声表面波谐振器稳定的振荡器

本文将系统介绍一种用两端对声表面波谐振器(SAWR)作为基本频率控制单元的反馈射频振荡器的设计方法,讨论振荡器频率牵引范围和稳定性之间的折衷选择方法。已经研制出一批甚高频振荡器。这种振荡器的制造成本最低,性能又好。已有十万个以上这种振荡器投入实际使用一年多。效果很好,没出毛病。文中还提出了一些有关使用场效应晶体管(FET)和双极晶体管振荡器的老化特性数据。此外,对振荡器的频率牵引和温度稳定性之间的互相影响作了广泛的研究。     

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。     

晶体谐振器—振荡器测试设备及测试结果

一、引言美国陆军电子技术及器件实验室(ETDL)的频率控制与计时分部的主要任务是要提高晶体谐振器与振荡器工艺水平,以满足军队用户的要求。第二个任务是向计划管理人员、系统设计人员提供谘询并维持晶体谐振器与振荡器的军用技术指标(也就是MIL-C-3098和MIL-0-55310)。这些任务要求对晶体谐振器和振荡器的工艺水平有详细而实际的了解。本文的目的是概述本实验室的技术力量,介绍一些研究结果,并在需要时向国防部所属用户提供晶体振荡器的测试、选择、技术指标和研制方面的帮助。     

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。     

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。     

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.     

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.     

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/℃、     

低相位噪声倍频微波源

使用高次泛音体声波谐振器(HBAR),可能研制出直接工作在微波频率的低相位噪声倍频微波源。最近,已研制出一个L波段的低噪声源,它能提供约以5MHz为间隔的信号,并能得到与低频石英晶体稳定和倍频的微波源相同的相位噪声抑制度,高次泛音体声波谐振器(HBAR)直接倍频到微波源需要少量硬件,以达到用任何其它方法得到倍频微波源所具有的相同的相位噪声抑制度。稳定的工作是通过利用钇铝石榴石(YAG)、蓝宝石、铌酸锂式铝酸锂等晶体的高次泛音谐振来达到的。它们的固有损耗表明,其潜在Q值近似为石英晶体的十倍。已制成的这种谐振器的频率高达10GHz。对1.5GHz频段的压缩模式,已在几个样品中得到50,000以上的有载Q值。这些谐振器由其晶片上渡漠换能器组成。单纯的反射被限制在换能器之下区域内。晶体牢牢地被装在外壳中,以尽量减小外部振动对频率稳定度的影响。测量振动灵敏度的情况在一篇参考文献中简述。此倍频微波源包括一个用自动频率控制(AFC)回路稳定的低噪声压控振荡器(VCO)。在自动频率控制(AFC)鉴频器中,高次泛音体声波谐振器是决定频率的元件。测量的相位噪声与估计的性能很一致。本文提供了噪声特性的详细情况。用附加的数字控制电路将压控振荡器予调到高次泛音体声波谐振器(HBAR)的任一次响应上,可以很容易地实现倍频。因此,用最少的硬件得到了低相位噪声用电子方法控制的倍频源。     

利用Q倍增谐振器改善信号源稳定度的自动频率控制系统

本文实现了一种利用有源Q倍增谐振器稳定振荡器的自动频率控制系统。分析了该锁频环路的静态响应和动态响应,给出了环路传递函数和噪声模型。理论和实验结果都证明该系统可以明显地改善信号源的短期频率稳定度。     

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。     

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。     

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。     

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。