宇航用小型化超稳晶振(USO)设计与实现

杨 磊

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

高稳晶振(Oven Controlled Crystal Oscillator, OCXO)广泛应用于电子、通信、导航、航空航天等诸多领域，超稳晶体振荡器(Ultra-Stable Oscillator，USO)是短期稳定度和相位噪声最高的恒温振荡器类产品，凭借其优异的性能、小体积和高可靠性，进一步拓宽了其在空间精密测量和深空通信等领域的应用[1]。由于自身和外界因素，振荡器的输出频率不可能恒定不变，即便是非常微小的变化，对某些系统的性能影响也不可忽视。空间科学的发展对振荡器输出频率的稳定度提出了越来越高的要求。美国、法国和瑞士开展这方面研究较早，居于领先地位。目前，美国应用于GRAIL月球探测器的星载超稳晶振的短期频率稳定度指标优于2×10-13/s，代表了星载超稳晶振研制的最高水平。随着目前空间测量及时频应用领域的不断扩展[1-3]，更高稳定度的超稳晶振需求不断增加[4-6]。本文在前期开展样机研制的基础上，在不降低性能指标的同时，优化了恒温槽设计，与样机产品相比，大幅缩小了产品的体积，设计实现了尺寸为99mm×88mm×55mm的宇航用小型化USO。经测试，产品短期频率稳定度为2.11×10-13/1s、3.28×10-13/10s、8.61×10-13/100s(Allan方差)，相位噪声为-129.4dBc/Hz@1Hz和-147.0dBc/Hz@10Hz。

1 振荡器相位噪声

现有的相位噪声数学研究方法主要有Leeson噪声模型[7]和线性时不变方法等。Leeson噪声模型是关于反馈振荡器的简单噪声模型，与实际测试实验具有良好的符合性，因此被广泛应用于振荡器噪声的分析。

振荡器是由放大器和反馈网络组合构成，噪声引起振荡器输出信号的频率(相位)随机起伏，起伏越小的振荡器其相位噪声就越好。

振荡器的Leeson模型输出相位噪声表示如下

(1)

式中,Sφ0(f)为振荡器输出端相位噪声谱密度；SφA(f)为振荡器环路内部相位谱密度；f0为振荡器输出频率；Q为回路品质因数。

设放大器中只存在闪变噪声(1/f噪声)和白噪声，则总的振荡器输入相位功率谱密度可表示为

SΔθ(f)=αf-1+β

(2)

其中，α为取决于1/f噪声电平的常数；β=2FkT/Ps，其中F为噪声系数,Ps为振荡器输入的信号功率。

将式(2)代入式(1)得

SΔφ(f)=αkf-3+βkf-2+αf-1+β

(3)

其中，k=(f0/2Q)2；αk为与闪频噪声有关的系数；βk为与白频噪声有关的系数；α为与闪相噪声有关的系数；β为与白相噪声有关的系数。

主振电路与放大电路对超稳晶振的噪声影响最大，这是本文研究的重点内容。电路的相位噪声Sφ(f)为主振电路的相位噪声Sφ1(f)与放大电路的相位噪声Sφ2(f)相加。

根据Leeson模型，主振电路相位噪声Sφ1(f)为[8]

Sφ1(f)=(2G1KF1T/PS1+

2α1/f)[1+(fc/2Qef)2]

(4)

其中，PS1为主振输出信号功率；F1为主振噪声系数；G1为主振功率增益；K为波兹曼常数；T为绝对温度；α1为主振1/f噪声系数；Qe为晶体有载Q值；QL为晶体有效Q值。

放大电路相位噪声Sφ2(f)为

Sφ2(f)=2G2KF2T/PS2+2α2/f

(5)

其中,PS2为放大电路输出信号功率；F2为放大电路噪声系数；G2为放大电路功率增益；K为波兹曼常数；T为绝对温度；α2为放大电路1/f噪声系数。

当然，除主振电路和放大电路外，在实际电路中，滤波电路和恒温槽等对相位噪声也有一定影响[9]，在设计中也需进行考虑。

相位噪声是频率稳定度的频域表征，是噪声信号调制的单边带(Single Side Band, SSB)功率和载波功率之比

(6)

L(f)称为单边带相位噪声，并且当|φ(t)|≪2πf0时

Sφ(f)≈2L(f)

(7)

2 低噪声电路设计

研究表明，晶体振荡电路的噪声主要由主振及放大电路贡献，因此主振及放大电路是超稳晶振低噪声设计的重点。

2.1 振荡电路设计

主振电路选用皮尔斯电路形式，该电路具有良好的频率稳定性[10]，是低噪声振荡器应用最广泛的电路之一，如图1所示。在主振电路的低噪声设计中采取了以下措施：

图1 皮尔斯电路等效图

1)理论分析表明，对秒级稳定度影响较大的是闪频噪声[10]。改善秒级稳定度的措施之一是尽量降低晶体管集电极电流，该特性由晶体管自身特性所决定。合适的晶体及晶体管可实现较小的集电极电流，同时保证主振电路工作正常。

2)石英晶体谐振器频率的相对变化与晶体电流的关系可以近似用式(8)表示[10]

(8)

其中：D为晶体电流常数，对于5MHz晶体,D≈0.5～1/A2；i为流过晶体的交流电流。

由式(8)可知，晶体的激励电平较大时,对频率稳定度的影响较大。同时由于噪声的限制，激励电平也不能取得太小，否则会使短期稳定度变差。因此，要有良好的频率稳定度就必须将晶体激励电平控制在合适的范围内，本文选取的激励电平约为100μA。

3)选择噪声系数低、电流放大倍数较高、截止频率高的高频低噪晶体三极管。晶体管的噪声主要有白噪声和闪烁噪声，应选用rb’b小、Cbe小的晶体管[9]，同时放大倍数不宜过高，否则容易降低振荡电路的频率稳定性，通常电流放大倍数大于80即可[10-11]。主振电路选用的晶体管为国产3DG142C高频低噪声晶体管，其截止频率为800MHz，噪声系数为2.5dB。

4)选用高Q值晶体谐振器，并提高电路有载Qe值。由于1/f噪声电平大致与晶体谐振器Q值成反比，选用高Q值晶体谐振器对提高振荡电路秒级稳定度非常有利[9]，最终选用了SC切TO封装冷压焊5MHz晶体谐振器，Q值约为2400k，同时必须在电路设计及调试中使振荡电路工作在最佳负载阻抗附近，尽可能地提高有载Qe值，才能充分发挥晶体高Q值特性。

5)在主振电路晶体管射级增加交流反馈电阻Rf，可减小发射结电容及晶体管电流因1/f噪声引起的起伏，改善主振电路的近端噪声；也可减小因电源电压和环境温度变化所引起的晶体管电流的变化[10]，一般Rf取值在20～40Ω效果较好。

2.2 辅助电路设计

辅助电路主要包括电源滤波电路、放大电路和滤波匹配电路三部分，合理选择辅助电路形式及参数，可以提高输出信号的质量。电源滤波电路主要通过二次稳压，各级电路电源入端就近滤波，使干扰噪声信号就近滤除到地线端以平滑噪声，降低电源波动引起的干扰。

放大电路是振荡电路低噪声设计的重点环节，传统的恒温晶振设计通常会设置自动增益控制电路和射极跟随器电路，有利于提高电路稳定性，易于起振，提高隔离效果；但自动增益控制电路和射极跟随器电路容易引入噪声，而且晶体管的增加对降低电路噪声也是不利的，因此本次设计未使用自动增益控制电路和射极跟随器电路。在放大电路设计上采取了如下降低噪声的措施：

1)采用阻容耦合结合的方式实现级间匹配，确定合理的工作点，尽可能使放大电路处于线性工作区，降低电路噪声。在放大电路设计中采用两级放大电路，第一级放大电路处于线性工作区，第二级放大电路处于浅饱和状态，起到放大兼隔离作用。

2)根据放大器拐角频率fc和振荡电路转折频率f0/2Q的关系，优化振荡电路的调试参数，采取适当的交、直流负反馈降低电路1/f噪声，达到改善近端相位噪声的目的。

3 精密控温系统设计

控温电路与恒温槽共同构成了控温系统，高精度的控温系统不仅可以提升短期稳定度，还能改善近端相位噪声。对于达到10-13量级短期稳定度的超稳晶振，环境温度的波动会引起产品频率的变化，效果如同1/f噪声对频率的调制一样，使恒温晶振的近端相位噪声变差[10,12]。传统的单层恒温设计难以满足要求，采取双层恒温设计方案并设置合理的内外层控温偏置温度，进一步改善近端相位噪声。

内、外两层恒温槽控温电路均选用直接放大连续式控温电路，直接放大连续式控温电路工作于直流状态，受外界干扰小，电路简单，易于小型化设计。在采用稳定可靠控温电路的同时，合理的控温结构设计同样至关重要。在双层恒温槽结构中，内层和外层所用的温度控制电路一般形式相同，但内和外恒温槽的热学结构却不同。外层恒温槽体积较大，要保持恒温控制比较困难，一般对于环境温度变化的改善比较有限。外层的缩减因子[10]一般在0.1左右，内槽的缩减因子大约为0.02，两层同时工作时的缩减因子理论上为0.002。实际试验时测试缩减因子小于该值，由于内外两层恒温槽结构间非完全热隔离，之间会有热耦合而相互影响[13]。

内层恒温槽布局时，主要将主振电路放置在内层恒温槽，以保证电路中对温度敏感的晶体及晶体管状态基本保持恒定。同时，恒温槽结构设计时采用导热系数高、热容值较大的材料，以保证在大热容的同时提高晶体温度分布的均匀性。外层控温主要用来隔离环境温度和内层恒温槽温度之间的变化，进一步降低环境温度影响。

4 小型化设计

小型化设计在宇航应用中有诸多便利之处。本设计在电路设计时，在全部采用国产化元器件的基础上，尽量考虑小型化如表贴封装的电阻和电容等器件，同时简化不必要电路，并在电路布局布线上提高密度，减小PCB布线及连接等寄生效应引起的等效杂散电容，提高超稳晶振产品的设计健壮性，避免晶振进入非正常工作模式或引起起振不正常等问题。

宇航应用中主要考虑产品的空间环境适应性，除了适应力热环境外，还需考虑空间辐照环境，因此设计中优先选用抗辐照等级高的元器件，在结构设计和材料选择上，选用抗空间辐照能力强的材料。同时整机设计中通过局部钽皮加固，提高了产品的抗辐照能力。小型化设计中一项重要的措施是去掉了金属隔热装置，简化了恒温槽设计，在不明显降低性能指标的同时，与样机产品相比，大大缩小了产品的体积，使产品最终由尺寸140mm×140mm×200mm，质量800g(图4(a))减小至尺寸99mm×88mm×55mm，质量300g(图4(b))，实现了小型化设计，原理框图如图2所示。

图2 超稳晶振设计框图

5 测试结果分析

根据上述分析，选择皮尔斯形式的电路作为5MHz振荡电路，利用ADS软件进行仿真分析。对电路的近端相位噪声进行仿真及参数优化，仿真结果如图3所示。振荡电路输出5MHz正弦信号，其相位噪声为-125.0dBc/Hz@1Hz和-141.5dBc/Hz@10Hz。

图3 5MHz振荡电路仿真

基于上述分析，设计研制的小型化USO产品实物如图4(b)所示，体积较原工程样机(如图4(a))体积大幅减小。利用TSC5120(含内置源)进行测试，结果如图5所示，产品短期频率稳定度为1.86×10-13/0.4s、2.11×10-13/1s、3.28×10-13/10s、8.61×10-13/100s，相位噪声为-129.4dBc/Hz@1Hz和-147.0dBc/Hz@10Hz。与样机指标(短期稳定度为3.29×10-13/1s和1.68×10-13/10s，相位噪声为-121.6dBc/Hz@1Hz和-133.8dBc/Hz@10Hz)相比，小型化产品1s级稳定度稍有提升，10s级稳定度稍有降低；对于相位噪声，小型化产品整体较样机提升明显。

(a)140mm×140mm×200mm

(a)短期稳定度

受限于TSC5120内置源的近端相位噪声限制，最终选取了2台性能相近的参考源1#和2#与研制的USO产品3#进行两两互测，规定2台参考源的相位噪声为L1(f)和L2(f)，研制的USO的相位噪声为L3(f)，则L12(f)为2个参考源互测结果，L13(f)为参考源1#与研制产品互测结果，L23(f)为参考源2#与研制产品互测结果。三源循环比对测量方法中尽量保证测试时间和环境等的一致性。

根据三源循环比对测量方法，可按式(9)～式(11)计算各频率源相位噪声测试指标

L1(f)=

(9)

L2(f)=

(10)

L3(f)=

(11)

测试数据如表1所示，经过计算，研制的USO产品相位噪声为-130.4dBc/Hz@1Hz和-147.2dBc/Hz@10Hz，100Hz～100kHz相位噪声指标受限于被测参考源。同时，在不进行测试数据修正的情况下，研制的USO用TSC5120内置源测试1Hz相位噪声受限，10Hz～100kHz相位噪声测试较为准确[14]。

表1 三源循环比对测试结果

6 结论

本文主要从低噪声电路设计、高精度控温电路、小型化等方面开展了国产宇航用小型化超稳定晶体振荡器设计研制。通过对产品进行仿真分析及实测，在相位噪声及短期稳定度指标上取得了较好的结果，达到了国内领先水平，具有较高的宇航应用价值。当然，超稳晶振产品仍有提升空间，可从以下方面开展工作：1)小型化后续可以考虑从电路集成化方面进一步提升；2)进一步优化电路设计，提高控温性能，开展测试及研究，秒级稳定度可优于1.5×10-13。