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【摘要】本文从概述高稳低相噪小型恒温晶体振荡器出发，探讨了高稳低相噪小型恒温晶体振荡器中的关键技术研究，包括小型化技术、温度控制系统的设计技术研究、相位噪声技术研究以及老化率的研究。以期为相关的理论研究和具体的实践工作提供一定的借鉴。
【关键词】高稳；低相噪；小型恒温晶体振荡器
【分类号】TN752.2
因为晶体振荡器具备自身频率稳定程度较高、相噪指标较高的特点，被广泛应用于现代电子对抗、导航、通信以及测控系统中，其性能的优劣能够对导航精确程度、导弹精度以及敌我识别能力等众多因素产生影响。在这个背景下，研究高稳低相噪小型恒温晶体振荡器的诸多问题，具有重要的研究价值和现实意义。
1 高稳低相噪小型恒温晶体振荡器概述
高稳恒温低相噪小型晶体振荡器是能够在较广的温度范围内进行工作，并且能够保持较高稳定度的频率的一种频率发生器。其具备众多特点和优势，比如相位噪声较低，体积较小、工作运行的温度范围较广、可靠性较高等。近几年来，我国国防建设的信息化水平逐渐提升，而且小型化越来越成为主要的发展趋势。不管是对原有武器装备的技术指标进行改进，还是进行新的项目的研制，高稳低相噪小型恒温晶体振荡器都是其中作为频率标准的存在。高稳低相噪小型恒温晶体振荡器的性能指标能够对整机系统中，诸如导航卫星的精度、雷达的分辨率等众多关键指标产生直接的影响。
随着近几年整机单位对于高稳低相噪小型恒温晶体振荡器的需求的不断上升，大部分的工程中应用的都是进口晶振。虽然使用进口晶振能够大幅度促进我国武器装备技术水平的提升，但是在我国的国防建设中大范围运用进口晶振，其随之而来的风险之高也是不言而喻。首先，进口晶振的可靠性等级得不到充分的保证，而且还受到批量订货、供货周期等限制。其次，进口晶振的高昂价格以及任意频率点的选择受限情况也使大规模进口道路行不通。为了尽早结束我国对于高稳低相噪小型恒温晶体振荡器的长期依赖现状，实现我国国防建设需求的满足，对此课题进行研究，具有重要的实用价值。
2 高稳低相噪小型恒温晶体振荡器中的关键技术研究
2.1 小型化技术研究
在传统的高稳恒温晶体振荡器的研究中，其体积较大。主要的原因主要有以下三点。首先，是其使用玻璃壳晶体。其次，为了将晶体置于筒内，必须设计一个加热筒。最后，是需要增加硬泡沫塑料以提升整体的保温性能。高稳恒温晶体振荡器的温度控制电路一般采用直接放大的连续性控温电路。在进行加热的时候，要将玻璃壳晶体、泡沫塑料、加热丝和加热筒结合起来使用，而这种方式虽然温度的均匀性较高，而且控温精度也较高，但是因为配置材料太多，容易导致体积过大，加之其对工艺的环节要求较高，小型化较为困难。因此，冷压焊晶体的出现对小型恒温晶振的研制和发展创造了可能性。
在进行小型化尝试时，可将热敏电阻放置到晶体的顶部，受限于高度，还可以将晶体、三极管以及运放等器件放置于同一侧。在将印制板固定于机壳中时，可以将机壳底座上的四个安装管脚直接焊接于印制板上的四个安装孔，因为安装管脚既能够实现固定功能，又能够实现电气性能。在对其进行加热的时候，采用直接加热的方式，这样可以使电路以及结构更为简单、紧凑，而且其对于工艺的要求也较低。以上尝试都可以实现小型化效果。
2.2 温度控制系统的设计技术研究
温度控制系统包含许多辅助装置，比如恒温槽、温度控制电路以及感温元件等。温度控制系统是实现高稳低相噪小型恒温晶体振荡器设计要求的关键环节之一。虽然晶体的频率温度系数较小，但是这只在较窄的范围内实现。而为了提升晶体振荡器的频率稳定性，整个温控系统的控温精度都需要把控到一定高度，实现稳定性的保证。传统的恒温控制电路中，控温精度只能达到零下三摄氏度到零上三摄氏度左右。分析其中存在的问题，主要包含以下几点。首先，达到热平衡的收敛速度较慢，控温精度因此受到了限制。其次，在高低温的条件下，温度梯度的存在会造成晶体谐振器的温度与控温取样点不相一致。为了解决上述问题，可以从以下几个方面做出改进。
首先，重新评估温控电路的选择。PID温控电路的恒温槽能够实现在扰动作用点进行微分以及积分环节的串入，实现瞬态响应时间的缩短，提升系统的无差度，进一步实现开环增益以及系统稳定性之间矛盾的缓和，实现稳定性以及控制精度之间的更好权衡。其次，重新评估选择加热方式。正如上文所言，传统的组合加温方式下，体积缩小化难以实现，而且加热的功率也较大。冷压焊晶体出现后，无加热丝，利用晶体管直接对晶体进行加热的直接加热方式逐渐受到青睐，玻璃壳晶体体积也因此能够实现大幅度的缩小。最后，在传统的恒温结构设计中，加热筒是必要的结构之一。晶体在加热筒中进行加热，加热时间长而且也收不到较高的效率。选擇热敏电阻的位置也是较为重要的一个环节。将热敏电阻放置在晶体的顶部，能够实现良好的温控效果。
2.3 相位噪声技术研究
噪声是一种在电路内部存在的扰动信号，是由电路器件中材料的物理性能和温度等原因造成的一种电荷载流子运动的不规则变化。我们无法实现每个瞬间噪声的精确大小的预知，因为噪声是一种随机信号，而且还会与信号混杂在一起。为了实现噪声的降低，就必须进行噪声特性以及电路规律的分析，选择合理科学的元器件，进行噪声的控制。首先，要尽量选择Q值较高的晶体谐振器，降低噪音到最低，而且在进行设计的时候要尽量提升晶体的有载Q值。在进行电路的选定之后，进行晶体频差的合理选择，并且适当提升负载电容。其次，在进行主振电路的选择时，要尽量选择同等晶体激励条件下能够实现更高信号功率的输出的主振电路，实现放大器引入的调相噪声的减少。再次，在进行主振和放大器的选择时，尽量选取噪声系数为F1和F2的管子。最后，实现主振电路和晶体的1/f噪声的降低，降低晶体管的工作电流，实现闪烁噪声电平强度的减小。
2.4 老化率的研究
高稳低相噪小型恒温晶体振荡器在运用过程中的一个长稳指标是老化率，这个指标与晶振的连续运行息息相关。晶振的老化指标决定于晶体的固有特性以及电路的工作状态。为了实现高稳低相噪小型恒温晶体振荡器老化率的提升，首先要选取能够符合老化指标要求的晶体，其次，要设计合理的晶体激励电流，实现拐点的温度控制的更为精确。
3 总结
在未来的战争武器系统中，对于晶振反应速度、稳定程度以及功耗、相噪、抗恶劣程度等方面的要求越来越高。同时，随着高稳低相噪小型恒温晶体振荡器型号的不断发展，快速启动、稳定性提升、相噪降低等优良的温频要求都能够较为高效、高质的实现。因此，在高稳低相噪小型恒温晶体振荡器的研制以及各项关键技术的研究方面投入更多的时间的精力，符合时代发展的要求和趋势，能够为国防建设以及航空航天事业的发展提供更为坚实的技术支持。
参考文献
[1] 孙刚.100MHz超小体积恒温晶体振荡器的研制[J].电子制作 ，2013，（22）：1-2.
[2] 李晓博，翟浩，张俊等.铷钟用快速预热压控恒温晶体振荡器的设计[J].压电与声光，2010，32（3）：402-405.
[3] 周大进，郭建强，王小峰等.基于数字PID增量控制的恒温晶体振荡器[J].现代电子技术，2012，35（19）：148-151
【关键词】高稳；低相噪；小型恒温晶体振荡器
【分类号】TN752.2
因为晶体振荡器具备自身频率稳定程度较高、相噪指标较高的特点，被广泛应用于现代电子对抗、导航、通信以及测控系统中，其性能的优劣能够对导航精确程度、导弹精度以及敌我识别能力等众多因素产生影响。在这个背景下，研究高稳低相噪小型恒温晶体振荡器的诸多问题，具有重要的研究价值和现实意义。
1 高稳低相噪小型恒温晶体振荡器概述
高稳恒温低相噪小型晶体振荡器是能够在较广的温度范围内进行工作，并且能够保持较高稳定度的频率的一种频率发生器。其具备众多特点和优势，比如相位噪声较低，体积较小、工作运行的温度范围较广、可靠性较高等。近几年来，我国国防建设的信息化水平逐渐提升，而且小型化越来越成为主要的发展趋势。不管是对原有武器装备的技术指标进行改进，还是进行新的项目的研制，高稳低相噪小型恒温晶体振荡器都是其中作为频率标准的存在。高稳低相噪小型恒温晶体振荡器的性能指标能够对整机系统中，诸如导航卫星的精度、雷达的分辨率等众多关键指标产生直接的影响。
随着近几年整机单位对于高稳低相噪小型恒温晶体振荡器的需求的不断上升，大部分的工程中应用的都是进口晶振。虽然使用进口晶振能够大幅度促进我国武器装备技术水平的提升，但是在我国的国防建设中大范围运用进口晶振，其随之而来的风险之高也是不言而喻。首先，进口晶振的可靠性等级得不到充分的保证，而且还受到批量订货、供货周期等限制。其次，进口晶振的高昂价格以及任意频率点的选择受限情况也使大规模进口道路行不通。为了尽早结束我国对于高稳低相噪小型恒温晶体振荡器的长期依赖现状，实现我国国防建设需求的满足，对此课题进行研究，具有重要的实用价值。
2 高稳低相噪小型恒温晶体振荡器中的关键技术研究
2.1 小型化技术研究
在传统的高稳恒温晶体振荡器的研究中，其体积较大。主要的原因主要有以下三点。首先，是其使用玻璃壳晶体。其次，为了将晶体置于筒内，必须设计一个加热筒。最后，是需要增加硬泡沫塑料以提升整体的保温性能。高稳恒温晶体振荡器的温度控制电路一般采用直接放大的连续性控温电路。在进行加热的时候，要将玻璃壳晶体、泡沫塑料、加热丝和加热筒结合起来使用，而这种方式虽然温度的均匀性较高，而且控温精度也较高，但是因为配置材料太多，容易导致体积过大，加之其对工艺的环节要求较高，小型化较为困难。因此，冷压焊晶体的出现对小型恒温晶振的研制和发展创造了可能性。
在进行小型化尝试时，可将热敏电阻放置到晶体的顶部，受限于高度，还可以将晶体、三极管以及运放等器件放置于同一侧。在将印制板固定于机壳中时，可以将机壳底座上的四个安装管脚直接焊接于印制板上的四个安装孔，因为安装管脚既能够实现固定功能，又能够实现电气性能。在对其进行加热的时候，采用直接加热的方式，这样可以使电路以及结构更为简单、紧凑，而且其对于工艺的要求也较低。以上尝试都可以实现小型化效果。
2.2 温度控制系统的设计技术研究
温度控制系统包含许多辅助装置，比如恒温槽、温度控制电路以及感温元件等。温度控制系统是实现高稳低相噪小型恒温晶体振荡器设计要求的关键环节之一。虽然晶体的频率温度系数较小，但是这只在较窄的范围内实现。而为了提升晶体振荡器的频率稳定性，整个温控系统的控温精度都需要把控到一定高度，实现稳定性的保证。传统的恒温控制电路中，控温精度只能达到零下三摄氏度到零上三摄氏度左右。分析其中存在的问题，主要包含以下几点。首先，达到热平衡的收敛速度较慢，控温精度因此受到了限制。其次，在高低温的条件下，温度梯度的存在会造成晶体谐振器的温度与控温取样点不相一致。为了解决上述问题，可以从以下几个方面做出改进。
首先，重新评估温控电路的选择。PID温控电路的恒温槽能够实现在扰动作用点进行微分以及积分环节的串入，实现瞬态响应时间的缩短，提升系统的无差度，进一步实现开环增益以及系统稳定性之间矛盾的缓和，实现稳定性以及控制精度之间的更好权衡。其次，重新评估选择加热方式。正如上文所言，传统的组合加温方式下，体积缩小化难以实现，而且加热的功率也较大。冷压焊晶体出现后，无加热丝，利用晶体管直接对晶体进行加热的直接加热方式逐渐受到青睐，玻璃壳晶体体积也因此能够实现大幅度的缩小。最后，在传统的恒温结构设计中，加热筒是必要的结构之一。晶体在加热筒中进行加热，加热时间长而且也收不到较高的效率。选擇热敏电阻的位置也是较为重要的一个环节。将热敏电阻放置在晶体的顶部，能够实现良好的温控效果。
2.3 相位噪声技术研究
噪声是一种在电路内部存在的扰动信号，是由电路器件中材料的物理性能和温度等原因造成的一种电荷载流子运动的不规则变化。我们无法实现每个瞬间噪声的精确大小的预知，因为噪声是一种随机信号，而且还会与信号混杂在一起。为了实现噪声的降低，就必须进行噪声特性以及电路规律的分析，选择合理科学的元器件，进行噪声的控制。首先，要尽量选择Q值较高的晶体谐振器，降低噪音到最低，而且在进行设计的时候要尽量提升晶体的有载Q值。在进行电路的选定之后，进行晶体频差的合理选择，并且适当提升负载电容。其次，在进行主振电路的选择时，要尽量选择同等晶体激励条件下能够实现更高信号功率的输出的主振电路，实现放大器引入的调相噪声的减少。再次，在进行主振和放大器的选择时，尽量选取噪声系数为F1和F2的管子。最后，实现主振电路和晶体的1/f噪声的降低，降低晶体管的工作电流，实现闪烁噪声电平强度的减小。
2.4 老化率的研究
高稳低相噪小型恒温晶体振荡器在运用过程中的一个长稳指标是老化率，这个指标与晶振的连续运行息息相关。晶振的老化指标决定于晶体的固有特性以及电路的工作状态。为了实现高稳低相噪小型恒温晶体振荡器老化率的提升，首先要选取能够符合老化指标要求的晶体，其次，要设计合理的晶体激励电流，实现拐点的温度控制的更为精确。
3 总结
在未来的战争武器系统中，对于晶振反应速度、稳定程度以及功耗、相噪、抗恶劣程度等方面的要求越来越高。同时，随着高稳低相噪小型恒温晶体振荡器型号的不断发展，快速启动、稳定性提升、相噪降低等优良的温频要求都能够较为高效、高质的实现。因此，在高稳低相噪小型恒温晶体振荡器的研制以及各项关键技术的研究方面投入更多的时间的精力，符合时代发展的要求和趋势，能够为国防建设以及航空航天事业的发展提供更为坚实的技术支持。
参考文献
[1] 孙刚.100MHz超小体积恒温晶体振荡器的研制[J].电子制作 ，2013，（22）：1-2.
[2] 李晓博，翟浩，张俊等.铷钟用快速预热压控恒温晶体振荡器的设计[J].压电与声光，2010，32（3）：402-405.
[3] 周大进，郭建强，王小峰等.基于数字PID增量控制的恒温晶体振荡器[J].现代电子技术，2012，35（19）：148-151