彭 超，王曉紅，程 林，王 梅，喬 揚

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

某機載雷達(dá)頻綜器相噪故障診斷與試驗分析*

彭 超，王曉紅，程 林，王 梅，喬 揚

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

針對某機載雷達(dá)的頻綜器在振動環(huán)境下相位噪聲(相噪)相比靜態(tài)環(huán)境下惡化明顯，不符合動態(tài)指標(biāo)要求的情況進(jìn)行故障診斷和試驗分析。通過相噪主要來源分析和振動特性試驗，探明了振動環(huán)境下導(dǎo)致相噪惡化的主要原因，并提出改進(jìn)方案。最后對改進(jìn)后頻綜器的相噪水平進(jìn)行試驗評估，結(jié)果顯示頻綜器的相噪全面達(dá)到指標(biāo)要求，成功解決了該頻綜器在振動環(huán)境下相噪惡化的問題。

頻綜器；相位噪聲；故障診斷；振動分析

引 言

頻綜器作為電子設(shè)備的時鐘參考基準(zhǔn)，是雷達(dá)等電子裝備的真正“心臟”，其好壞直接影響整個雷達(dá)的性能[1]。特別是現(xiàn)代雷達(dá)要不斷提高在強干擾環(huán)境下檢測弱信號的能力，這就要求作為雷達(dá)核心的頻綜器具備很高的頻率穩(wěn)定度。相噪作為頻綜器的重要指標(biāo)是材料物理性能、環(huán)境溫度、振動等原因引起的電荷載流子不規(guī)則變化而產(chǎn)生的電路內(nèi)部的一種固有擾動信號[2]，其指標(biāo)值的好壞與雷達(dá)的整機性能密切相關(guān)[3]。

在靜態(tài)條件下，頻綜器具有低相噪、低雜散和捷變頻的特性，但在振動環(huán)境下上述指標(biāo)將會明顯惡化[4]，特別是相噪指標(biāo)。如何使振動環(huán)境下頻綜器的相噪滿足設(shè)計指標(biāo)要求是設(shè)計高性能頻綜器的一個關(guān)鍵問題。

某機載雷達(dá)頻綜器靜態(tài)條件下相噪特性表現(xiàn)優(yōu)良，指標(biāo)值均滿足靜態(tài)指標(biāo)要求，并有一定的余量。但是在隨機振動環(huán)境(動態(tài)環(huán)境)下，相噪惡化明顯，不滿足動態(tài)指標(biāo)要求。本文以該頻綜器為研究對象，對其相噪不符合動態(tài)指標(biāo)要求的問題進(jìn)行試驗分析，探明在振動試驗中導(dǎo)致相噪惡化的主要原因，然后根據(jù)相噪的具體來源進(jìn)行相應(yīng)的試驗改進(jìn)，并對改進(jìn)后的相噪進(jìn)行評價。

1 頻綜器

1.1 結(jié)構(gòu)描述

某頻綜器的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，主要由諧振器和3個時鐘本征構(gòu)成。

圖1 某頻綜器的結(jié)構(gòu)形式

圖中諧振器為一晶體振蕩器，通過晶振安裝盒安裝在頻綜器的右側(cè)壁上；晶體振蕩器與晶振安裝盒之間采用泡沫填充，且晶體振蕩器自帶一級隔振系統(tǒng)；3個時鐘本征并排安裝于頻綜器箱體的前端位置，晶體振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號經(jīng)過3個時鐘本征進(jìn)行處理后對外輸出，且3組信號輸出通道分別命名為XS03、XS04、XS05。整個頻綜器的重量為11 kg，通過4個金屬橡膠隔振器固定在安裝底座上。單個金屬橡膠隔振器額定載荷為3 kg，固有頻率≤9 Hz，共振傳遞率≤1.8，工作頻率范圍10～2 000 Hz。

1.2 相噪故障描述

按照圖2所示隨機振動試驗條件，對該頻綜器進(jìn)行功能試驗，測試該頻綜器在動態(tài)條件下的相噪指標(biāo)。其中信號最差的XS04通道的測試結(jié)果如圖3所示。

圖2 隨機振動試驗條件

圖3 XS04通道相噪測試曲線

圖3中實線為靜態(tài)條件下頻綜器的相噪曲線，虛線為動態(tài)條件下相噪曲線；圓點為關(guān)鍵頻率點處對應(yīng)的動態(tài)相噪指標(biāo)值。由測試結(jié)果可見：頻綜器的靜態(tài)相噪表現(xiàn)優(yōu)良，整個頻域上較為平緩。然而在頻率點540 Hz處的動態(tài)相噪為-113.4 dB，雖然基本達(dá)到動態(tài)指標(biāo)要求，但是相比靜態(tài)相噪惡化了10 dB；在頻率點1 kHz處，動態(tài)相噪為-113.2 dB，相比靜態(tài)相噪惡化了14 dB，且不符合動態(tài)指標(biāo)要求?？梢妱討B(tài)條件下相噪指標(biāo)惡化明顯，這將嚴(yán)重影響雷達(dá)的整體性能。

2 相噪主要來源及試驗分析流程

2.1 相噪的主要來源分析

根據(jù)頻綜器的結(jié)構(gòu)形式，并參考源信號的傳遞路徑，動態(tài)條件下產(chǎn)生較大相噪的可能原因有以下3個方面：

1)在頻綜器中，晶體振蕩器所處的結(jié)構(gòu)環(huán)境較為復(fù)雜。振動經(jīng)過隔振器傳遞到頻綜器機箱，然后再經(jīng)過填充泡沫傳遞到晶體振蕩器，并且晶體振蕩器本身帶有一級隔振系統(tǒng)，這樣晶體振蕩器就相當(dāng)于一個多級隔振系統(tǒng)。隔振器的型號參數(shù)和填充泡沫的形狀、材料的選取都會影響晶體振蕩器的振動，設(shè)計不當(dāng)，不但不能起到隔振效果，反而會加劇晶體振蕩器的振動。

2)頻綜器中晶體振蕩器與時鐘本征連接線纜和接頭懸置于頻綜器的箱體內(nèi)部。在振動環(huán)境下，連接電纜和接頭很容易產(chǎn)生振動，特別是質(zhì)量相對較重的連接接頭，稍有松動和擾動都有可能帶來較大的相噪。

3)在頻綜器中，除了作為核心的晶體振蕩器外，還有3個時鐘本征。時鐘本征為高度集成的一體化組件，由大量的元器件、電子線路構(gòu)成，在振動環(huán)境下也會引起信號的擾動，進(jìn)而惡化相噪。

上述3種可能來源中，第一種較為多見，這是由于振動對晶體振蕩器的影響機理較為復(fù)雜，涉及晶振自身的振動加速度方向[5-6]、靈敏度[7]、切型[8]等多種因素。僅僅單一頻率的振動信號都會引起晶振的輸出信號在一系列的電訊頻率上產(chǎn)生相噪，而對于隨機振動信號，其對晶振輸出信號的相噪影響就非常復(fù)雜，很難從理論上找出振動信號與晶振相噪的直接影響關(guān)系[7，9]。后兩種原因主要是因為電子線路、電纜和接頭的機械振動引入的信號擾動，其產(chǎn)生的相噪與振動信號的頻率有直接關(guān)系[10]。

2.2 來源分析試驗流程

由于相噪可能來源的不確定性，本文將通過試驗對比不同工況下頻綜器的相噪值來判定其主要來源。根據(jù)試驗的可操作性，分別進(jìn)行原設(shè)備靜態(tài)和動態(tài)相噪試驗、獨立晶振動態(tài)相噪試驗、以及固定懸置的連接電纜和接頭后的動態(tài)相噪試驗等，并同時考察試驗過程中振動傳遞特性。其中獨立晶振的動態(tài)相噪試驗是指通過延長線將晶體振蕩器從頻綜器中獨立出來，即在晶體振蕩器不振動，時鐘本征等其他部件振動的情況下進(jìn)行相噪試驗。具體試驗和分析流程如圖4所示。

圖4 試驗分析流程

由圖所示，首先對比原設(shè)備狀態(tài)和獨立晶振狀態(tài)的動態(tài)相噪試驗，判斷相噪是否來源于晶體振蕩器。若獨立出晶振后，相噪明顯減小，則說明相噪主要來源于晶振。對于這種情況主要采用優(yōu)化晶振隔振的方式來降低相噪，可以采取的方法有：優(yōu)化機箱底部隔振器，提高整體隔振性能[11]；優(yōu)化晶振隔振方式，采用更為柔軟的填充材料、增加配重、采用專用的晶振隔振器等[12]。如果相噪沒有較大變化，則相噪主要來源于除晶振之外的時鐘本征、連接電纜和接頭等其他電子器件。進(jìn)一步對比原設(shè)備狀態(tài)和固定懸置電纜和接頭后的動態(tài)相噪，若相噪來源于懸置的電纜和接頭，則需要進(jìn)一步優(yōu)化線纜布置方式。若相噪來源于時鐘本征，鑒于相噪與振動信號的頻率有直接關(guān)系，且時鐘本征為高度集成的一體化設(shè)備，結(jié)構(gòu)優(yōu)化空間不大，因此只能從振動傳遞路徑上去分析相關(guān)的振動傳遞和頻率特性，找出振動傳遞路徑上設(shè)計不合理的位置。具體包括頻綜器底部隔振器的減振效果試驗、安裝夾具的傳遞特性試驗和振動擴(kuò)展臺的頻率特性試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果采取相應(yīng)的改進(jìn)措施來減小振動對相噪的影響。

3 試驗診斷與分析

3.1 試驗測試系統(tǒng)

根據(jù)試驗流程圖建立了如圖5所示的測試系統(tǒng)，包括相噪測試系統(tǒng)和振動測試系統(tǒng)。其中相噪測試系統(tǒng)由頻綜器、電源、相噪分析儀組成；振動測試系統(tǒng)由加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集儀和計算機構(gòu)成。試驗中頻綜器通過4個隔振器連接到底面安裝夾具上，安裝夾具固定在振動臺的擴(kuò)展臺上。在擴(kuò)展臺上固定了2個加速度傳感器，通過這兩點的加速度平均信號來控制振動臺的振動。

圖5 相噪與振動測試系統(tǒng)

3.2 相噪測試及分析

按照上述測試流程和測試系統(tǒng)，分別獲得頻綜器在4種工況下3個時鐘本征輸出信號的相噪，其中XS04通道在動態(tài)環(huán)境下的相噪相比于XS03和XS05通道較差，為了充分體現(xiàn)出對比結(jié)果，將XS04通道作為分析對象。圖6給出了XS04通道的相噪測試結(jié)果。

圖6 XS04通道幾種情況下相噪曲線對比

通過對比可見，在獨立晶振和固定連接電纜與接頭這2種工況下，時鐘本征輸出信號的動態(tài)相噪曲線相比原狀態(tài)并沒有太大的變化。這說明加固晶振連接電纜和接頭以及獨立晶振等降低晶體振蕩器振動的措施對減小相噪沒有作用，即排除了相噪來源于晶體振蕩器和連接電纜與接頭的振動；另外在現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)形式下，晶體振蕩器的隔振效果較好。排除了晶振的影響，則相噪的主要來源是時鐘本征。

3.3 振動特性測試及分析

由前面試驗分析可知，頻綜器的相噪主要來源于時鐘本征，與晶振無關(guān)。而時鐘本征由大量的元器件、電子線路構(gòu)成，在振動條件下，導(dǎo)致相噪惡化的主要原因是電路板、連接點的振動導(dǎo)致的信號擾動。其產(chǎn)生的相噪與振動信號有直接關(guān)系，可以通過分析振動傳遞特性和頻率特性來尋找導(dǎo)致相噪惡化的根本原因。

圖7 加速度傳感器位置分布

3.3.1 振動傳遞特性

MCGS工業(yè)用觸摸屏是北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司產(chǎn)品，性能穩(wěn)定，內(nèi)含一套基于實時多任務(wù)系統(tǒng)的組態(tài)軟件，通過模塊化組態(tài)就可構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)，從而可以從繁瑣的編程中解脫出來。

為了分析振動傳遞特性，在頻綜器與振動臺上布置了10個加速度傳感器，如圖7所示。其中1、2、3、4號測點位于頻綜器頂部的4個角點上；5、6、7、8號測點位于安裝底板4個隔振器附近；9、10號測點位于振動臺的擴(kuò)展臺上。

通過測試獲取了原設(shè)備在動態(tài)環(huán)境下各測點的功率譜曲線如圖8所示。

通過對比可見，在整個頻率范圍內(nèi)，測點5～8的功率譜密度明顯大于測點9～10，并且顯著大于測點1～4。根據(jù)功率譜密度曲線進(jìn)一步計算可以得到各測點的均方根值，如表1所示。

圖8 改進(jìn)前各測點的加速度功率譜

由計算數(shù)據(jù)可見，擴(kuò)展臺臺面到安裝夾具之間振動放大+7.78 dB，這說明振動經(jīng)過安裝夾具后被明顯放大，也就無形地放大了頻綜器的試驗輸入量值，顯然不符合安裝夾具的要求。理論上，安裝夾具應(yīng)當(dāng)與控制臺面緊固在一起，振動經(jīng)過安裝夾具后，不能有明顯的放大和減小[13]。并且安裝夾具上測點5、6、7、8的振動不一致，其中測點8振動最大，測點6其次，這是由于安裝夾具不平整以及安裝剛度不夠。安裝夾具到頻綜器頂面之間振動衰減-26.8 dB，可見隔振器的減振效果非常明顯。

另外，測點9、10的平均均方根為5.45g，明顯大于圖2中的試驗輸入，有過試驗現(xiàn)象。并且在測點9、10的功率譜曲線中，1 000 Hz處出現(xiàn)了明顯的峰值，而500 Hz之后的功率譜密度為常值，可見該峰值為異常峰值，可能與擴(kuò)展臺本身振動特性相關(guān)。而且該異常峰值的頻率正好與相噪測試中關(guān)注的頻率點1 000 Hz非常接近，這將對頻綜器的相噪產(chǎn)生明顯的影響。

3.3.2 振動臺/擴(kuò)展臺頻率特性

為了判斷異常峰值產(chǎn)生的原因，對振動臺連接擴(kuò)展臺和不連接擴(kuò)展臺兩種狀態(tài)進(jìn)行了空載振動臺掃頻測試，掃頻范圍為15～2 000 Hz，圖9為掃頻測試結(jié)果。由測試結(jié)果可見，振動臺連接擴(kuò)展臺時，在掃頻范圍內(nèi)具有多階峰值，且570 Hz和1 000 Hz處的峰值尤為明顯，其中570 Hz的峰值在圖8所示的隨機振動中沒有得到體現(xiàn)。這兩階峰值的頻率正好與相噪關(guān)注頻率540 Hz和1 000 Hz非常接近，可見使用這種狀態(tài)的振動臺進(jìn)行該頻綜器的相噪試驗并不恰當(dāng)。而在振動臺不連接擴(kuò)展臺時，掃頻結(jié)果顯示在1 500 Hz之后才開始逐漸出現(xiàn)第一階峰值，且峰值頻率較高，能夠有效地避開相噪關(guān)注點，比較適合進(jìn)行該頻綜器的試驗。

圖9 空載振動臺掃頻曲線

通過以上分析可知：一方面安裝夾具不平整以及安裝剛度不夠?qū)е抡駝咏?jīng)過安裝夾具后被明顯放大，加大了頻綜器的試驗輸入量值，不符合安裝夾具的要求；另一方面振動臺在連接擴(kuò)展臺后，其頻率特性發(fā)生了明顯的變化，在570 Hz和1 000 Hz處的峰值尤為明顯，且與相噪關(guān)注頻率相近，不利于相噪試驗的測試結(jié)果。

4 改進(jìn)優(yōu)化和試驗評估

4.1 改進(jìn)優(yōu)化

圖10 改進(jìn)后安裝夾具及連接圖

4.2 改進(jìn)后振動傳遞特性

在改進(jìn)后的安裝夾具和振動臺上對頻綜器的振動特征進(jìn)行測試。表2為改進(jìn)后各測點的均方根加速度及振動衰減，圖11為改進(jìn)后各測點的加速度功率譜。

表2 改進(jìn)后各測點的均方根加速度及振動衰減

圖11 改進(jìn)后各測點的加速度功率譜

由圖11可見，測點5～8的振動量值與測點9～10的振動量值比較接近，夾具對振動的放大為2.5 dB，放大作用較改進(jìn)前有明顯減小。由圖11(b)還可以看到，夾具對振動的放大作用主要集中在高頻，這種振動很容易被隔振器隔離。另外，測點9～10的功率譜曲線在相噪關(guān)注頻率點570 Hz和1 000 Hz附近峰值消失。

4.3 改進(jìn)后相噪評估

進(jìn)一步在改進(jìn)后的安裝夾具和振動臺上對頻綜器的相噪進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖12所示。其中，圖12(a)為改進(jìn)后3個輸出通道的動態(tài)相噪曲線，圖12(b)為改進(jìn)前后XS04通道動態(tài)相噪對比圖。由圖可見，在1 kHz處，改進(jìn)后頻綜器的相噪相比改進(jìn)前有了明顯改善，平均降低8 dB。且各個頻率點處的相噪值都達(dá)到了指標(biāo)要求?？梢姼倪M(jìn)措施達(dá)到了預(yù)期目的，成功解決了頻綜器相噪超標(biāo)問題。

圖12 改進(jìn)后相噪測試結(jié)果

5 結(jié)束語

本文針對頻綜器的相噪進(jìn)行了試驗分析和改進(jìn)。

首先，根據(jù)電訊部門的試驗結(jié)果和頻綜器的結(jié)構(gòu)形式，分析了頻綜器在動態(tài)條件下相噪明顯惡化的可能原因。并對各種可能來源進(jìn)行了試驗判斷，得出頻綜器相噪惡化的主要原因是本征等其他電子線路的振動，與晶振的振動沒有關(guān)系。

其次，通過振動特性試驗分析了安裝夾具、振動臺擴(kuò)展臺對振動特性的影響，找出安裝夾具和振動臺擴(kuò)展臺設(shè)計不合理是導(dǎo)致相噪惡化的根本原因。

最后，對安裝夾具和振動臺進(jìn)行了改進(jìn)，并對改進(jìn)后頻綜器的相噪進(jìn)行了測試。測試結(jié)果顯示，頻綜器的相噪有了明顯改善，全面達(dá)到指標(biāo)要求，改進(jìn)措施有效。

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彭 超(1984-)，男，博士，工程師，主要從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計、振動控制及力學(xué)仿真相關(guān)工作。

Fault Diagnosis and Experimental Analysis for the Frequency Synthesizer Phase Noise of an Airborne Radar

PENG Chao，WANG Xiao-hong，CHENG Lin，WANG Mei，QIAO Yang

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

The phase noise of the frequency synthesizer of an airborne radar deteriorates significantly under vibration environment comparing with static environment, does not meet the dynamic index requirements. Therefore, this paper carries out fault diagnosis and test analysis. Through the analysis of the main source of phase noise and vibration characteristics test, the main reason of phase noise deterioration under vibration is found, and the corresponding improvements are presented. At the end, the phase noise level of the improved frequency synthesizer is tested and evaluated, and the results completely satisfy the requirements. Therefore, the phase noise deterioration of frequency synthesizer under vibration is successfully solved.

frequency synthesizer; phase noise; fault diagnosis; vibration analysis

2014-10-23

TN73；TB123

A

1008-5300(2015)01-0019-06