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        一種聯(lián)合補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)相位噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

        2020-05-10 04:45:42沈文淵穆曉華蔣創(chuàng)新
        壓電與聲光 2020年2期
        關(guān)鍵詞:晶振無源有源

        成 斌,沈文淵,葉 鋒,穆曉華,蔣創(chuàng)新

        (中國電子科技集團(tuán)公司第二十六研究所,重慶 400060)

        0 引言

        隨著國防工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展,各種車載、機(jī)載和彈載電子設(shè)備對頻率綜合器性能提出了越來越高的需求,相位噪聲作為表征頻率綜合器輸出信號質(zhì)量的核心指標(biāo),在頻率綜合器指標(biāo)設(shè)計(jì)體系中占據(jù)核心地位。且相位噪聲屬于振動(dòng)敏感指標(biāo),機(jī)載火控雷達(dá)、合成孔徑雷達(dá)(SAR)成像導(dǎo)引頭等應(yīng)用場景均為強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境,在這種環(huán)境中頻率綜合器會(huì)受到來自環(huán)境中的振動(dòng)干擾,引起相位噪聲指標(biāo)顯著惡化,進(jìn)而影響整機(jī)性能。振動(dòng)條件下測得頻率綜合器輸出信號的相位噪聲稱為動(dòng)態(tài)相位噪聲,如何提高頻率綜合器的動(dòng)態(tài)相位噪聲指標(biāo)已成為當(dāng)今國防工業(yè)急需解決的重要課題[1-2]。

        晶體振蕩器(晶振)作為一種高性能信號源已被廣泛應(yīng)用于頻率綜合器中產(chǎn)生基準(zhǔn)信號。晶振作為振動(dòng)敏感器件,其輸出信號動(dòng)態(tài)相位噪聲指標(biāo)的惡化直接導(dǎo)致頻率綜合器最終輸出信號的動(dòng)態(tài)相位噪聲變差。目前,國內(nèi)抗振研究主要集中于無源補(bǔ)償方式,即采用橡膠減振器、金屬減振器等對振動(dòng)量級進(jìn)行隔離和衰減。由于無源減振系統(tǒng)的諧振頻率為幾十到幾百赫茲,對輸出信號相位噪聲偏離載波幾百赫茲外減振效果明顯,而在100 Hz內(nèi)的動(dòng)態(tài)相位噪聲無明顯效果,甚至還會(huì)惡化。

        本文重點(diǎn)研究晶振的動(dòng)態(tài)相位噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,提出了一種無源隔振補(bǔ)償和有源加速度電補(bǔ)償聯(lián)合補(bǔ)償方案,在偏離載波10~2 000 Hz內(nèi),振動(dòng)均方根量級為17.9g(g=9.8 m/s2)的強(qiáng)振動(dòng)條件下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)相位噪聲優(yōu)化15~35 dB。

        1 動(dòng)態(tài)相位噪聲惡化原理

        晶振產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(如10 MHz,100 MHz等)后通過頻率綜合器倍頻、混頻變換產(chǎn)生其他頻率信號供系統(tǒng)使用。晶振在振動(dòng)環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力弛豫效應(yīng),引起振蕩頻率的擾動(dòng);這種頻率擾動(dòng)表現(xiàn)為振動(dòng)加速度頻率對晶振輸出信號頻率的調(diào)制[3-4]。晶振頻率在振動(dòng)環(huán)境下的調(diào)制可表示為

        f(a)=f0×(1+?!)

        (1)

        式中:f(a)為振動(dòng)下的輸出頻率;f0為靜態(tài)條件下的輸出頻率;Γ為加速度靈敏度;a為加速度的合成矢量且滿足:

        a=A·cos(2πfvt)

        (2)

        式中:A為加速度峰值;fv為隨機(jī)振動(dòng)頻率。

        將式(2)代入式(1)可得:

        f(a)=f0+Γ·Af0·cos(2πfvt)

        (3)

        設(shè)晶振輸出信號的幅度為

        V(t)=V0cosφ(t)

        (4)

        式中φ(t)為頻率對時(shí)間的積分,且:

        (5)

        式中h為時(shí)間積分變量。

        將式(3)代入式(5)可得

        (6)

        式中Δf=?!f0。

        將式(6)代入式(4),用貝塞爾級數(shù)展開,并忽略高階項(xiàng)近似可得:

        (7)

        將式(7)對數(shù)表示為單邊帶相位噪聲功率譜密度,簡單改寫可得晶振的動(dòng)態(tài)相位噪聲為

        (8)

        從式(8)可看出,動(dòng)態(tài)下相位噪聲只與晶振的Γ和PSD相關(guān),而與晶振靜態(tài)相位噪聲指標(biāo)無關(guān)。因此,改善晶振動(dòng)態(tài)相位噪聲只能從Γ和PSD著手。

        在頻率綜合器內(nèi)設(shè)計(jì)晶振減振結(jié)構(gòu),晶振實(shí)際承受的PSD為

        PSD=PSDu·TA

        (9)

        式中:PSDu為外界施加于頻率綜合器的加速度功率譜密度;TA為減振結(jié)構(gòu)的傳遞系數(shù)。

        由式(9)可知,在電路硬件結(jié)構(gòu)確定的條件下對內(nèi)部振動(dòng)敏感器件采取有效機(jī)械減振措施,并最大限度地減小減振系統(tǒng)的TA,是提高晶振抗振性能的一種有效措施[5-6]。

        2 動(dòng)態(tài)相位噪聲優(yōu)化方案

        下面以一種SAR成像體制雷達(dá)抗振需求為例介紹本文聯(lián)合補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)相位噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,具體要求如下:

        1) 動(dòng)態(tài)相位噪聲要求。100 MHz晶振輸出信號動(dòng)態(tài)相位噪聲指標(biāo)要求達(dá)到-90 dBc/Hz@10 Hz、-105 dBc/Hz@100 Hz和-130 dBc/Hz@1 kHz。

        2) 隨機(jī)振動(dòng)條件如表1所示。

        表1 隨機(jī)振動(dòng)譜密度(g=9.8 m/s2)

        設(shè)計(jì)中選擇晶振固有的加速度靈敏度為1 ×10-9)/g,工作頻率為100 MHz,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行聯(lián)合抗振補(bǔ)償設(shè)計(jì)。

        2.1 無源減振方案設(shè)計(jì)

        采用無源隔振系統(tǒng)對晶振進(jìn)行振動(dòng)補(bǔ)償?shù)某橄竽P腿鐖D1所示。圖中,m為被減振器件的質(zhì)量,k為機(jī)械減振器的勁度系數(shù),c為機(jī)械減振器的阻尼系數(shù),x0為振動(dòng)器件位移,u0為隔振系統(tǒng)的振動(dòng)幅值。

        圖1 機(jī)械振動(dòng)隔振模型

        當(dāng)外界振動(dòng)為垂向諧振u=u0sin(ωt)時(shí),被減振晶體振蕩器的運(yùn)動(dòng)方程為

        (10)

        設(shè)式(10)的特解瞬時(shí)位移x=x0sin(ωt-φ),通過拉普拉斯變換求解方程(10)可得系統(tǒng)傳遞系數(shù)為

        (11)

        圖2 兩級無源隔振結(jié)構(gòu)模型

        將兩級無源隔振結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行仿真分析,其分析結(jié)果如圖3所示。

        圖3 兩級隔振結(jié)構(gòu)的仿真曲線

        圖4為無源減振系統(tǒng)對振動(dòng)量級的傳遞函數(shù)。由圖4可看出,在振動(dòng)頻率大于222 Hz時(shí),晶振上的振動(dòng)量值開始小于輸入振動(dòng)的量值,外界激振頻率為1 000 Hz時(shí),系統(tǒng)的傳遞率約為0.1%;在外界激振頻率約100 Hz,系統(tǒng)傳遞率為1 000%,即放大約10倍。

        圖4 兩級隔振結(jié)構(gòu)的傳遞率

        2.2 有源電補(bǔ)償方案

        通常的晶振設(shè)計(jì)均預(yù)留VT管腳可對晶振輸出頻率進(jìn)行壓控調(diào)節(jié)。式(1)所述晶振在振動(dòng)過程中輸出頻率會(huì)被外界振動(dòng)頻率調(diào)制,進(jìn)而導(dǎo)致晶振輸出信號動(dòng)態(tài)相位噪聲指標(biāo)惡化。反之,有源加速度補(bǔ)償方案通過對晶振VT管腳進(jìn)行電壓補(bǔ)償來達(dá)到優(yōu)化近端相噪的目的。

        經(jīng)有源加速度電補(bǔ)償?shù)木w諧振器輸出頻率為

        f(a)=f0+f0·Γ·a-(Va-V0)·Kv

        (12)

        式中:Va為振動(dòng)條件下的補(bǔ)償電壓;V0為靜態(tài)下晶振壓控電壓初始值;Kv為晶振的電壓和頻率調(diào)整系數(shù)。

        由式(12)可知,補(bǔ)償裝置完全抵消振動(dòng)對晶振頻率的影響需要附加的補(bǔ)償電壓為

        Va=f0·Г·a/Kv+V0

        (13)

        理論上補(bǔ)償裝置可測得此時(shí)的a,根據(jù)式(13)給出Va,可實(shí)現(xiàn)對加速度效應(yīng)的完全補(bǔ)償。

        在實(shí)際設(shè)計(jì)中,晶振的Γ和a均為三維矢量,試驗(yàn)時(shí)可進(jìn)行標(biāo)量化簡化處理,然后可根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果加以修正,即:

        ?!=Γx·ax+Γy·ay+Γz·az

        (14)

        式中Γx,ax,Γy,ay,Γz,az分別為x、y、z軸對應(yīng)的加速度靈敏度和加速度的分量。

        圖5為有源加速度電補(bǔ)償方案具體實(shí)現(xiàn)方式。首先通過加速度傳感器采集a與Va數(shù)據(jù),然后擬合Va與a之間的公式,通過振動(dòng)量級計(jì)算出相應(yīng)的Va,并將需要補(bǔ)償?shù)碾妷褐祵懭肟刂破?,對晶振VT電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)的振動(dòng)補(bǔ)償。最后上機(jī)測試驗(yàn)證并進(jìn)行公式修正,最終實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的電補(bǔ)償效果。

        圖5 有源加速度電補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)方案

        通過以上加速度電補(bǔ)償?shù)姆绞?,?shí)現(xiàn)晶振信號近端動(dòng)態(tài)相噪的改善,抵消無源補(bǔ)償方法中TA>1的放大部分,最終實(shí)現(xiàn)晶振在10~2 000 Hz的動(dòng)態(tài)相位噪聲指標(biāo)優(yōu)化。

        3 聯(lián)合補(bǔ)償系統(tǒng)性能分析

        圖6為聯(lián)合補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)相位噪聲測試。相位噪聲測試采用安捷侖公司的信號源分析儀E5052B。

        圖6 動(dòng)態(tài)相噪測試框圖

        頻率綜合器模塊不進(jìn)行抗振處理(硬振)實(shí)測晶振100 MHz輸出信號相位噪聲曲線如圖7所示。由圖可知,動(dòng)態(tài)相位噪聲測試值為-65 dBc/Hz@10 Hz, -83 dBc/Hz@100 Hz和-106 dBc/Hz@1 kHz,比指標(biāo)要求值差約30 dB。

        圖7 晶振硬振信號動(dòng)態(tài)相噪曲線

        采用本文所述的無源隔振和有源電補(bǔ)償聯(lián)合抗振設(shè)計(jì)方法,對頻率綜合器晶振模塊實(shí)施聯(lián)合補(bǔ)償后實(shí)測動(dòng)態(tài)相噪曲線如圖8所示。表2為聯(lián)合補(bǔ)償效果對比。

        圖8 聯(lián)合補(bǔ)償后晶振信號動(dòng)態(tài)相噪曲線

        表2 聯(lián)合補(bǔ)償效果對比

        由圖8和表2可知,聯(lián)合補(bǔ)償法在振動(dòng)頻率為100 Hz處相位噪聲指標(biāo)改善了27 dB,主要是有源電補(bǔ)償起作用;200 Hz處于無源橡膠減振器諧振頻率附近,且振動(dòng)量級本身較大(0.9g2/Hz),通過電補(bǔ)償?shù)姆绞脚まD(zhuǎn)了振動(dòng)量級放大的趨勢,且優(yōu)化了15 dB;1 000 Hz處無源隔振系統(tǒng)對加速度功率譜密度傳遞了0.1%,相位噪聲指標(biāo)改善了約27 dB。頻率綜合器通過該聯(lián)合補(bǔ)償設(shè)計(jì)方法使晶振動(dòng)態(tài)相位噪聲在10~2 000 Hz時(shí)優(yōu)化了15~35 dB。

        4 結(jié)束語

        本文介紹了一種結(jié)合無源隔振和有源加速度電補(bǔ)償?shù)穆?lián)合振動(dòng)補(bǔ)償設(shè)計(jì)方法,該方法采用兩級橡膠減震器實(shí)現(xiàn)無源隔振,優(yōu)化了晶振在300 Hz外的動(dòng)態(tài)相位噪聲;利用有源加速度電補(bǔ)償?shù)姆绞絻?yōu)化了10~200 Hz的動(dòng)態(tài)相位噪聲。依據(jù)該方法設(shè)計(jì)的抗振頻率合成器實(shí)測結(jié)果表明,在10~2 000 Hz頻率范圍內(nèi),在大量級振動(dòng)(均方根量級17.9g)條件下,動(dòng)態(tài)相位噪聲指標(biāo)優(yōu)化15~35 dB。滿足了SAR成像雷達(dá)大量級振動(dòng)下動(dòng)態(tài)相位噪聲指標(biāo)的要求,具有較好的應(yīng)用前景。

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