引言
如今，超高頻振蕩器在通信中獲得了廣泛的應用，如通信中繼線路、電視、通信導航以及通信遙控系統等。超高頻振蕩器不僅被應用在各種通信系統的發送設備中，還作為接受設備的本機振蕩器并用于各種測量設備中（標準信號發生器、頻譜分析儀等）。因此，對封裝小、頻率高、相噪好、壓控寬、穩定性高的高頻晶振設計現在提出了更高的要求，本文給出了設計的討論意見。
技術指標
晶振主要技術規格如下：
• 標稱頻率：622.08MHz；
• 輸出信號類型：LVPECL；
• 占空比：45%/55%；
• 上升時間/下降時間：≤0.5nS；
• 輸出低電平：≤1.65V MAX；
• 輸出高電平：≥2.2V MIN；
• 輸出負載：50Ω；
• 輸入功率：3.3V±5%, ≤80mA；
• 相位抖動：1pS RMS MA （12KHz~20MHz）；
• 頻率溫度穩定度：≤±35PPM （-40℃ ~ +85℃）；
• 壓控頻率范圍：±80~±170PPM（Vc = +1.65V ± 1.35V）；
• 封裝：14mm×8.9mm×6.5mm（L×W×H）。
問題的分析和研究
晶振的輸出頻率為622.08MHz，要求頻率高、壓控范圍寬、工作溫區范圍大、相位噪聲低、相位抖動小、可靠性高、外形尺寸小。對于分米波段（特高頻 UHF）的輸出頻率，如果采用低頻基頻晶體鎖相高次倍頻實現，則很難避免相噪中遠端差。高基頻晶體模擬電路低次倍頻的方法在理論上可行，但目前國內基頻晶體一般在70MHz以下。所以，為了實現高頻率輸出、寬壓控范圍，此次采用三次泛音155.520MHz晶體模擬電路4次倍頻，從而實現高頻率輸出；采用特殊設計的電抗網絡電路外接晶體，改變晶體C0對牽引率的影響，實現寬壓控范圍。由于4倍頻要增加12dBc相位噪聲，晶體外加電抗網絡增加了電路復雜化，這兩者大大增加了實現低相位噪聲、晶振小封裝的難度。
低相位噪聲和寬壓控，溫度要求的實現
晶體的壓控靈敏度高即調整系數大，意味著動態 Q 值小，或頻率穩定性差。低相位噪聲的實現和晶振的壓控是相互制約的。該晶振的壓控范圍寬，因而頻率要有更大的調整系數，電抗網絡的增加與低相位噪聲的實現產生矛盾，這需要通過電抗網絡的參數選擇而在壓控和相噪之間找到平衡。
1. 石英諧振器的選擇
石英諧振器本身具有一定的溫度特性（如圖1）。它也是低相位噪聲實現的關鍵，此次采用了三次泛音155.520MHz晶體，由于采用了特殊的設計，具有小電阻、高Q值、良好的寄生抑制以及很好的老化特性。
圖1 石英諧振器本身具有一定的溫度特性
2. 電路設計
振蕩電路方框圖如圖2所示。其中，主振級采用改進型柯爾匹茲電路（如圖3）。為了減小頻偏 1kHz的相位噪聲，我們用提高信噪比的有效手段，加大了振蕩級的輸出幅度。為此振蕩級采用集電極放大輸出。此外，為降低相位噪聲，要特別注意電路元件參數的選擇和阻抗的轉換。
圖2 振蕩電路方框圖
圖3 主振級采用改進型柯爾匹茲電路
3. 工作狀態的選擇
通常的電路知識告訴我們，頻偏1kHz的低相位噪聲對一般電路而言都進入了白噪聲調相，主要是熱噪聲。各級工作電流在滿足輸出和諧波抑制的情況下應取最佳值，盡量減小噪聲。白噪聲源主要是晶體管，晶體管的工作點也特別影響晶振的頻率穩定度。而對于高頻泛音晶體來說，電路的激勵要大于對基頻晶體的激勵。所以我們選用高頻低噪聲管，其工作電流為 5mA~6mA。同時這也解決了電源穩定度的要求。
4. 其它考慮
三極管的選用也很關鍵，要選用高β、高 ft 、低噪聲管子，我們這次選用的ft為12GHz,并對元器件進行篩選和老化處理。
5. 壓控范圍的實現
采用三次泛音155.520 MHz石英諧振器，變容二極管與電抗網絡設計在不同部位，增大了對C0的影響，再控制石英諧振器的出廠頻差，實現了±80PPM~±170PPM的壓控頻率范圍要求。
輸出電平的實現
采用高頻LVPECL門電路IC。選用門電路的過程中，要注意對IC的輸入幅度、噪底、輸出電平、占空比、負載波動、工作電流的測試，并對器件進行老化測試，從而實現要求。
信號放大、非諧振波抑制和相互隔離的問題
該晶振采用倍頻方法達到 622.08MHz 輸出，4倍頻信號遠小于初始頻率信號，對于信號的放大、非諧波抑制及相互隔離的問題要著重注意。為此放大級采用高隔離的共集共基式，輸出采用網絡濾波，以抑制信號的泄漏。計算網絡參數，非諧波抑制可達-40dBc。
可靠性研究
隨著通信技術的發展，高頻晶振的可靠性測試被越來越多的使用者所重視。
1. 元器件的選用
我們選用軍品器件進行高低溫儲存、熱沖擊試驗，篩選和老化處理，以保證晶振熱性能的穩定。
2. 石英諧振器的選用
通常，石英諧振器通過普通環境條件測試而不損壞并不困難，但要求石英諧振器在極限環境條件下性能穩定就困難了。特別是在振動狀態下要求振蕩器相位噪聲和短期頻率穩定性能變化小是非常困難且難以實現的。因為石英諧振器是加速度的敏感元件，人們常用石英諧振器作加速度傳感器，而在晶振中恰恰是要避開它的敏感性，以減小振動對振蕩信號調制引起的頻率不穩定性和相位噪聲的增加。晶振要求石英諧振器的加速靈敏度性能指標盡量減小，晶振也要盡量克服和避開它對加速度的敏感性，而且泛音晶體要比基頻晶體在各個環境條件下更差。為此特別考慮了以下要求：1. 石英諧振器原料的選用、結構設計和結構件材料選用、工藝過程的設計和實施技巧；2. 晶振結構設計、晶體安裝方式、印制板設計和電裝工藝技巧。
測試結果
頻率溫度穩定性
測試結果見表1、圖4，可見溫度穩定性滿足要求。(單位：MHz)
表1 溫度頻率穩定度測試結果
圖4 溫度頻率穩定度
相位噪聲
相位噪聲曲線及抖動見圖5、圖6。測試結果見表2。可見相噪與抖動較好。
表2 相位噪聲測試結果
圖5 相位噪聲曲線 圖6 相位噪聲
信號輸出特性
信號輸出特性曲線見圖7、圖8。測試結果見表3。
圖7 輸出信號諧波與主頻圖 圖8 頻偏100MHz外頻譜圖
壓控范圍
電壓0.3V至3.0V的頻率壓控范圍與線性見表4、圖9。
表3 信號輸出測試結果
表4 頻率壓控范圍與線性
圖9 頻率壓控范圍與線性
輸出電平
輸出波形見圖10。
圖10 輸出波形
輸入功率
電源電壓3.3V的輸入電流見表5，可見功耗較小。
表5 電源電壓3.3V的輸入電流
表6 振動實驗數據
表7 沖擊實驗數據
表8 跌落實驗數據
環境條件測試
環境條件下的振動、沖擊、跌落測試見表6，可見可靠性較高。以下為試驗標準：
• 溫度沖擊：溫度范圍：-40℃~85℃ 保存時間：30min 循環次數：6 次
• 振動（破壞性的）：依次按X、Y、Z三個互相垂直的方向試驗，振幅為0.75mm，頻率為10Hz~55Hz，每個軸向掃描振動各30分鐘。
• 沖擊（破壞性的）：依次按X、Y、Z三個相互垂直的方向試驗，峰值加速度為1000m/s2，持續時間6ms，每個方向沖擊3次，波形為半正弦波。
• 跌落（破壞性）：晶體振蕩器從高75cm處自由跌落到混凝土平滑表面上，重復3次。
結束語
該晶振體積小、相噪好、壓控寬、頻譜優、可靠性高。在遠程中繼通信中，由于有可能產生銳定向輻射，因而使用此高頻晶振可以保證用較小的發射機功率實現遠距離通信并大大降低鄰近通信線路之間的相互干擾及減小竊聽通信的危險，適合通信系統中的中繼系統通信要求。