【经验】振动下的相噪性能—加速度敏感度分析

时间： 2021-08-31 来源：大普通信

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晶体振荡器作为频率参考源，被广泛应用到军、民用通信电台，微波通信设备，程控电话交换机，无线电综合测试仪，BP机、移动电话发射台，高档频率计数器、GPS、卫星通信、遥控移动设备等。特别是存在于无人机、直升机、喷气式飞机等应用中的振动环境极为恶劣。在这些应用系统中，振动诱发的相位噪声极大地影响了信号的捕获。而通常这些受外力振动的作用可以归结为加速度的影响。

虽然在设计过程中可以使用机械隔振方案来减轻振动的影响，或是通过加速度补偿设计方案，可以解决振动过程中的相位噪声的影响，但在引入设计方案时，需要评估该方案是否切实能解决振动的影响，是否能达到实际应用的要求，这些就需要运用合理的加速度敏感度的方法进行测试验证。

一、加速度敏感度测试

目前国内外测量晶体振荡器加速度敏感度主要使用以下方法：

1、离心机试验：

在离心机旋转的同时，用示波器监视晶振的输出波形，并用频率计记录输出。测出频率随加速度变化后，再进一步计算加速度敏感度，该方法目前不常用。

2、2g 倾翻试验：

该试验的原理是：晶体振荡器在台面上翻转180℃，使原来接触台面的地面反过来朝上，由于地球的重力场具有方向性，晶体振荡器中的晶片的加速度变化了2g，受重力加速度方向变化的影响，晶体频率会发生变化。

3、正弦振动试验：

在振动台上进行正弦振动，利用正弦振动测出晶振频率随振动加速度的变化。同时，根据随机振动试验的方法来测量相位噪声，进而得到加速度敏感度。

目前大普通信晶体振荡实验室主要根据GJB1648-2011晶体振荡器通用规范并结合客户实际应用场景来评估晶振加速度敏感度，以此确定产品是否满足在客户的实际应用。

二、2g倾翻法

晶体振荡器在承受恒定加速度和承受零加速度时，其频偏的大小略有差别，且频偏的大小正比于加速度的大小，还与加速度的方向有关。

晶体振荡器的加速度敏感度是一个矢量，因此在有加速度时，频率可以写成两个矢量指量的函数：

公式 1

当加速度与加速度敏感度矢量同向平行时，其频率最大。当加速度与加速度敏感度矢量反向平行时，其频率最小。对于垂直于加速度敏感度矢量的任何平面内的加速度所产生的频移均为零。

即使没有运动，（1）式所示的频移也包括由于重力加速度引起的频移。这个频移所引起的频移通常称为“2g倾翻”频移。在2g倒转时，指向地球中心的加速度为1g,当晶体振荡器绕水平旋转180°时，加速度同垂直于晶体振荡器原先“顶面”的单位矢量之标量积从-1g变成+1g,其差值为2g。

根据GJB1648-2011规范中2g倾翻加速度敏感度的规定，定义晶体振荡器产品外壳的三个互相垂直的轴线X,Y,Z。

将OCXO晶体振荡器置于X轴线垂直位置，单位矢量朝上平行于Y轴线正向。在水平台面上翻转180°，使原来接触台面的地面反过来朝上，继续翻转180°回到原来的位置。在倾翻的过程中监控10MHz OCXO的频率输出。同样的方法，完成其它2个轴的倾翻。不同晶振设计XYZ趋向不同，以原点作为初始输出频率，则360度倾翻过程中的频偏图如下：

图 1

由以上测试结果确定：当加速度与加速度敏感度矢量同向平行时，其频率最大。XYZ3轴的加速度敏感度矢量的幅值为：X=0.563 ppb/g，Y=2.625 ppb/g ，Z=0.188 ppb/g

三个轴测量后，根据GJB1648-2011规范，根据下列公式计算加速度敏感度：

公式 2

由此可计算出该OCXO产品的加速度敏感度为2.7ppb/g。

三、相噪噪声测试

目前晶体振荡器相位噪声的测试方法有两种：一种是采用相位检波器法的正交技术，PN9000相位噪声测试系统就是采用正交技术。测试时需要一个参考源，被测件被锁定在参考源时才能进行测试。另一种是采用互相关技术的测试方法，Agilent E5052B信号源分析仪的测试方法就是采用互相关技术。通过增加相关次数N Correlation消除测试系统的误差，最大限度降低测试系统的影响。测试时不需要参考源锁定，测试比较方便，且测试速度快。

目前大普通信晶体振荡实验室同时拥有PN9000相位噪声测试系统和Agilent E5052B信号源分析仪，适用于不同情况下的相噪测试需求，并通过增加优化噪底功能和对比实验，解决了抗振晶体振荡器在设计开发及实际应用中不同的问题，为分析抗振晶体振荡器和整机系统的动态相位噪声测试问题提供了保障。

四、正弦振动下的相噪评估加速度敏感度

对于常规晶体振荡器静止状态下的相位噪声，常规相位噪声测试系统都能准确地进行相位噪声测试。但抗振晶体振荡器振动状态下的相位噪声曲线与常规晶体振荡器有较大不同。

以下是大普某100MHz OCXO 使用PN9000&E5052B 测试静态下的与振动下的相噪性能，通过以下测试结果，我们可以直观判断静态相噪及动态相噪是否满足产品规格要求，同时通过振动下的相噪评估产品的加速度敏感度。

图 3

振动下的相噪测试在以下设备环境中进行（如图4所示）：

图 4

振动试验台，直流稳压电源，信号分析仪E5052B，100MHz OCXO晶体振荡器。各部分的组成如下图5：

图 5

在测试中，实验台提供了可进行调节的正弦振动，晶体振荡器的相噪输出变化可通过E5052B实时观察记录，对相噪的变化规律进行总结归纳，评估加速度敏感度，为补偿方案的设计提供参数。

在以上设备环境中，设置振动测试条件：正弦振动，振动频率10Hz-200Hz,加速度2g, XYZ三轴向测试。振动下的测试结果如下：

图 6

由测试结果可以直观地判定：产品在振动下，确定产品是否满足客户的指标要求。

≤200Hz时，相噪指标＜-48dBc/Hz；

200Hz~500Hz, 相噪指标＜-110dBc/Hz；

＞500Hz时, 相噪指标＜-125dBc/Hz；

根据振动下的相噪结果，依据GJB1648-2011规范的要求，按照以下推算的公式计算每个轴的加速度敏感度的幅值：

公式 3

XYZ三轴振动下的加速度敏感度计算如下：

表 1

同样根据三轴计算产品的加速度敏感度：

公式 4

由此确定该产品的加速度敏感度为0.98ppb/g。

大普晶体振荡器实验室通过以上的测试方法对产品的加速度敏感度进行评估，并对补偿设计方案进行验证，保证研发设计满足客户的要求。

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