国内外高端频率控制器件的技术比较

2008-07-02 16:10:55来源: 中国电子网 关键字:频率控制  振荡器  频率源  铷原子频标  频率温度系数  声表面波器件  温度补偿晶体振

  0 引言

  近年来,通信业频率源的大量需求以及军工方面对频率源广泛应用,加之精密导航定位对参考时间的依赖,作为程控交换设备的一级铷原子频标的价格和体积都逐渐接近了高稳定度振荡器。另一方面目前市场用量最大的各种石英晶体谐振器和振荡器的需求量每过4年左右就翻一番。从1999年到2004年,石英晶体谐振器和振荡器的市场需求量分别由13.2亿和24.7亿美元发展到27.7亿和52.6亿美元。可见,频率源作为各种高精度通讯及信息传递设备的核心器件,其潜在的发展前景是稳定增长的,只是其价格会进一步下降。此外,GPS的各种应用技术和装置的发展,各类加工业、机电产品生产技术、军用装备、汽车电子应用设备、新型家电等对信息技术的联系和依赖,也将为晶体和振荡器提供更加广泛的市场。 1 高端频控器件的市场状态

  中国的晶体行业规模和技术也同时得到了长足的发展。目前,国内厂家生产的晶体数量已经列在了晶体生产大国的前二位。但是,作为精密频率控制器件,其高端的原子振荡器和精密晶体振荡器的技术差距,使得我们在晶体器件的进出口方面一直处于逆差状况。2003年,中国出口的低端频控器件有5.3亿美元,而进口的高质量或高端频控器件为9.8亿美元;2005年,上述两个数字分别为7.1亿美元和13.85亿美元。进口的频控器件主要用于通讯、航空航天和军事科技方面。而且,国外对高端频率控制器件的某些限制也对国内的用户产生了一定的影响。

  通过笔者和美国、欧洲以及日本不少同行技术人员进行的接触和交流。美国和欧洲的专家对中国的市场发展很感兴趣,而对本地区的状况则多少有些忧虑。可以说,由于市场等方面的原因,一些国家高端频控器件的发展前景并不乐观。新的需求牵引、国际间的合作成为本行业发展的重要契机。这也是大家需要进一步关注的。

  为了了解信息和发现问题,除了从国外的刊物和会议上收集大量的论文外,作者也曾访问了美国的CINOX、PTI、EDC,欧洲的OSA、TEMEX日本的EPSON、川崎等公司和一些大学。这些信息构成了本文的基础。

  2 国内外高端频控器件的技术发展特点

  近年来,就技术的原创性、关键技术及其支持系统的特点、工艺与管理、公司运作格式、人员背景差异来说,本行业产品的国际技术与国内状况相比,均存在一定的差异。

  2.1技术的原创性特点

  从居里夫妇发现压电效应到Cady根据这一原理制造出最初的频控器件,可以说,这是本行业最重要的原创性技术突破。为了表彰本领域的原创性贡献,IEEE设立了IEEE Cady奖,每年颁发一人次。近年来,先后有欧美和日本的学者因为新切型晶体、MEMS基础的频率控制器件、高稳定度晶体振荡器技术等获奖。而中国在这方面还没有人问津。作者之一作为该奖的评审专家参加了多次评奖过程。作为一个行业的长期发展和竞争者,我们除了考虑眼前的经济效益外,在原创性技术探索及其可能带来的影响和效果也应给予充分的重视。而且必须从国家行为的角度给以关注。这不但是一种必要的行业文化,对于行业的战略发展也会起到重要的作用。

  2.2关键技术投入及其支持系统

  根据笔者了解,一些公司(如PTI、EPSON、OSA、TEMAX等)在高端产品的开发和研制方面均有足够的力量,而且部分产品正是由国有单位和院校投资完成的科研成果。PTI公司的主要技术负责人就是因为高端产品的研制成果而成为IEEE的FELLOW。HP公司的Jack Kusters则因为SC切晶体的研究成功获得了IEEE Cady奖。在美国和日本,院校只承担基础研究工作,和产品开发相关的一切高技术含量的工作全由公司完成。国家协调、公司投资把两方面很好地结合在一起。为了企业的长远发展,他们技术的投入所占成本的比例明显大于我国。

  近年来,随着移动通讯的室外基站和军工方面对高精度振荡器的大量需求,能够在-55~+85℃工作且具有优良的频率温度稳定性的OCXO已经大量在市场上应用。国外双层控温的晶体振荡器已可实现-20~C~+70%范围内110-10的频率温度稳定性。BVA精密晶体更以其最优良的老化和稳定度指标而成为高精度晶体频标的稳频器件。目前,采用这种精密晶体的OCXO的最高频率稳定度已可达到710-14/秒,而老化率指标也进入了10-12/日量级,个别振荡器还能够达到510-13/日的老化率指标。有的国外公司还声称,在许多场合下,他们的超高稳定度精密晶体振荡器也能替代铷原子频标。

  俄罗斯研制的新型小尺寸双层恒温高稳定度晶体振荡器使用的是增加二级恒温的热增益方法,同时采用减小外层恒温槽温度梯度的方法以及减少内外层恒温槽之间热联结的材料等来获得好的温度稳定度。这样的高稳定度晶体振荡器能够在多种频率下实现-40~+70℃和110-10的频率温度稳定度、110-10/日的老化率、110-12/秒的频率稳定度,并具有小于3 W的功耗和50.850.825.4 mm的外型尺寸。

  日本企业Nihon Dempa Kogyo Co.,Ltd报道了他们在双模SC切晶体振荡器方面的基础研究工作。他们采用对B模和C模信号在宽频率范围内进行线性相位滤波和差分放大消除了这类振荡器中的摇摆不定的效应。通过一系列的技术处理,他们可在-20~+70℃范围内使SC切晶体的温度被锁定在+0.002度之内。

  频率源的技术指标要求不仅仅表现在精度方面,还表现在信号的频率范围、频率源工作的温度、加速度等环境条件、尺寸、功率消耗等。为了适应市场,尤其是移动设备、移动通讯和手机市场的要求,精密晶体振荡器最明显的一个特点是全集成化的OCXO和TCXO的发展。美国宾西法尼亚州立大学推出了在一个CMOS芯片上构成的OCXO。他们把振荡线路、加热电路、温度传感器和运算放大器等集成在这个芯片上,芯片尺寸仅为5 mm2,使用3.3 V电压的OCXO在室温下不经任何热绝缘的功耗为363 mW(典型商用OCXO为1~2 W),且其频率温度稳定度还在继续改进。

  不少国家相继推出了全集成化的温度补偿晶体振荡器。它把除晶体之外的所有线路全部集成在一个集成线路之中。并在TCXO的生产中包含有存储器部分的数据写入,可表现出宽温度范围内1 ppm的较高补偿精度,从而对传统的TCXO构成了很大威胁。这种全集成化的TCXO中没有热敏电阻,而是采用半导体PN结作为温度传感器,并通过运算放大器组构成的三次函数电压发生器来与被补偿的晶体振荡器的补偿电压-温度特性相拟合,从而达到温度补偿的目的。由于采用了这样的补偿方式,对TCXO的开发实验过程也可以得到简化。而对于未补偿的振荡器的温度特性实验,只要在其全温度范围内均匀地实验5个温度点的数据即可,其中2个点是在温度的最高和最低处。封装好的振荡器外形尺寸最小可以达到3.05.141.6 mm3,同时也可采用线路的芯片进行灵活和更小尺寸的封装。YCXO的进一步发展趋势是应用数量还会大量增加,但其价格也会进一步下降。继续发展新原理的TCXO仍然是该方向上不断进行的工作之一。

  微机补偿晶体振荡器(MCXO)在所有的温度补偿型晶体振荡器中仍然是补偿精度最高的。目前,以SC切晶体的双模振荡器为基础的温度补偿晶体振荡器在-55~+85℃温度范围内可以获得210-8的频率温度稳定度。如果采用软件补偿方法且仅用于测量目的,还可以获得更高的补偿精度。与基于AT切晶体的温度补偿型晶体振荡器在原理上不同的是,基于SC切晶体的MCXO一方面使用了稳定性更好的泛音晶体,另一方面,这样的MCXO不是采用对振荡器压控调节的方法,而是使用频率合成方法产生输出信号。所以,这样的MCXO具有更高的稳定度和老化指标,但其结构也更复杂。

  与国内相比,国外在各种振荡器设计和生产方面和我们的最大区别在于,许多外国的公司和院校都非常注重振荡器设计的专用软件的应用和开发。而我国则主要借助于技术人员的理论知识的掌握、实验和经验的积累。美国、日本相应的晶体振荡器设计软件(如CODA和专用SPICE,对控温装置热设计的专用软件等)通过把更丰富的团体知识和经验的积累软件化来指导设计取得了更好的效果。采用振荡器设计的专用软件,首先要作的是把对振荡器的频率及性能要求以参数的形式输入相应的计算机,然后通过人机对话和软件运行来由计算机选择对应的线路和线路参数。随着软件的进一步丰富,振荡器的结构也可以被方便地设计,而且一些更特殊的要求也可以得到满足和改进。对于要求不高的OCXO,常常通过一次软件处理就可以完成设计任务。这样,晶体和关键线路器件的制作完全可以在计算机软件设计以后进行,从而节省时间和费用。而借助于实验和经验的设计方法则需要消耗更多的时间和器件,已经不能适应用户对晶体振荡器在指标、品种、数量和供货期等方面的更高要求了。虽然这方面的信息早已为国内所知,但是几乎没有在设计等方面得到应用。其原因不仅仅是对单一软件的掌握问题。

  国外的企业主正是考虑到人员的更替和技术竞争等多方面的因素,他们才对产品的设计和技术发展大量采用专用软件操作。他们将公司的技术发展细节、产品设计的全部线路、结构和实验结果相对应,并将技术人员的经验积累等都存储起来。这些软件不仅仅可以起到数据库的作用,而且能够作为设计等技术决策的操作软件。这种科学的资源管理方式起到了明显的效果。

  2.3公司工艺与管理模式

  在与晶体相关的产业中,无论是生产企业还是用户,都应该意识到一点:频控器件需要一个相对比较长的时间来进行相关的各种测试、考核和老化,以确保产品在实际应用中的效果。在TEMEX公司,除了直接面对生产线的员工,一部分人员还必须进行产品测试。其中生产的每台铷钟和晶体频标都要逐个进行严格的产品测试。一般铷原子频标的生产周期为半年,其中80%的时间是用于各种实验和老化。根据产品的差异可采用不同的实验时间,比如铷泡就要在80摄氏度的温度下进行6周到两个月的老化和测试。而用于航空航天和军用星载铷原子频标则需要一年的时间来完成整个生产周期。确保质量的这些措施可有效的把产品返修率维持在1%左右。OSA生产的超高稳定度的OCXO中,晶体的生产周期为半年,振荡器的生产周期也是半年。保证高精度的手段主要是生产工艺的精细、高精度的检测手段和生产过程中不同环节的反复测试。而保证可靠性的手段则主要是长期高温下的实验和老化。

  笔者所接触的大量国外企业几乎全是面对国际市场的。因此,他们也把我国的市场作为自己的发展机会。广泛收集世界各地的市场信息是他们强于国内同行的地方。

  2.4人员背景的差异

  市场竞争的另一方面也是人才的竞争。国外的不少企业的设计和管理人员都具有博士学位,他们能更好的将许多先进的工具和知识运用于晶体和振荡器的设计和开发。他们善于用计算机和工具软件来保存团队的工作积累,并进一步指导产品的设计。这和我国主要依靠个人的经验积累形成了鲜明的对比。

  2.5新型技术竞争的苗头

  近年来,对精密晶体振荡器具有竞争技术的有片式结构的原子振荡器、MEMS器件等。美国的微型原子频率标准的尺小仅有9.5立方毫米,75mW功耗,其秒级频率稳定度为310-10。最近几年,频率稳定度指标又有了大幅度提高。可以想象,这种小尺寸的原子频率标准对于频标的大量推广,尤其是在军事中的应用具有很重要的价值。原子频标的发展不仅仅表现在高精度方面,而且还注重小型化、低价格、更广泛的普及率等。美国Symmetricom生产的商用铷原子频标在保证高精度的情况下,价格已经接近1000美元。而且有更小的体积。这反映了在高技术领域,国外更注重多方面竞争力的发展。也同时说明了在价格竞争中技术进步的重要性。

  基于频率量的传感器(包括化学和物理传感器)在相当广泛的测量技术领域中都得到了应用。这类传感器的测量对象很广泛,而且检测的分辨率很高,是国际上近年来传感器和测量技术发展的方向之一。这方面的代表技术有用于多水环境监测的高灵敏度引导型SH-SAW化学传感器。该传感器使用LiTaO3上的双延迟线几何图形方式设计,可用来校正环境条件(如温度起伏)变化的参考线用聚合物波导层镀敷。传感线可用功能象波导层与化学传感层的聚合物来镀敷,也可在特殊的化学传感层下面镀敷聚合物波导层。实验测量表明,在传感线上,对于给定的聚合物总的厚度,其3层模式提供了比4层模式更高的灵敏度。然而,实验还证明,4层模式噪声低、更稳定。理论和实验方面的大量工作对于进一步传感器的发展提供了有用的基础。

  对材料特性的基础研究一直是许多研究机构不断进行的工作。这方面的探索有利于基本的频率控制器件(如晶体、晶体振荡器以及声表面波器件)的性能提高。台湾的学者进行了晶体的频率一温度特性随各种切角以及金属电极厚度的变化研究。声表面波器件SAW工作在几百MHz几GHz的频率范围内时,它们表现出优良的温度特性和较高的质量因数,且比泛音晶体谐振器具有更低的抖动和相位噪声。对于振荡线路。其频率温度系数和零温度系数点是两个关键参数,它们主要取决于SAW谐振器的温度性能。总的来说,SAW谐振器的频率温度系数和零温度系数点取决于基底的切角、波的传播方向和金属电极的厚度。因此,重要的是选择水晶材料,它能以不同的金属电极厚度得到SAW谐振器的合适温度性能。在实际的SAW谐振器的设计中,为了获得优良的温度性能,常常使用不同于ST-X切的基底,并使电极的金属厚度超过2%以产生好的反射。基底水晶材料也可通过实验的方法优选。实验结果表明,当基底的切角或金属电机厚度增加时,其频率温度系数和零温度系数点今线性减小。

  3我国的高端频率控制器件技术

  近年来,我国国内通过企业与院校结合、国外设备和技术的引进、相应部门的投入加大(科技部、自然科学基金委、部委技改费等),以及来自通讯业和军工部门的需求牵引,我国高端频率控制器件的技术获得了较快的发展。并正在经历从数量增加逐步发展成水平和质量进步的过程。我们需要的不是单一的技术突破,而是要求全面的设计思路、生产工艺、材料发展、检测技术的考虑。目前。我国在大规模、较高水平以及更具有竞争成本的OCXO生产技术方面已经有一些股干企业表现出了很大的优势。相信这对于国内的高端频率控制器件的技术进步能够起到带头作用。目前,在技术方面能引起国外重视的技术主要集中在低成本、高质量的批量振荡器生产技术。例如。电阻焊真空封装的中精度晶体和低成本的中高档晶体片等。

  4结束语

  在科技发展不断深化的过程中,高端频率控制器件的发展和应用呈现出越来越强劲的势头,并与所服务的科技、产业和国防建设相互依存和互相促进。企业在市场竞争的同时,全面了解和掌握当前的科技与产业发展需求是很有必要的,因为它将有力地促进我国高端频率控制器件的发展,提高我国信息产业的整体水平。

关键字:频率控制  振荡器  频率源  铷原子频标  频率温度系数  声表面波器件  温度补偿晶体振

编辑:孙树宾 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2008/0702/article_926.html
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