聲表面波振蕩器頻率穩(wěn)定度影響因素分析及改進(jìn)

石 勇，齊曉琳，劉久玲，何世堂

(1.海軍裝備部駐北京地區(qū)第七軍事代表室，北京 100176；2.中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京 100190)

0 引 言

快速探測(cè)無(wú)色而劇毒的化學(xué)戰(zhàn)劑是化學(xué)防護(hù)的重要組成部分, 聲表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）傳感技術(shù)因體積小、靈敏度高，成為近年來(lái)毒劑氣體探測(cè)的一項(xiàng)新技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于艦船化學(xué)戰(zhàn)劑監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。SAW傳感器的核心部件是SAW振蕩器。SAW振蕩器的頻率穩(wěn)定度直接影響聲表面波傳感器的檢測(cè)下限與靈敏度，因此，對(duì)聲表面波振蕩器的頻率穩(wěn)定度進(jìn)行研究對(duì)提高傳感器的性能十分關(guān)鍵[1-2]。SAW振蕩器主要包括作為振蕩器頻率控制元件的SAW器件和相關(guān)的振蕩電路。本文介紹SAW振蕩器的工作原理，分析SAW振蕩器頻率穩(wěn)定度的影響因素，并針對(duì)電源電壓對(duì)SAW振蕩器頻率穩(wěn)定度的影響進(jìn)行分析。最后，根據(jù)研究結(jié)果提出相應(yīng)的改進(jìn)措施并進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

1 SAW振蕩器的基本原理

為了減小振動(dòng)、溫度等因素對(duì)SAW振蕩器頻率穩(wěn)定度的影響，SAW振蕩器一般采用雙環(huán)路差頻輸出的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由2個(gè)基本相同的SAW器件與對(duì)應(yīng)的振蕩電路構(gòu)成兩路SAW振蕩回路。一路作為測(cè)試回路；另一路則作為參考基準(zhǔn)，兩路差頻后作為整個(gè)振蕩器的輸出。該結(jié)構(gòu)可最大程度上消除外圍環(huán)境如溫度、振動(dòng)等對(duì)于振蕩器頻率穩(wěn)定度的影響。

圖1 雙環(huán)路差頻輸出的SAW振蕩器結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structural block diagram of SAW oscillator with dual-loop differential frequency output

振蕩回路產(chǎn)生振蕩須同時(shí)滿足振幅條件和相位條件，即放大器增益能補(bǔ)償電路和SAW器件損耗（振幅條件）、環(huán)路相位為的整數(shù)倍（相位條件），具體振蕩條件為：

2 SAW振蕩器頻率穩(wěn)定度影響因素分析

影響振蕩器性能的因素可概括為內(nèi)部因素和外界因素[3-4]。

內(nèi)部因素主要包括振蕩回路的品質(zhì)因數(shù)Q、SAW器件插入損耗、環(huán)路放大器和分立元件如電容、電感等的性能參數(shù)。SAW器件在振蕩器中起頻率選擇作用，其品質(zhì)因數(shù)越大，插入損耗越低，回路的頻率穩(wěn)定性越好。環(huán)路放大器和分立元件的性能參數(shù)對(duì)振蕩器性能也有影響，如寬頻帶、低噪聲、動(dòng)態(tài)范圍大、發(fā)熱量小的放大電路能改善振蕩器的相位噪聲，使得振蕩環(huán)路內(nèi)的相移量在振蕩頻率附近變化緩慢，不容易受外部電壓、溫度變化的影響。

外界因素主要有以下幾種：

1）溫度。影響振蕩器頻率穩(wěn)定性的溫度變化包括外界環(huán)境溫度的變化和設(shè)備器件自身產(chǎn)生的溫度變化。溫度變化產(chǎn)生的影響主要表現(xiàn)在改變諧振電路的電感線圈和電容器的幾何尺寸以及電容的介電常數(shù)。同時(shí)，作為頻控元件的SAW器件，其工作參數(shù)也容易受溫度影響，引起振蕩電路相位漂移，從而使得每次輸出頻率不一致。

2）電源電壓。振蕩電路有源器件的非線性特性使得其與各級(jí)電壓和工作點(diǎn)有密切的關(guān)系。電源電壓的變化必然導(dǎo)致振蕩器工作狀態(tài)的變化，從而引起振蕩頻率的變化，影響頻率穩(wěn)定性及一致性。

3）電磁干擾。外部存在的電磁場(chǎng)會(huì)影響振蕩電路內(nèi)部的電容、電感、晶體管等元器件，并激發(fā)電壓和電流，破壞振蕩器的平衡條件，引起頻率變化。

4）機(jī)械振動(dòng)。外界環(huán)境造成的機(jī)械振動(dòng)也會(huì)對(duì)振蕩器的頻穩(wěn)度造成影響。它能使振蕩回路中的電感和電容發(fā)生形變，改變電感和電容值，從而影響頻穩(wěn)度和一致性。

本文主要分析電源電壓對(duì)聲表面波振蕩器頻率穩(wěn)定度的影響，并提出改進(jìn)措施。

2.1 電源電壓對(duì)SAW振蕩器頻率穩(wěn)定度的影響分析

振蕩回路中的放大器在工作時(shí)，其驅(qū)動(dòng)電壓的變化將引起振蕩電路的相位發(fā)生變化，從而影響整個(gè)振蕩環(huán)路的起振點(diǎn)，最終影響SAW振蕩器的頻率穩(wěn)定度。

圖2給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)得的頻率穩(wěn)定度隨電壓波動(dòng)的變化。在圖2（a）中，測(cè)試了電源電壓波動(dòng)時(shí)，對(duì)振蕩器中期頻率穩(wěn)定度的影響；在圖2（b）中，測(cè)試了電源電壓波動(dòng)時(shí)，對(duì)振蕩器長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度及一致性的影響；從結(jié)果可以看出，驅(qū)動(dòng)電壓變化0.2 V時(shí)，引起的振蕩器輸出頻率的變化大于1 kHz。從這2個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，電壓波動(dòng)對(duì)振蕩器的頻率穩(wěn)定度影響較大，不能忽略。

圖2 電源對(duì)SAW振蕩器頻率穩(wěn)定度的影響Fig.2 Effect of power supply on frequency stability of SAW oscillator

3 改進(jìn)措施

根據(jù)前文對(duì)SAW振蕩器頻率穩(wěn)定度影響因素的分析，對(duì)振蕩電路進(jìn)行改進(jìn)，主要采取以下措施：

1）選用高性能的放大器，將原電路采用的AD8009放大器更換為BGA2802。AD8009為運(yùn)算放大器，對(duì)高頻且損耗較大的頻控元件，這類放大器易受其增益帶寬的制約，影響性能；BGA2802為專用的低噪聲射頻放大器，更適合與高頻條件的應(yīng)用；

2）對(duì)放大器采用高性能的穩(wěn)壓電源供電，在放大器的電源設(shè)計(jì)上采用線性穩(wěn)壓模塊，不直接使用開(kāi)關(guān)模式的穩(wěn)壓電源。

圖3 改進(jìn)后的SAW振蕩器及其頻率穩(wěn)定度的測(cè)試結(jié)果Fig.3 Test results of improved SAW oscillator and its frequency stability

改進(jìn)后的電路板及測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。振蕩器中SAW器件采用300 MHz的兩端對(duì)諧振器，當(dāng)外接電源電壓波動(dòng)時(shí)，其對(duì)振蕩器的頻率輸出影響基本可以忽略，即改進(jìn)方案有效抑制了電源電壓波動(dòng)對(duì)振蕩器頻率穩(wěn)定度的影響，達(dá)到優(yōu)化目的，而且從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，改進(jìn)后的頻率穩(wěn)定度達(dá)到了1 ppm/4 h量級(jí)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)SAW振蕩器頻率穩(wěn)定度的影響因素進(jìn)行分析，并對(duì)電源電壓等因素對(duì)SAW振蕩器頻率穩(wěn)定度的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)分析結(jié)果，提出了相應(yīng)的改善措施，并應(yīng)用于基于300 MHz兩端對(duì)諧振器型振蕩器的研制。最后，對(duì)其頻率穩(wěn)定度進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)措施的有效性。采取改進(jìn)措施后，有效降低了電源電壓波動(dòng)對(duì)振蕩器頻率穩(wěn)定度的影響，而且其頻率穩(wěn)定度達(dá)到了1 ppm/4 h量級(jí)。