eng
Выпуск #1/2010
Я.Вороховский.
Прецизионные кварцевые резонаторы и генераторы для современных радиоэлектронных комплексов
Прецизионные кварцевые резонаторы и генераторы для современных радиоэлектронных комплексов
Просмотры: 2819
АО "Морион"-известная во всем мире российская фирма в области разработки и серийного производства прецизионных пьезоэлектронных приборов стабилизации и селекции частоты - кварцевых генераторов (КГ), фильтров и резонаторов (КР), предназначенных для средств телекоммуникаций, управления и навигации, аварийно-спасательной и контрольно-измерительной техники. Комплекс работ, проведенных в АО "Морион" в последнее время, позволил значительно улучшить технические характеристики основных видов термостатированных КГ, включая высокочастотные, а также термокомпенсированных КГ со стабильностью ~10-7 при минимальных времени готовности и энергопотреблении.
АО "Морион"-известная во всем мире российская фирма в области разработки и серийного производства прецизионных пьезоэлектронных приборов стабилизации и селекции частоты - кварцевых генераторов (КГ), фильтров и резонаторов (КР), предназначенных для средств телекоммуникаций, управления и навигации, аварийно-спасательной и контрольно-измерительной техники. Комплекс работ, проведенных в АО "Морион" в последнее время, позволил значительно улучшить технические характеристики основных видов термостатированных КГ, включая высокочастотные, а также термокомпенсированных КГ со стабильностью ~10-7 при минимальных времени готовности и энергопотреблении.
Стабильность частоты электрических колебаний играет решающую роль в обеспечении важнейших качественных показателей современных радиоэлектронных комплексов. Отсюда и значение прецизионных кварцевых резонаторов и генераторов. За последние годы прогресс в их технических характеристиках, реализованный в АО "Морион", очень значителен. На серийных приборах стала реальной эксплуатационная стабильность частоты на уровне 10-10 и кратковременная 10-12. В АО "Морион", выполнен полный цикл "исследования-разработки-серийное (и крупносерийное!) производство" по ряду направлений:
прецизионные и ультрапрецизионные кварцевые резонаторы, включая высокочастотные;
прецизионные и ультрапрецизионные кварцевые генераторы, включая генераторы наивысшей стабильности частоты (ультрапрецизионные); малошумящие и ультрамалошумящие; миниатюрные; высокочастотные; стойкие к особо жестким внешним воздействующим факторам;
высокостабильные генераторы с минимальными временем готовности и энергопотреблением.
Ключевые составляющие проведенных работ - технология, оборудование и создание серийного и крупносерийного производства по каждому из направлений. Без них качество, конкурентоспособность, репутация и шансы на мировом рынке остаются абстрактными категориями.
Теперь более подробно по перечисленным направлениям.
ПРЕЦИЗИОННЫЕ И УЛЬТРАПРЕЦИЗИОННЫЕ КВАРЦЕВЫЕ РЕЗОНАТОРЫ
Кварцевый резонатор в значительной мере определяет важнейшие характеристики генератора - эксплуатационную стабильность частоты, фазовые шумы, стойкость к внешним воздействующим факторам (ВВФ). Поэтому технологии, конструированию и производству резонаторов придается первостепенное значение. В диапазоне частот от 4,096 до 128 МГц разработаны прецизионные КР двухповоротных срезов семейства yxbl / ± ϕ° / + θ°, в частности SC (с ϕ = 21°56'), его модификаций и других родственных по кристаллографической ориентации срезов. Для обеспечения должной стабильности частоты и добротности КР выполнялись с колебаниями на 3-м или 5-м обертонах. В зависимости от размеров кварцевых кристаллических элементов использовались стандартные корпуса - как плоские (НС43 и НС45), так и круглые (НС35, НС37 и НС40). На выбор корпуса КР влияют также требования по стойкости к механическим воздействиям.
Для прецизионных КР, еще в большей мере, чем для генераторов, - и качество, и в целом конкурентоспособность определяются технологией серийного производства, соответствующим оборудованием и производственной инфраструктурой. Основное внимание было сосредоточено на ключевых этапах технологии КР:
точность кристаллографической ориентации: серийно обеспечивается до ±7,5...10'', что сводит разброс температурно-частотных характеристик КР к минимуму, резко улучшая и экономику производства, и реализуемую стабильность частоты;
формообразование кристаллических элементов: плоско-выпуклые кристаллические элементы - основа прецизионных КР диапазона 4-16 МГц. От формирования сферической поверхности в значительной степени зависят как экономика, так и качество. Нанесение сферы было автоматизировано, обеспечена производительность около 1000 шт./чел.-смена;
финишная обработка поверхности: ее роль для обеспечения долговременной стабильности частоты очень высока. Тщательно отрабатывались процессы как полировки, так и травления;
дефекты в исходных кварцевых кристаллах, в частности каналы травления: их обычное количество в хорошем (!) кварце примерно 50-100/см2. Такие дефекты заметно ухудшают качество прецизионных КР, особенно высокочастотных. Разработанная в АО "Морион" технология "электроочистки" воздействием электрического поля высокой напряженности (примерно 1,5 кВ/см), совмещенным с температурой более 500°С, позволила в 50 раз уменьшить плотность каналов травления, т.е. до 0-2/см2;
финишное производство: здесь основное внимание было уделено технологиям очистки поверхностей, нанесения электродов, монтажа, точной настройки частоты, герметизации и, конечно, созданию должной производственной среды.
Все указанные этапы становятся критически важными при требованиях к суточной нестабильности частоты примерно 10-10-10-11.
Некоторые характеристики серийных прецизионных кварцевых резонаторов:
5-МГц КР: выпускаются в круглых корпусах НС37 и НС40. Суточная стабильность частоты 1·10-10...3·10-11, годовая 2·10-8...5·10-9, за 10 лет 1·10-7...3·10-8. Кварцевые генераторы на таких КР сегодня относятся к классу ультрапрецизионных и в целом ряде применений, в частности в базовых станциях сетей CDMA и WiMax, уже заменили гораздо более дорогие и менее надежные рубидиевые генераторы;
10-МГц, 12,8-МГц, 13-МГц КР: выпускаются в круглых корпусах НС37 и в плоских - НС43. Суточная стабильность частоты (1...3)·10-10, годовая (2...5)·10-8, за 10 лет - примерно 2·10-7;
48-МГц, 56-МГц, 80-МГц, 98,304-МГц, 100-МГц КР - это высокочастотные прецизионные резонаторы, выпускаются в миниатюрных круглых корпусах НС35 и плоских - НС45. Их долговременная стабильность (2...3)·10-7/год и (1...1,5)·10-6 за срок службы. Устойчивое обеспечение высоких технических характеристик здесь требует повышенных усилий из-за их критичности к конструкторско-технологическим факторам.
В производстве прецизионных резонаторов очень важен подбор и обучение персонала. Построение резонаторного производства в виде независимых производственных линий обеспечивает большую производственную мощность в сочетании с ее повышенной устойчивостью. На сегодня суммарная мощность производственных линий составляет 7-8 тыс. резонаторов в неделю, причем она зависит от номенклатуры выпускаемых резонаторов и при "неудачных" сочетаниях может падать примерно в два раза.
ПРЕЦИЗИОННЫЕ И УЛЬТРАПРЕЦИЗИОННЫЕ КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
Генераторы наивысшей стабильности частоты (ультрапрецизионные)
К таковым сейчас относят кварцевые генераторы с эксплуатационной стабильностью частоты порядка 10-10. (Заметим, что по мере совершенствования приборов уровень ультрапрецизионности соответственно отодвигается.) "Двигателем" этого направления стали требования синхронизации сетей связи, в частности базовых станций стандарта CDMA. Конструкторско-технологически КГ такого уровня в основном реализуются двухступенчатым термостатированием кварцевого резонатора при точности поддержания температуры лучше 0,05°С и размещении менее критичных элементов во внешней ступени с точностью поддержания температуры порядка 1°С. Некоторые недостатки таких генераторов - увеличенные габариты и энергопотребление являются следствием их главного достоинства - высокой стабильности частоты, в том числе при резких изменениях окружающей температуры.
В последнее время в АО "Морион" созданы высокотехнологичные малогабаритные генераторы уровня 10-10 с одноступенчатым термостатированием резонатора, причем высота корпуса составляет всего 12,7 мм. Заметным результатом стала разработка технологии миниатюрного генератора с двухступенчатым термостатированием, позволившая разместить генератор в корпусе размерами 36×27×19 мм (~19 см3).
Основные параметры ультрапрецизионных генераторов в промышленном исполнении приведены в табл.1.
Еще один тип генераторов уровня стабильности 10-10 (ГК211-ТС) рассмотрен ниже как прибор категории качества ВП, стойкий к особо жестким внешним воздействующим факторам.
Малошумящие и ультрамалошумящие генераторы
В последнее время ужесточились требования к спектрально-шумовым характеристикам прецизионных генераторов. Одновременно повышалась актуальность конструкторско-технологических решений, легко адаптируемых производством для широкого спектра требований. Выпускается унифицированный ряд малошумящих приборов: ГК197-ТС, ГК199-ТС, ГК200-ТС, ГК201-ТС и ГК220-ТС со следующими особенностями:
высокая стабильность частоты в интервале рабочих температур: до 2·10-10 для ГК200-ТС и (5...10)·10-10 для других моделей;
высокая долговременная стабильность частоты: до (2...3)·10-8 за год;
исполнение с выходным сигналом SIN или HCMOS;
исполнение с напряжением питания 12 или 5 В;
возможность реализации ужесточенных требований к кратковременной нестабильности частоты (девиации Аллана) - вплоть до 7·10-13/с, а также времени установления частоты - до 1 мин;
низкий уровень фазовых шумов, возможность выбора исполнения при заказе - от стандартного до малошумящего (опция LN), улучшенного малошумящего (ILN) и ультрамалошумящего (ULN). Реализованные уровни шумов генераторов на 10 МГц: ≤ -108 дБ/Гц для ∆f = 1 Гц, ≤ -157 дБ/Гц для ∆f = 100 Гц и ≤ -168 дБ/Гц для ∆f = 10 кГц;
низкий "профиль": высота корпуса до 10 мм для ГК197-ТС и ГК200-ТС; 12,7 мм - для всех моделей;
исполнение в популярных стандартных корпусах с размерами в плане от миниатюрного 20×20 мм (ГК199-ТС) до малогабаритных 36×27 мм (ГК197-ТС), 51×41 мм (ГК201-ТС) и для наиболее высокого уровня параметров - 51×51 мм (ГК200-ТС, ГК220-ТС).
Диапазон частот малошумящих генераторов: 10-20 МГц для ГК197-ТС и ГК199-ТС, 10-40 МГц для ГК201-ТС, 10-100 МГц для ГК200-ТС и ГК220-ТС. Многочисленные применения доказали эффективность реализованных концепций.
Миниатюрные прецизионные генераторы
Общая тенденция миниатюризации отнюдь не минула прецизионные КГ. Здесь и прецизионные генераторы, выполненные в конструкциях SMD-типа, - их востребованность быстро растет.
К миниатюрным прецизионным генераторам, представленным ниже, отнесены те, которые удовлетворяют следующим критериям: температурной стабильности частоты не хуже 1·10-8 и объему ≤ 10 см3 при высоте ≤ 12,7 мм (для SMD-корпуса - до 14 мм).
Серийно выпускаемый ряд генераторов на 10-13 МГц имеет уровень стабильности частоты до 5·10-10 (табл.2).
Из таблицы видно, что больший объем дает возможность реализовать лучшую стабильность частоты.
Высокочастотные прецизионные генераторы
В АО "Морион" разработано семейство высокочастотных генераторов на диапазон 48-500 МГц, где частоты 48-128 МГц реализованы на частоте колебания резонатора, а более высокие получены умножением частоты в составе генератора.
В построении ВЧ-генераторов выделилось два направления:
"однорезонаторные", когда и стабильность частоты, и частота выходного сигнала определяются одним и тем же резонатором;
"двухрезонаторные", когда в конструкции имеются опорный генератор на "своем" резонаторе частотой, как правило, примерно 5 или 10 МГц, и выходной высокочастотный генератор, управляемый напряжением (ГУН), на резонаторе, который и определяет выходную частоту. Стабильность частоты определяется опорным генератором, который управляет выходным ГУН через систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), при этом оба генератора - и опорный, и ГУН - термостатированы. Термостатирование ГУН дает серьезные преимущества благодаря управлению его частотой лишь в узких пределах, практически определяемых его долговременной нестабильностью.
"Однорезонаторные" ВЧ-генераторы проще и дешевле, чем "двухрезонаторные". Однако вторые имеют на порядок более высокую стабильность частоты. Что касается уровня фазовых шумов, то:
в самой ближней зоне (при отстройке 10 Гц) - явное преимущество (~10 дБ/Гц) за "двухрезонаторными" генераторами;
несколько дальше (при отстройке 100 Гц) - наоборот, "однорезонаторные" генераторы имеют меньший уровень шумов (на 10 дБ/Гц);
начиная с отстройки 1 кГц и далее - обе концепции близки.
Высокочастотные КГ серийно выпускаются на ряд стандартных частот: 48; 56; 60; 80; 98,304; 100 МГц. В вариантах с умножением частоты - на кратные этим частоты до 500 МГц.
Реализованные параметры ВЧ-генераторов:
температурная нестабильность частоты: 5·10-8...1·10-7 для "однорезонаторной" концепции и (3...5)·10-9 для "двухрезонаторной";
нестабильность частоты за год: (2...5)·10-7 и (3...5)·10-8 соответственно;
уровень фазовых шумов (для 100 МГц): ∆f = 100 Гц: -120...-130дБ/Гц для "однорезонаторных" и -115...-120 дБ/Гц для "двухрезонаторных"; ∆f = 10 000 Гц: -160...-167 дБ/Гц для обоих видов;
габариты:
"однорезонаторные" генераторы выполняются в различных корпусах - от 51×51×12,7 мм (ГК87-ТС) до 36×27×16 мм (ГК136-ТС) и миниатюрного 25×25×10 мм (ГК218-ТС - последняя разработка, 2009 г.);
"двухрезонаторный" генератор (ГК137-ТС) отработан на частоты 98,304 МГц и 100 МГц и выпускается в стандартном корпусе 51×51×16 мм.
Генераторы, стойкие к особо жестким внешним воздействующим факторам
Речь в основном пойдет об унифицированных генераторах категории качества ВП, введенных в издаваемый МО РФ "Перечень электрорадиоизделий, разрешенных к применению..." МОП 44 001.10 или намеченных к введению в ближайшее время. За период 2005-2009 годы в данном направлении (в области генераторов, стойких к жестким ВВФ) достигнуты следующие результаты.
В связи с развитием бортовых стандартов частоты для КА "ГЛОНАСС-М" и далее "ГЛОНАСС-К", других видов наземной и космической аппаратуры координатно-временного обеспечения, разработаны и освоены два новых прецизионных генератора на резонаторах-термостатах SC-среза (ГК149-ТС и ГК54М-ТС). Были значительно улучшены основные параметры:
кратковременная нестабильность частоты (девиация Аллана) за 1 с лучше 1·10-12;
температурная нестабильность частоты в интервале рабочих температур до 5·10-9;
долговременная нестабильность 2·10-10/сут. и 2·10-7 за 15 лет при 120 000 ч наработки (в обеспечении КА с САС ≥ 12 лет);
время установления частоты после включения до 3 мин.
При этом генераторы стойки к воздействию тяжелых вибраций в диапазоне до 2500 Гц с ускорением 15 g и ударами 300 g, а их энергопотребление всего 500 мВт.
Интенсивно проводились работы по созданию стойких к жестким ВВФ ультрапрецизионных КГ. Генератор ГК211-ТС ("Пикник"), выполненный на стандартные частоты 5 и 10 МГц, обеспечивает:
температурную стабильность частоты до 5·10-11...1·10-10;
долговременную стабильность частоты до 5·10-11/сут. и 5·10-9... 1·10-8/год;
кратковременную нестабильность частоты за 1...10 с до 2·10-12;
стойкость к вибрациям до 2500 Гц с ускорением 15 g и ударами 300 g.
Размеры генератора 62×62×40 мм. Уменьшение габаритов было невозможно из-за очень ограниченных возможностей отечественной элементной базы категории качества ВП.
Развитие направления высокочастотных прецизионных малошумящих генераторов стимулируется проектами перспективных наземных и бортовых РЛС, хотя надо сказать, что они стали актуальны и для других видов РЭА. Основные результаты работ сведены в табл.3.
Назначение и области применения КГ обусловили особенности конструктивно-технологического исполнения:
отсутствие собственных резонансных частот конструкций в диапазоне до 2 кГц, что уже позволило существенно снизить уровень фазовых шумов при воздействии широкополосной случайной вибрации (ШСВ) и обеспечить прочность к длительному воздействию вибраций до 2000 кГц, 10-15g;
ГК148-ТС и ГК213-ТС отработаны на частоты 48, 56, 60, 80 и 100 МГц;
ГК212-ТС стал первым двухрезонаторным (с ФАПЧ) ВЧ-генератором, стойким к таким жестким воздействиям, как вибрации до 2000 Гц, 15g, при стабильности ~10-10 и уровне шумов -165 дБ/Гц;
при работе над ГК213-ТС встала задача создания КГ с резко пониженной g-чувствительностью, у которого, как бы вопреки природе кварцевого резонатора, практически отсутствует ухудшение фазовых шумов при воздействии мощной ШСВ. Для жесткой конструкции ГК148-ТС деградация, т.е. ухудшение шумов, тем не менее составляет ~10 дБ/Гц на 1g среднеквадратичного ускорения ШСВ, т.е. ~30 дБ/Гц для 3,3g (рис.1). В виброакустоустойчивой ("бездеградационной") конструкции ГК213-ТС задача решена (рис.2). При практически устраненной деградации фазовых шумов цель - получить уровень шумов не хуже -135 дБ/Гц при отстройке 100 Гц, в процессе воздействия ШСВ 3,3 g до 2000 Гц - достигнута.
Ясно, что одним из основных направлений дальнейших работ по прецизионным генераторам, стойким к жестким ВВФ, должна быть миниатюризация. И здесь главный вопрос - возможности отечественной ЭКБ, о чем будет речь далее.
ВЫСОКОСТАБИЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ С МИНИМАЛЬНЫМИ ВРЕМЕНЕМ ГОТОВНОСТИ И ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕМ
Вполне реальны ситуации, когда КГ, наряду с высокой стабильностью частоты, должны иметь минимальные энергопотребление (<100 мВт) и время стабилизации частоты после включения (единицы секунд). По сути, речь идет о прецизионных термокомпенсированных КГ со стабильностью частоты на уровне термостатированных.
Резонаторы для таких КГ должны иметь высокую долговременную стабильность частоты, минимальное изменение частоты по температурно-частотной характеристике (ТЧХ) и монотонную ("гладкую") ТЧХ без аномалий во всем интервале рабочих температур. Их разработка потребовала серьезных усилий и использования основных технологий прецизионных термостатируемых резонаторов. В итоге разработаны специальные резонаторы на 3-м обертоне АТ-среза, выполненные в холодно-сварных корпусах НС43. Они уже отработаны на стандартные частоты 9,8304 МГц, 10,0 МГц, 12,288 МГц и 12,8 МГц.
С использованием цифровой термокомпенсации на эти частоты реализованы два вида серийных генераторов:
ГК202-ТК: напряжение питания 5 В, корпус размерами 36×27×12,7 мм;
ГК203-ТК: напряжение питания 12 В, корпус размерами 36×27×10,5 мм.
Температурная нестабильность частоты в интервале от -40 до 70°С имеет величину до ±7,5·10-8 для 10 МГц и ±2,0·10-7 для 12,8 МГц; долговременная - до 1,5·10-7/год. Потребляемая этими КГ мощность составляет примерно 100 мВт, причем без пика потребления после включения, а время стабилизации частоты после включения менее 3 с.
Сочетание высокой стабильности частоты, обычно присущей термостатированным генераторам, с очень малым энергопотреблением и почти мгновенной готовностью к работе делает рассматриваемые термокомпенсированные генераторы эффективным решением для многих применений, в частности, - в носимой и мобильной радиосвязи.
В заключение можно констатировать, что в области прецизионных кварцевых генераторов со стабильностью частоты 10-9...10-11 АО "Морион" уверенно входит в число крупнейших мировых производителей, лидирующих по техническому уровню, и проблема так называемого "импортозамещения" этих изделий отсутствует.
Стабильность частоты электрических колебаний играет решающую роль в обеспечении важнейших качественных показателей современных радиоэлектронных комплексов. Отсюда и значение прецизионных кварцевых резонаторов и генераторов. За последние годы прогресс в их технических характеристиках, реализованный в АО "Морион", очень значителен. На серийных приборах стала реальной эксплуатационная стабильность частоты на уровне 10-10 и кратковременная 10-12. В АО "Морион", выполнен полный цикл "исследования-разработки-серийное (и крупносерийное!) производство" по ряду направлений:
прецизионные и ультрапрецизионные кварцевые резонаторы, включая высокочастотные;
прецизионные и ультрапрецизионные кварцевые генераторы, включая генераторы наивысшей стабильности частоты (ультрапрецизионные); малошумящие и ультрамалошумящие; миниатюрные; высокочастотные; стойкие к особо жестким внешним воздействующим факторам;
высокостабильные генераторы с минимальными временем готовности и энергопотреблением.
Ключевые составляющие проведенных работ - технология, оборудование и создание серийного и крупносерийного производства по каждому из направлений. Без них качество, конкурентоспособность, репутация и шансы на мировом рынке остаются абстрактными категориями.
Теперь более подробно по перечисленным направлениям.
ПРЕЦИЗИОННЫЕ И УЛЬТРАПРЕЦИЗИОННЫЕ КВАРЦЕВЫЕ РЕЗОНАТОРЫ
Кварцевый резонатор в значительной мере определяет важнейшие характеристики генератора - эксплуатационную стабильность частоты, фазовые шумы, стойкость к внешним воздействующим факторам (ВВФ). Поэтому технологии, конструированию и производству резонаторов придается первостепенное значение. В диапазоне частот от 4,096 до 128 МГц разработаны прецизионные КР двухповоротных срезов семейства yxbl / ± ϕ° / + θ°, в частности SC (с ϕ = 21°56'), его модификаций и других родственных по кристаллографической ориентации срезов. Для обеспечения должной стабильности частоты и добротности КР выполнялись с колебаниями на 3-м или 5-м обертонах. В зависимости от размеров кварцевых кристаллических элементов использовались стандартные корпуса - как плоские (НС43 и НС45), так и круглые (НС35, НС37 и НС40). На выбор корпуса КР влияют также требования по стойкости к механическим воздействиям.
Для прецизионных КР, еще в большей мере, чем для генераторов, - и качество, и в целом конкурентоспособность определяются технологией серийного производства, соответствующим оборудованием и производственной инфраструктурой. Основное внимание было сосредоточено на ключевых этапах технологии КР:
точность кристаллографической ориентации: серийно обеспечивается до ±7,5...10'', что сводит разброс температурно-частотных характеристик КР к минимуму, резко улучшая и экономику производства, и реализуемую стабильность частоты;
формообразование кристаллических элементов: плоско-выпуклые кристаллические элементы - основа прецизионных КР диапазона 4-16 МГц. От формирования сферической поверхности в значительной степени зависят как экономика, так и качество. Нанесение сферы было автоматизировано, обеспечена производительность около 1000 шт./чел.-смена;
финишная обработка поверхности: ее роль для обеспечения долговременной стабильности частоты очень высока. Тщательно отрабатывались процессы как полировки, так и травления;
дефекты в исходных кварцевых кристаллах, в частности каналы травления: их обычное количество в хорошем (!) кварце примерно 50-100/см2. Такие дефекты заметно ухудшают качество прецизионных КР, особенно высокочастотных. Разработанная в АО "Морион" технология "электроочистки" воздействием электрического поля высокой напряженности (примерно 1,5 кВ/см), совмещенным с температурой более 500°С, позволила в 50 раз уменьшить плотность каналов травления, т.е. до 0-2/см2;
финишное производство: здесь основное внимание было уделено технологиям очистки поверхностей, нанесения электродов, монтажа, точной настройки частоты, герметизации и, конечно, созданию должной производственной среды.
Все указанные этапы становятся критически важными при требованиях к суточной нестабильности частоты примерно 10-10-10-11.
Некоторые характеристики серийных прецизионных кварцевых резонаторов:
5-МГц КР: выпускаются в круглых корпусах НС37 и НС40. Суточная стабильность частоты 1·10-10...3·10-11, годовая 2·10-8...5·10-9, за 10 лет 1·10-7...3·10-8. Кварцевые генераторы на таких КР сегодня относятся к классу ультрапрецизионных и в целом ряде применений, в частности в базовых станциях сетей CDMA и WiMax, уже заменили гораздо более дорогие и менее надежные рубидиевые генераторы;
10-МГц, 12,8-МГц, 13-МГц КР: выпускаются в круглых корпусах НС37 и в плоских - НС43. Суточная стабильность частоты (1...3)·10-10, годовая (2...5)·10-8, за 10 лет - примерно 2·10-7;
48-МГц, 56-МГц, 80-МГц, 98,304-МГц, 100-МГц КР - это высокочастотные прецизионные резонаторы, выпускаются в миниатюрных круглых корпусах НС35 и плоских - НС45. Их долговременная стабильность (2...3)·10-7/год и (1...1,5)·10-6 за срок службы. Устойчивое обеспечение высоких технических характеристик здесь требует повышенных усилий из-за их критичности к конструкторско-технологическим факторам.
В производстве прецизионных резонаторов очень важен подбор и обучение персонала. Построение резонаторного производства в виде независимых производственных линий обеспечивает большую производственную мощность в сочетании с ее повышенной устойчивостью. На сегодня суммарная мощность производственных линий составляет 7-8 тыс. резонаторов в неделю, причем она зависит от номенклатуры выпускаемых резонаторов и при "неудачных" сочетаниях может падать примерно в два раза.
ПРЕЦИЗИОННЫЕ И УЛЬТРАПРЕЦИЗИОННЫЕ КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
Генераторы наивысшей стабильности частоты (ультрапрецизионные)
К таковым сейчас относят кварцевые генераторы с эксплуатационной стабильностью частоты порядка 10-10. (Заметим, что по мере совершенствования приборов уровень ультрапрецизионности соответственно отодвигается.) "Двигателем" этого направления стали требования синхронизации сетей связи, в частности базовых станций стандарта CDMA. Конструкторско-технологически КГ такого уровня в основном реализуются двухступенчатым термостатированием кварцевого резонатора при точности поддержания температуры лучше 0,05°С и размещении менее критичных элементов во внешней ступени с точностью поддержания температуры порядка 1°С. Некоторые недостатки таких генераторов - увеличенные габариты и энергопотребление являются следствием их главного достоинства - высокой стабильности частоты, в том числе при резких изменениях окружающей температуры.
В последнее время в АО "Морион" созданы высокотехнологичные малогабаритные генераторы уровня 10-10 с одноступенчатым термостатированием резонатора, причем высота корпуса составляет всего 12,7 мм. Заметным результатом стала разработка технологии миниатюрного генератора с двухступенчатым термостатированием, позволившая разместить генератор в корпусе размерами 36×27×19 мм (~19 см3).
Основные параметры ультрапрецизионных генераторов в промышленном исполнении приведены в табл.1.
Еще один тип генераторов уровня стабильности 10-10 (ГК211-ТС) рассмотрен ниже как прибор категории качества ВП, стойкий к особо жестким внешним воздействующим факторам.
Малошумящие и ультрамалошумящие генераторы
В последнее время ужесточились требования к спектрально-шумовым характеристикам прецизионных генераторов. Одновременно повышалась актуальность конструкторско-технологических решений, легко адаптируемых производством для широкого спектра требований. Выпускается унифицированный ряд малошумящих приборов: ГК197-ТС, ГК199-ТС, ГК200-ТС, ГК201-ТС и ГК220-ТС со следующими особенностями:
высокая стабильность частоты в интервале рабочих температур: до 2·10-10 для ГК200-ТС и (5...10)·10-10 для других моделей;
высокая долговременная стабильность частоты: до (2...3)·10-8 за год;
исполнение с выходным сигналом SIN или HCMOS;
исполнение с напряжением питания 12 или 5 В;
возможность реализации ужесточенных требований к кратковременной нестабильности частоты (девиации Аллана) - вплоть до 7·10-13/с, а также времени установления частоты - до 1 мин;
низкий уровень фазовых шумов, возможность выбора исполнения при заказе - от стандартного до малошумящего (опция LN), улучшенного малошумящего (ILN) и ультрамалошумящего (ULN). Реализованные уровни шумов генераторов на 10 МГц: ≤ -108 дБ/Гц для ∆f = 1 Гц, ≤ -157 дБ/Гц для ∆f = 100 Гц и ≤ -168 дБ/Гц для ∆f = 10 кГц;
низкий "профиль": высота корпуса до 10 мм для ГК197-ТС и ГК200-ТС; 12,7 мм - для всех моделей;
исполнение в популярных стандартных корпусах с размерами в плане от миниатюрного 20×20 мм (ГК199-ТС) до малогабаритных 36×27 мм (ГК197-ТС), 51×41 мм (ГК201-ТС) и для наиболее высокого уровня параметров - 51×51 мм (ГК200-ТС, ГК220-ТС).
Диапазон частот малошумящих генераторов: 10-20 МГц для ГК197-ТС и ГК199-ТС, 10-40 МГц для ГК201-ТС, 10-100 МГц для ГК200-ТС и ГК220-ТС. Многочисленные применения доказали эффективность реализованных концепций.
Миниатюрные прецизионные генераторы
Общая тенденция миниатюризации отнюдь не минула прецизионные КГ. Здесь и прецизионные генераторы, выполненные в конструкциях SMD-типа, - их востребованность быстро растет.
К миниатюрным прецизионным генераторам, представленным ниже, отнесены те, которые удовлетворяют следующим критериям: температурной стабильности частоты не хуже 1·10-8 и объему ≤ 10 см3 при высоте ≤ 12,7 мм (для SMD-корпуса - до 14 мм).
Серийно выпускаемый ряд генераторов на 10-13 МГц имеет уровень стабильности частоты до 5·10-10 (табл.2).
Из таблицы видно, что больший объем дает возможность реализовать лучшую стабильность частоты.
Высокочастотные прецизионные генераторы
В АО "Морион" разработано семейство высокочастотных генераторов на диапазон 48-500 МГц, где частоты 48-128 МГц реализованы на частоте колебания резонатора, а более высокие получены умножением частоты в составе генератора.
В построении ВЧ-генераторов выделилось два направления:
"однорезонаторные", когда и стабильность частоты, и частота выходного сигнала определяются одним и тем же резонатором;
"двухрезонаторные", когда в конструкции имеются опорный генератор на "своем" резонаторе частотой, как правило, примерно 5 или 10 МГц, и выходной высокочастотный генератор, управляемый напряжением (ГУН), на резонаторе, который и определяет выходную частоту. Стабильность частоты определяется опорным генератором, который управляет выходным ГУН через систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), при этом оба генератора - и опорный, и ГУН - термостатированы. Термостатирование ГУН дает серьезные преимущества благодаря управлению его частотой лишь в узких пределах, практически определяемых его долговременной нестабильностью.
"Однорезонаторные" ВЧ-генераторы проще и дешевле, чем "двухрезонаторные". Однако вторые имеют на порядок более высокую стабильность частоты. Что касается уровня фазовых шумов, то:
в самой ближней зоне (при отстройке 10 Гц) - явное преимущество (~10 дБ/Гц) за "двухрезонаторными" генераторами;
несколько дальше (при отстройке 100 Гц) - наоборот, "однорезонаторные" генераторы имеют меньший уровень шумов (на 10 дБ/Гц);
начиная с отстройки 1 кГц и далее - обе концепции близки.
Высокочастотные КГ серийно выпускаются на ряд стандартных частот: 48; 56; 60; 80; 98,304; 100 МГц. В вариантах с умножением частоты - на кратные этим частоты до 500 МГц.
Реализованные параметры ВЧ-генераторов:
температурная нестабильность частоты: 5·10-8...1·10-7 для "однорезонаторной" концепции и (3...5)·10-9 для "двухрезонаторной";
нестабильность частоты за год: (2...5)·10-7 и (3...5)·10-8 соответственно;
уровень фазовых шумов (для 100 МГц): ∆f = 100 Гц: -120...-130дБ/Гц для "однорезонаторных" и -115...-120 дБ/Гц для "двухрезонаторных"; ∆f = 10 000 Гц: -160...-167 дБ/Гц для обоих видов;
габариты:
"однорезонаторные" генераторы выполняются в различных корпусах - от 51×51×12,7 мм (ГК87-ТС) до 36×27×16 мм (ГК136-ТС) и миниатюрного 25×25×10 мм (ГК218-ТС - последняя разработка, 2009 г.);
"двухрезонаторный" генератор (ГК137-ТС) отработан на частоты 98,304 МГц и 100 МГц и выпускается в стандартном корпусе 51×51×16 мм.
Генераторы, стойкие к особо жестким внешним воздействующим факторам
Речь в основном пойдет об унифицированных генераторах категории качества ВП, введенных в издаваемый МО РФ "Перечень электрорадиоизделий, разрешенных к применению..." МОП 44 001.10 или намеченных к введению в ближайшее время. За период 2005-2009 годы в данном направлении (в области генераторов, стойких к жестким ВВФ) достигнуты следующие результаты.
В связи с развитием бортовых стандартов частоты для КА "ГЛОНАСС-М" и далее "ГЛОНАСС-К", других видов наземной и космической аппаратуры координатно-временного обеспечения, разработаны и освоены два новых прецизионных генератора на резонаторах-термостатах SC-среза (ГК149-ТС и ГК54М-ТС). Были значительно улучшены основные параметры:
кратковременная нестабильность частоты (девиация Аллана) за 1 с лучше 1·10-12;
температурная нестабильность частоты в интервале рабочих температур до 5·10-9;
долговременная нестабильность 2·10-10/сут. и 2·10-7 за 15 лет при 120 000 ч наработки (в обеспечении КА с САС ≥ 12 лет);
время установления частоты после включения до 3 мин.
При этом генераторы стойки к воздействию тяжелых вибраций в диапазоне до 2500 Гц с ускорением 15 g и ударами 300 g, а их энергопотребление всего 500 мВт.
Интенсивно проводились работы по созданию стойких к жестким ВВФ ультрапрецизионных КГ. Генератор ГК211-ТС ("Пикник"), выполненный на стандартные частоты 5 и 10 МГц, обеспечивает:
температурную стабильность частоты до 5·10-11...1·10-10;
долговременную стабильность частоты до 5·10-11/сут. и 5·10-9... 1·10-8/год;
кратковременную нестабильность частоты за 1...10 с до 2·10-12;
стойкость к вибрациям до 2500 Гц с ускорением 15 g и ударами 300 g.
Размеры генератора 62×62×40 мм. Уменьшение габаритов было невозможно из-за очень ограниченных возможностей отечественной элементной базы категории качества ВП.
Развитие направления высокочастотных прецизионных малошумящих генераторов стимулируется проектами перспективных наземных и бортовых РЛС, хотя надо сказать, что они стали актуальны и для других видов РЭА. Основные результаты работ сведены в табл.3.
Назначение и области применения КГ обусловили особенности конструктивно-технологического исполнения:
отсутствие собственных резонансных частот конструкций в диапазоне до 2 кГц, что уже позволило существенно снизить уровень фазовых шумов при воздействии широкополосной случайной вибрации (ШСВ) и обеспечить прочность к длительному воздействию вибраций до 2000 кГц, 10-15g;
ГК148-ТС и ГК213-ТС отработаны на частоты 48, 56, 60, 80 и 100 МГц;
ГК212-ТС стал первым двухрезонаторным (с ФАПЧ) ВЧ-генератором, стойким к таким жестким воздействиям, как вибрации до 2000 Гц, 15g, при стабильности ~10-10 и уровне шумов -165 дБ/Гц;
при работе над ГК213-ТС встала задача создания КГ с резко пониженной g-чувствительностью, у которого, как бы вопреки природе кварцевого резонатора, практически отсутствует ухудшение фазовых шумов при воздействии мощной ШСВ. Для жесткой конструкции ГК148-ТС деградация, т.е. ухудшение шумов, тем не менее составляет ~10 дБ/Гц на 1g среднеквадратичного ускорения ШСВ, т.е. ~30 дБ/Гц для 3,3g (рис.1). В виброакустоустойчивой ("бездеградационной") конструкции ГК213-ТС задача решена (рис.2). При практически устраненной деградации фазовых шумов цель - получить уровень шумов не хуже -135 дБ/Гц при отстройке 100 Гц, в процессе воздействия ШСВ 3,3 g до 2000 Гц - достигнута.
Ясно, что одним из основных направлений дальнейших работ по прецизионным генераторам, стойким к жестким ВВФ, должна быть миниатюризация. И здесь главный вопрос - возможности отечественной ЭКБ, о чем будет речь далее.
ВЫСОКОСТАБИЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ С МИНИМАЛЬНЫМИ ВРЕМЕНЕМ ГОТОВНОСТИ И ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕМ
Вполне реальны ситуации, когда КГ, наряду с высокой стабильностью частоты, должны иметь минимальные энергопотребление (<100 мВт) и время стабилизации частоты после включения (единицы секунд). По сути, речь идет о прецизионных термокомпенсированных КГ со стабильностью частоты на уровне термостатированных.
Резонаторы для таких КГ должны иметь высокую долговременную стабильность частоты, минимальное изменение частоты по температурно-частотной характеристике (ТЧХ) и монотонную ("гладкую") ТЧХ без аномалий во всем интервале рабочих температур. Их разработка потребовала серьезных усилий и использования основных технологий прецизионных термостатируемых резонаторов. В итоге разработаны специальные резонаторы на 3-м обертоне АТ-среза, выполненные в холодно-сварных корпусах НС43. Они уже отработаны на стандартные частоты 9,8304 МГц, 10,0 МГц, 12,288 МГц и 12,8 МГц.
С использованием цифровой термокомпенсации на эти частоты реализованы два вида серийных генераторов:
ГК202-ТК: напряжение питания 5 В, корпус размерами 36×27×12,7 мм;
ГК203-ТК: напряжение питания 12 В, корпус размерами 36×27×10,5 мм.
Температурная нестабильность частоты в интервале от -40 до 70°С имеет величину до ±7,5·10-8 для 10 МГц и ±2,0·10-7 для 12,8 МГц; долговременная - до 1,5·10-7/год. Потребляемая этими КГ мощность составляет примерно 100 мВт, причем без пика потребления после включения, а время стабилизации частоты после включения менее 3 с.
Сочетание высокой стабильности частоты, обычно присущей термостатированным генераторам, с очень малым энергопотреблением и почти мгновенной готовностью к работе делает рассматриваемые термокомпенсированные генераторы эффективным решением для многих применений, в частности, - в носимой и мобильной радиосвязи.
В заключение можно констатировать, что в области прецизионных кварцевых генераторов со стабильностью частоты 10-9...10-11 АО "Морион" уверенно входит в число крупнейших мировых производителей, лидирующих по техническому уровню, и проблема так называемого "импортозамещения" этих изделий отсутствует.
Отзывы читателей
