在過去幾年的市場中,小型蜂窩解決方案通過部署為獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)或與傳統(tǒng)宏蜂窩集成,展示了其實(shí)現(xiàn)更高無線電密度和容量的能力.因此臺產(chǎn)TXC晶振公司,開發(fā)小型化的OCXO晶振以滿足嚴(yán)格的系統(tǒng)要求,已經(jīng)引起了很多關(guān)注.2012年,TXC晶振公司使用AT切割晶體作為溫度傳感器,開發(fā)了數(shù)字信號處理-橢圓OCXO振蕩器(DSP-OCXO)的開發(fā),顯示頻率可以達(dá)到±20.

加工結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì):

為了優(yōu)化爐化結(jié)構(gòu),基于有限元模擬的熱分析用于研究爐的穩(wěn)定性.首先,我們優(yōu)化熱敏電阻的物理位置,并顯示熱敏電阻和加熱器之間相對位置對烤箱控制電路的影響.其次,提出了一種雙加熱器結(jié)構(gòu)來提高烤箱的穩(wěn)定性.擬議的OCXO的圖示如圖4所示,包括兩個(gè)加熱器(加熱器1和加熱器2),三個(gè)PCB層,一個(gè)熱敏電阻和一個(gè)溫補(bǔ)晶振.無源元件,如芯片電阻和電容被忽略了.

圖1.分析熱敏電阻的物理位置以優(yōu)化烤箱結(jié)構(gòu).仿真結(jié)果表明,在-40至85℃的環(huán)境溫度下,熱敏電阻的溫度變化小于0.3°C.插圖分別表示在優(yōu)化之前和之后環(huán)境溫度為-40℃時(shí)的溫度分布.

圖2.擬議的OCXO的熱分布

當(dāng)環(huán)境溫度為85°C時(shí),會(huì)出現(xiàn)模擬結(jié)果.可利用加熱器結(jié)構(gòu)來改善爐的穩(wěn)定性.(b)單加熱器和雙加熱器結(jié)構(gòu)之間的晶振溫度的變化.(c)使用雙加熱器結(jié)構(gòu)的溫度增量(T)與單加熱器結(jié)構(gòu)相比較.

圖3.通過模擬和實(shí)驗(yàn)獲得的在-40至85℃范圍內(nèi)的環(huán)境溫度下25℃的晶體的溫度穩(wěn)定性.

這里模擬.當(dāng)熱敏電阻用作溫度傳感器時(shí),精確的溫度檢測對于烤箱控制電路的反饋回路至關(guān)重要.例如,當(dāng)熱敏電阻沒有完全接觸加熱器時(shí),如圖5中的插圖所示,當(dāng)加熱器的熱源設(shè)定在97.5°C而環(huán)境溫度為-40°時(shí),熱敏電阻的溫度僅為85°CC.結(jié)果,在-40至85℃的環(huán)境溫度下獲得了超過8℃的熱敏電阻變化(圖1中的實(shí)線所示).這種大的變化表明,由于熱敏電阻的溫度遠(yuǎn)低于從烤箱控制電路的反饋回路設(shè)定的參考溫度,因此晶體的過熱可能會(huì)出現(xiàn)低環(huán)境溫度條件.換句話說,這個(gè)結(jié)果意味著應(yīng)仔細(xì)研究石英晶振和溫度傳感器之間的物理距離,以確定最合適的位置.為此,我們參數(shù)化地分析了熱敏電阻的物理位置.我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)熱敏電阻與加熱器1完全接觸時(shí),如圖1(虛線)所示,可以實(shí)現(xiàn)溫度變化小于0.3°C的溫度變化.接下來,附加加熱器(加熱器2)的效果研究了烤箱結(jié)構(gòu)的熱效率.可以看出,當(dāng)加熱器2被移除時(shí),從加熱器1到PCB1的巨大熱量損失可以被發(fā)現(xiàn),如通過圖2(a)中的模擬獲得的熱分布所示.

如圖所示.在圖2(b)中,給出了一個(gè)加熱器和雙加熱器結(jié)構(gòu)之間的晶體溫度的比較.當(dāng)加熱器2提供額外的熱源時(shí),加熱器中的熱分布更均勻,其中加熱器1和加熱器2的穩(wěn)定步驟中的溫度設(shè)定為97.5℃,而環(huán)境溫度為85℃.為了量化使用雙加熱器結(jié)構(gòu)的改進(jìn),研究了通過改變加熱器2的溫度同時(shí)保持加熱器1在97.5℃的參數(shù)分析.圖2(c)中的結(jié)果顯示了與單加熱器結(jié)構(gòu)相比使用雙加熱器結(jié)構(gòu)的溫度增量(ΔT),當(dāng)加熱器2設(shè)定在97.5℃時(shí),其中超過1.6℃得到改善.因此,考慮到雙加熱器結(jié)構(gòu),如圖7中的模擬結(jié)果所示,成功地實(shí)現(xiàn)了小于±0.1℃的晶體的爐內(nèi)穩(wěn)定性,而外部環(huán)境溫度在-40℃至85℃之間.

通過分析與加熱器相關(guān)的熱敏電阻的物理位置對烘箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,并考慮設(shè)備中使用的雙加熱器概念,下一步是實(shí)現(xiàn)小型化OCXO晶振.如圖7所示,獲得了通過實(shí)驗(yàn)測量的小于±1℃的烘箱穩(wěn)定性.應(yīng)該注意的是,使用ACcut坯料作為溫度傳感器測量晶體的溫度,其在頻率和溫度之間具有很大的線性.因此,這反映出使用AT切割晶體可以使頻率穩(wěn)定性達(dá)到±20ppb以下.圖8示出了當(dāng)環(huán)境溫度為25℃時(shí)相應(yīng)的輸出電流,其中預(yù)熱步驟和穩(wěn)定步進(jìn)的電流分別為320mA和150mA.此外,紅外熱量捕獲的相應(yīng)熱圖像.

圖4.環(huán)境溫度為25°C時(shí)的輸出電流,其中預(yù)熱步驟和穩(wěn)定步進(jìn)電流分別為320mA和150mA.成像設(shè)備如圖5所示.觀察到溫度加熱器2的溫度約為95°C.

在本文中,我們開發(fā)了一種尺寸為9.7mmx7.5mm的高穩(wěn)定性小型化石英晶體振蕩器.根據(jù)FEM模擬的熱分析用于優(yōu)化結(jié)構(gòu)化結(jié)構(gòu).已經(jīng)表明,所提出的雙加熱器結(jié)構(gòu)可以提高烤箱的穩(wěn)定性.因此,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示高度穩(wěn)定的烤箱性能在-40至85°C之間小于±1°C的變化,表明如果使用AT切割石英晶振,可以實(shí)現(xiàn)小于±20ppb的高頻穩(wěn)定性.

圖5.紅外熱成像設(shè)備捕獲的熱分布,加熱器2的溫度約為95°C

按照目前的市場需求和動(dòng)向來看,誰先掌握OCXO晶振小型化,低成本的量產(chǎn)方案和技術(shù),無疑就是掌握了巨大的商機(jī).TXC晶振公司生產(chǎn)的OE和OG的封裝尺寸分別是14.0*9.0mm,9.7*7.5mm等,這在業(yè)界里已經(jīng)算是很小的了,但依然沒能達(dá)到用戶的需求,因?yàn)槠渌愋偷恼袷幤?如XO,TCXO,VCXO壓控晶振這些分類最小的尺寸都已達(dá)到1.6*1.2mm了,與之相比不能不說差距仍然很大.

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