可快速启动具有高频率稳定度的恒温晶体振荡器研究

High frequency stability, fast warm-up and low phase noise are the key parameters of oven controlled crystal oscillators (OCXOs) which are very important to high speed communication quality. This proposal utilizes the concept of adiabatic theory for fabricating the OCXO by using vacuum packaging technology with thermal electrical cooler (TEC) as the temperature controller. The proposed works include: 1) Modeling and designing the structure of the thermostat with TEC by using finite element methods (FEM) to improve temperature stability and heating efficiency; 2) Designing and optimizing low phase noise oscillation circuit based on the Lesson equation and linear time varying (LTV) model; 3) Modeling and analyzing the heat transfer of OCXOs with vacuum packaging and revealing the mechanism of the influence of vacuum for the OCXO’s frequency stability through comparing the analysis and the test for the samples fabricated with different vacuum degree. Because the temperature accuracy and the heating efficiency are higher, the frequency stability would be higher and the warm-up would be faster. Furthermore, due to the potential for minimization of the TEC, this proposal could explore new technology for developing the miniaturized OCXOs with high frequency stability and fast warm-up which would significantly promote the development of the communication industry.

提高频率稳定度，降低预热时间和噪声，是恒温晶体振荡器(OCXO)制作的关键技术，对通信质量及通信速率的提高意义重大。本项目基于Peltier效应，采用半导体热电制冷器(TEC)作为OCXO的恒温元件，借鉴绝热恒温的设计理念，采用真空封装技术制作具有高频率稳定度、可快速启动的OCXO，满足产业需求。研究内容包括：1)利用有限元仿真对采用TEC的OCXO进行恒温结构分析与设计，提高控温精度和控温效率；2)基于Lesson方程及线性时变噪声模型，在器件层面上进行低噪声振荡电路设计及优化；3)对不同真空度条件下的OCXO进行建模分析，并通过理论分析与实际真空封装测试结果对比，揭示真空度对OCXO频率稳定度的影响机理。由于控温精度和控温效率的提高将有效提升频率稳定度，降低预热时间，且TEC小型化前景广阔，本项目的实施将为高性能、小型化的OCXO研发开辟新的思路，对促进通信产业发展具有重要的推动作用。

可快速启动的高频率稳定度的振荡器在高速通信领域以及航空航天、精密科学研究等领域有着广泛的应用。本项目则是面向这种需求，主要研究采用珀尔帖效应（Peltier Effect）制成的热电致冷片（TEC）为温控元件，实现普通恒温晶体振荡器的快速启动及频率稳定度的提高的方法。具体研究成果有：（1）采用TEC作为外部主动控温元件可以显著提高普通恒温晶体振荡器的启动速度，将启动时间降低至少一半。与此同时，温度稳定性也显著高于普通恒温晶体振荡器，且整体器件受外界环境温度影响更小。（2）采用TEC的恒温晶体振荡器，其频率漂移要优于不采用TEC时的普通恒温晶体振荡器。采用Allen方差作为评价标准时，采用TEC作为外部控温元件时的晶体振荡器的输出频率的相位噪声要高于未采用TEC时的恒温晶体振荡器。由于TEC控温初始电流较大，使得其短期稳定度（τ<50s）与不使用TEC时没有明显差别（4×10-9）；但长期稳定度（τ >50s）则要优于不采用TEC作为控温元件的普通恒温晶体振荡器（1×10-9）。（3）以修正的Leeson模型为基础，采用ADS软件进行了低噪声晶体振荡器的设计，通过引入实际器件模型，揭示了因晶体振荡引入的幅频效应带来的相位噪声的影响，并给出了降低这一噪声影响的方法。项目的实施，明确了采用TEC作为控温元件提高恒温晶体振荡器的启动速度及提高频率稳定度的可行性，从而为下一步制作基于TEC的集成式恒温晶体振荡器提供了理论与技术基础，也为实现高精度、快速启动的更高频率与温度稳定性的小型化或微型化的振荡器明确了方向。