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国内外高端频率控制绝缘件器件的技术比较
浏览: 发布日期:2017-09-03


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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


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