無諧振峰減振器在雷達(dá)晶體振蕩器上的應(yīng)用*

馮永平，帥立國(guó)，鐘劍鋒，劉國(guó)維

(1. 東南大學(xué)機(jī)械學(xué)院， 江蘇 南京 211189； 2. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

無諧振峰減振器在雷達(dá)晶體振蕩器上的應(yīng)用*

馮永平1，帥立國(guó)1，鐘劍鋒2，劉國(guó)維2

(1. 東南大學(xué)機(jī)械學(xué)院， 江蘇 南京 211189； 2. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

分析了振動(dòng)環(huán)境對(duì)某雷達(dá)晶體振蕩器的影響，并以此為依據(jù)設(shè)計(jì)了一種輕質(zhì)的無諧振峰鋼絲繩減振器，并與橡膠減振器進(jìn)行了對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在基本保證減振效果的前提下，鋼絲繩減振器更適合低溫環(huán)境使用，晶體振蕩器相位噪聲相對(duì)橡膠減振器高出9～18 dBc/Hz @100Hz，可以在寬溫度范圍內(nèi)用于地面、機(jī)載、艦載、球載等條件下的晶振減振。

晶體振蕩器；鋼絲繩減振器；輕質(zhì)；相位噪聲；低溫

引 言

隨著現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，電子元器件的穩(wěn)定度要求越來越高。作為電子元器件中不可缺少的核心部件，晶體振蕩器的穩(wěn)定性將直接影響到整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的作戰(zhàn)性能。而晶體振蕩器在振動(dòng)環(huán)境下極易受到影響[1]，會(huì)產(chǎn)生頻率漂移和相位噪聲，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。因此有必要對(duì)晶體振蕩器采取隔振措施，以保證系統(tǒng)工作的精確度和穩(wěn)定度。

無諧振峰減振器作為一種已在電子產(chǎn)品上廣泛應(yīng)用的減振結(jié)構(gòu)，具有溫度適應(yīng)范圍寬、無諧振峰的優(yōu)點(diǎn)。其在晶體振蕩器減振上的應(yīng)用多使用壓簧結(jié)構(gòu)，這樣不僅占用很大的空間，而且增加模塊的重量，在雷達(dá)中的應(yīng)用受到了很大的挑戰(zhàn)。

本文從寬溫度范圍出發(fā)，基于無諧振峰減振器工作原理，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)晶體振蕩器的無諧振峰鋼絲繩減振器，其結(jié)構(gòu)更輕質(zhì)、空間更小巧、走線更方便、維護(hù)更簡(jiǎn)易，并進(jìn)行了與橡膠減振器的減振效果實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究。

1 無諧振峰減振系統(tǒng)的理論分析

圖1為無諧振峰減振系統(tǒng)的抽象模型[2]。圖中，m為晶體振蕩器的質(zhì)量；k為減振器的勁度系數(shù)；Fμ為干摩擦力；z、ze分別為晶體振蕩器和基座的位移。該模型的運(yùn)動(dòng)微分方程可表示為

(1)

式中，λ=±1是取決于質(zhì)量與基礎(chǔ)相對(duì)速度的符號(hào)函數(shù)。

圖1 庫(kù)侖阻尼系統(tǒng)

由非粘性阻尼的能量等效原理可知，庫(kù)倫阻尼可等效為粘性阻尼，其等效粘性阻尼系數(shù)為

(2)

式中：μ為干摩擦阻尼系數(shù)；N為正壓力；p為激勵(lì)頻率；B為阻尼力在一個(gè)周期中的振幅。

如將干摩擦力等效為粘性阻尼，則式(1)可改寫為

令ze(t)=A0eipt，u=z-ze，則有

若z=Bsin(pt-θ)，則有傳遞率：

(3)

式中：θ為滯后相位角；γ為頻率比；De=ce/cc為等效阻尼比，即粘性阻尼與系統(tǒng)臨界阻尼的比。

圖2 無諧振峰傳遞率曲線

2 減振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 布局設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的無諧振峰減振器通常將隔振體安裝在盒內(nèi)，壓簧和隔振體四周安裝簧片，利用簧片與盒內(nèi)壁的干摩擦來實(shí)現(xiàn)無諧振峰隔振。此設(shè)計(jì)如運(yùn)用在晶振減振上，則對(duì)整個(gè)減振系統(tǒng)的重量、空間、后續(xù)的維護(hù)性要求有很大的挑戰(zhàn)。本文全面考慮這些問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)專用的隔振緩沖系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 晶振減振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

晶振“架”在框架中間，框架底部與模塊連接，框架四角用了8根鋼絲繩，其中4根作為限位裝置，起導(dǎo)向與摩擦作用；另外4根制作成環(huán)形，一端與底部固定，環(huán)形端連接晶振，將晶振“架”空。

鑒于單質(zhì)體多自由度系統(tǒng)一個(gè)方向的振動(dòng)必然會(huì)引起另一個(gè)方向的振動(dòng)，為了使該單質(zhì)體質(zhì)量重心與剛度中心重合，從而不引起耦合振動(dòng)[2]，在晶振四周對(duì)稱安裝環(huán)形鋼絲繩，晶振上加裝鎖緊蓋帽，將減振器重心盡量調(diào)整到系統(tǒng)中心平面內(nèi)。由此，減振系統(tǒng)在鉛直方向是非耦合運(yùn)動(dòng)，水平方向也基本符合非耦合布置條件。

2.2 減振結(jié)構(gòu)的算例分析

設(shè)計(jì)無諧振峰減振器所需參數(shù)如表1所示。

表1 無諧振峰減振器輸入?yún)?shù)

本文所使用晶振質(zhì)量為50 g，體積為50 mm × 50 mm × 25 mm，外界激勵(lì)的最低頻率為20 Hz，晶振相位噪聲動(dòng)態(tài)相對(duì)靜態(tài)惡化指標(biāo)：隨機(jī)振動(dòng)條件40 dBc/Hz @100Hz內(nèi)；正弦加隨機(jī)振動(dòng)條件50 dBc/Hz @100Hz內(nèi)。

首先為了避開共振區(qū)域，減振系統(tǒng)的固有頻率至少應(yīng)設(shè)定為

本次設(shè)計(jì)所需的鋼絲繩泊松比為0.34，密度7.8 g/cm3，直徑1.8 mm，鋼絲繩內(nèi)部結(jié)構(gòu)阻尼比0.15，由

可知k≤394 264.9 N/m，帶入公式：

當(dāng)條件為隨機(jī)振動(dòng)f=20Hz，加速度功率譜密度為0.202 g2/Hz時(shí)，由式(3)可得系統(tǒng)隔振率η≈0.73。此時(shí)，晶振將一直處于隔振區(qū)。此后隨著激勵(lì)頻率的增加，γ值越來越大，系統(tǒng)的隔振傳遞率將逐漸降低，從而進(jìn)一步保證晶振在中、高頻處頻率的穩(wěn)定度。

對(duì)該減振系統(tǒng)在隨機(jī)振動(dòng)、正弦加隨機(jī)振動(dòng)100Hz處進(jìn)行理論分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)果滿足實(shí)際的指標(biāo)要求。

如不要求晶振時(shí)刻處在隔振區(qū)內(nèi)，可從晶振相位噪聲惡化指標(biāo)考慮，分析共振區(qū)的影響是否滿足要求。鑒于本文晶振在雷達(dá)上有很高的可靠性要求，故直接從隔振區(qū)考慮。

3 實(shí)驗(yàn)研究

所選晶振中心頻率為120MHz。為了測(cè)試該減振系統(tǒng)的效果，進(jìn)行了兩種條件下的實(shí)驗(yàn)，并與橡膠減振器進(jìn)行了對(duì)比。

3.1 試驗(yàn)對(duì)比輸入條件

該試驗(yàn)采用：(1)隨機(jī)振動(dòng)，加速度功率譜密度參數(shù)見表2，功能試驗(yàn)時(shí)間30min。(2)正弦加隨機(jī)振動(dòng)，加速度功率譜密度見圖4，試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間每個(gè)軸向?yàn)?h。

表2 隨機(jī)振動(dòng)加速度功率譜密度

f1=20 Hz； A1=2.97g； f2=39.6 Hz；A2=3.75g； f3=59.4 Hz；A3=2.25g； f4=79.2 Hz； A4=2.25g；W0=0.005 g2/Hz；W1=0.04 g2/Hz； ft=500 Hz圖4 正弦加隨機(jī)振動(dòng)加速度功率譜密度

針對(duì)該減振器，分別做了高低溫環(huán)境下的振動(dòng)試驗(yàn)，并與兩種結(jié)構(gòu)的航空橡膠板減振器進(jìn)行了對(duì)比。

3.2 試驗(yàn)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)

1981年，Raymond L. Filler研究了振動(dòng)環(huán)境對(duì)晶體振蕩器輸出頻率造成的影響[4]。在單方向上的單一頻率振動(dòng)環(huán)境下，晶體振蕩器的輸出頻率：

f(t)=f0〔1+SgA(t)〕

式中：f0為晶體振蕩器靜止?fàn)顟B(tài)的輸出頻率；Sg為晶體振蕩器的加速度靈敏度；A(t)為振動(dòng)的瞬時(shí)加速度。此種情況下，由振動(dòng)引起的相位噪聲可近似表達(dá)為

式中：fv為振動(dòng)頻率；Ap為振動(dòng)的加速度，g。

多數(shù)情況下，晶體振蕩器處于隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境中，加速度可用其功率譜密度函數(shù)G(fv) 表示，此時(shí)晶體振蕩器的相位噪聲為

3.3 試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

晶體振蕩器輸出的電信號(hào)在各個(gè)頻率點(diǎn)下相位噪聲結(jié)果見表3～表6。

表3 20 ℃下隨機(jī)振動(dòng)條件下晶體振蕩器的相位噪聲 dBc/Hz

減振器0．1kHz無振動(dòng)有振動(dòng)1kHz無振動(dòng)有振動(dòng)2kHz無振動(dòng)有振動(dòng)10kHz無振動(dòng)有振動(dòng)鋼絲繩-87-52-99-96-108-107-114-114航空橡膠板(底部安裝結(jié)構(gòu))-87-63-99-98-108-108-114-114航空橡膠板(四周拉接結(jié)構(gòu))-87-63-99-99-108-108-114-114

表4 -55 ℃下隨機(jī)振動(dòng)條件下晶體振蕩器的相位噪聲 dBc/Hz

減振器0．1kHz無振動(dòng)有振動(dòng)1kHz無振動(dòng)有振動(dòng)2kHz無振動(dòng)有振動(dòng)10kHz無振動(dòng)有振動(dòng)鋼絲繩-85-50-97-96-108-108-114-114航空橡膠板(底部安裝結(jié)構(gòu))-85-32-97-94-108-107-114-114航空橡膠板(四周拉接結(jié)構(gòu))-85-32-97-94-108-107-114-114

表5 20 ℃下正弦加隨機(jī)振動(dòng)條件下晶體振蕩器的相位噪聲 dBc/Hz

減振器0．1kHz無振動(dòng)有振動(dòng)1kHz無振動(dòng)有振動(dòng)2kHz無振動(dòng)有振動(dòng)10kHz無振動(dòng)有振動(dòng)鋼絲繩-87-41-99-94-108-107-114-114航空橡膠板(底部安裝結(jié)構(gòu))-87-45-99-96-108-108-114-114航空橡膠板(四周拉接結(jié)構(gòu))-87-44-99-96-108-108-114-114

表6 -55 ℃下正弦加隨機(jī)振動(dòng)條件下晶體振蕩器的相位噪聲 dBc/Hz

減振器0．1kHz無振動(dòng)有振動(dòng)1kHz無振動(dòng)有振動(dòng)2kHz無振動(dòng)有振動(dòng)10kHz無振動(dòng)有振動(dòng)鋼絲繩-85-38-97-90-108-107-114-114航空橡膠板(底部安裝結(jié)構(gòu))-85-29-97-85-108-106-114-114航空橡膠板(四周拉接結(jié)構(gòu))-85-30-97-85-108-106-114-114

3.4 試驗(yàn)對(duì)比結(jié)論

1)不同振動(dòng)條件下，減振器對(duì)晶振輸出信號(hào)的影響在頻率近端(100 Hz附近)較大，遠(yuǎn)端(1 000 Hz以上)很小。

2)在低溫條件下，鋼絲繩減振器對(duì)晶振的減振效果好于航空橡膠板減振器，在晶振輸出信號(hào)功率譜近端100 Hz處相位噪聲高出9～18 dBc/Hz。在常溫下，鋼絲繩減振性能則低于航空橡膠板減振器，100 Hz處相位噪聲低3～11 dBc/Hz，原因是橡膠材料在常溫下彈性性能很好，而鋼絲繩彈性性能較差。

3)鋼絲繩減振器比較適合寬溫度環(huán)境，特別是在低溫環(huán)境下能夠保持較高的穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于無諧振峰減振原理，針對(duì)電子產(chǎn)品晶體振蕩器設(shè)計(jì)開發(fā)了無諧振峰減振系統(tǒng)。該無諧振峰鋼絲繩減振器相對(duì)已有的減振器質(zhì)量更輕、空間更小，采用非線性彈簧和非線性阻尼器等非線性元素降低了系統(tǒng)的固有頻率，提升了低頻特性以及隔振傳遞率。通過試驗(yàn)對(duì)比，在頻率為20～2 000 Hz的隨機(jī)振動(dòng)以及20～500 Hz的正弦加隨機(jī)振動(dòng)條件下，特別是在低溫-55 ℃環(huán)境下，該減振系統(tǒng)可有效降低由振動(dòng)環(huán)境引起的晶體振蕩器的相位噪聲，在常溫時(shí)減振性能與橡膠減振器相近，低溫時(shí)減振性能優(yōu)于橡膠減振器。

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[4] FILLER R L. The effect of vibration on frequency standards and clocks[C]//35th Annual Symposium on Frequency Control, 1981: 31-39.

馮永平(1989-)，男，碩士，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

帥立國(guó)(1968-)，男，博士生導(dǎo)師，主要從事觸覺系統(tǒng)以及物聯(lián)網(wǎng)的研究。

鐘劍鋒(1967-)，男，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事雷達(dá)大型陣面結(jié)構(gòu)、微波及T/R組件結(jié)構(gòu)研究。

劉國(guó)維(1971-)，男，高級(jí)工程師，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

Applicaiton of Vibration Isolator without Resonance Peak to Radar Crystal Oscillator

FENG Yong-ping1，SHUAI Li-guo1，ZHONG Jian-feng2，LIU Guo-wei2

(1.MechanicalEngineeringCollege,SoutheastUniversity，Nanjing211189,China；2.NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

In this paper, the influence of vibrations on radar crystal oscillator is analyzed. Based on the analysis results, a lightweight wire-rope vibration isolator which has no resonance peak is presented and is compared with a rubber damper. Experimental results show that with the premise of good damping effect, the wire-rope vibration isolator is more suitable for using in low temperature, the phase noise level of the crystal oscillator could be 9～18 dBc/Hz @100Hz higher comparing with the rubber damper. It can be used under the conditions of ground, aircraft, ship, balloon etc. and under wide range temperatures.

crystal oscillator; wire-rope vibration isolator; light weight; phase noise; low temperature

2013-03-13

TB535;O328

A

1008-5300(2013)03-0001-04