某機(jī)載雷達(dá)本振參考源相位噪聲試驗(yàn)*

雷 鳴

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

某機(jī)載雷達(dá)本振參考源相位噪聲試驗(yàn)*

雷 鳴

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

飛機(jī)作戰(zhàn)環(huán)境的復(fù)雜化和作戰(zhàn)性能的提升，對(duì)機(jī)載電子裝備環(huán)境適應(yīng)性的要求越來(lái)越高。某本振參考源在進(jìn)行功能試驗(yàn)時(shí)，其相位噪聲不符合指標(biāo)要求。文中通過(guò)試驗(yàn)對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)分析。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相位噪聲的惡化與晶體振蕩器本身及其連接線纜的振動(dòng)無(wú)關(guān)，而是因?yàn)榘惭b夾具和振動(dòng)臺(tái)擴(kuò)展臺(tái)設(shè)計(jì)得不合理。文中對(duì)安裝夾具和振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后的測(cè)試結(jié)果表明，相位噪聲達(dá)到了指標(biāo)要求，該改進(jìn)措施有效。

本地振蕩器；相位噪聲；晶體振蕩器；功能試驗(yàn)

引 言

頻率源技術(shù)是當(dāng)代電子系統(tǒng)領(lǐng)域非常重要的一部分，在電子對(duì)抗或通信的很多領(lǐng)域，其相位噪聲對(duì)系統(tǒng)的指標(biāo)有很大的影響[1-2]。相位噪聲是指由各種噪聲引起的系統(tǒng)輸出信號(hào)相位的變化，它是衡量頻率穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。

功能試驗(yàn)則是為了檢驗(yàn)裝備暴露在最?lèi)毫拥沫h(huán)境條件下時(shí)能否正常工作，在試驗(yàn)的開(kāi)始、過(guò)程中和結(jié)束時(shí)，全面檢驗(yàn)試件的功能[3]，從而判斷裝備能否達(dá)到實(shí)際使用要求。而裝備上振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)的優(yōu)劣[4]、振動(dòng)臺(tái)擴(kuò)展臺(tái)的設(shè)置合理與否，都會(huì)影響到相位噪聲測(cè)試的準(zhǔn)確性。本文對(duì)某機(jī)載雷達(dá)的本振參考源進(jìn)行了相位噪聲測(cè)試，詳細(xì)分析了其相位噪聲不符合指標(biāo)要求的原因，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 試驗(yàn)對(duì)象描述

本振參考源采用的4個(gè)隔振器安裝在夾具上，隔振器用來(lái)隔離夾具傳遞到本振參考源的振動(dòng)，減小機(jī)械環(huán)境對(duì)電子設(shè)備可靠性的影響[5]。夾具為2塊分離的安裝板，連接到振動(dòng)臺(tái)的擴(kuò)展臺(tái)上。晶體振蕩器通過(guò)盒體安裝在本振參考源上。

對(duì)該本振參考源進(jìn)行相位噪聲測(cè)試，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：在頻率點(diǎn)540 Hz處，動(dòng)態(tài)條件下的相位噪聲雖達(dá)到了指標(biāo)要求，但相比于靜態(tài)條件下的相位噪聲，卻惡化了10 dB；在頻率點(diǎn)1 kHz處，動(dòng)態(tài)條件下的相位噪聲不符合指標(biāo)要求，且相比于靜態(tài)測(cè)試條件下的相位噪聲惡化了14dB。下面將進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比分析，找出導(dǎo)致相位噪聲惡化的原因。

2 試驗(yàn)對(duì)比分析

2.1試驗(yàn)工況設(shè)置

為了判斷相位噪聲惡化的主要來(lái)源，共設(shè)置了6組試驗(yàn)：2組靜態(tài)試驗(yàn)和4組動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。靜態(tài)試驗(yàn)即對(duì)處于靜止環(huán)境下的本振參考源進(jìn)行相位噪聲測(cè)試；動(dòng)態(tài)試驗(yàn)為在給定的振動(dòng)條件下對(duì)本振參考源進(jìn)行相位噪聲和振動(dòng)量值測(cè)試。

1)靜態(tài)工況1。不做任何更改，進(jìn)行相位噪聲測(cè)試。

2)靜態(tài)工況2。在本振與晶體振蕩器之間增加1.5 m長(zhǎng)的延長(zhǎng)線，進(jìn)行相位噪聲測(cè)試。通過(guò)與靜態(tài)工況1進(jìn)行對(duì)比，可以得出增加延長(zhǎng)線后相位噪聲的變化情況。

3)動(dòng)態(tài)工況1。不做任何更改，測(cè)試原設(shè)備在動(dòng)態(tài)環(huán)境中的相位噪聲和振動(dòng)衰減效果。

4)動(dòng)態(tài)工況2。對(duì)晶體振蕩器的連接電纜進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓潭?，進(jìn)行相位噪聲測(cè)試。通過(guò)與動(dòng)態(tài)工況1進(jìn)行對(duì)比，可以得出振動(dòng)環(huán)境中電纜懸置對(duì)相位噪聲的影響。

5)動(dòng)態(tài)工況3。采用圖1所示的2塊加強(qiáng)鋁板對(duì)晶振盒體底部殼體與側(cè)壁連接筋進(jìn)行固定，增加盒體結(jié)構(gòu)剛度，測(cè)試本振參考源的相位噪聲以及振動(dòng)衰減效果。通過(guò)與動(dòng)態(tài)工況1進(jìn)行對(duì)比，可以探明晶振安裝盒的剛度對(duì)相位噪聲的影響。

6)動(dòng)態(tài)工況4。通過(guò)延長(zhǎng)線將晶體振蕩器獨(dú)立出本振參考源箱體，進(jìn)行相位噪聲測(cè)試。測(cè)試狀態(tài)有2種：晶體振蕩器靜止，本振參考源箱體振動(dòng)；晶體振蕩器振動(dòng)，本振參考源靜止。

圖1 晶振安裝盒加固方式

2.2試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

前面測(cè)試了2組靜態(tài)工況和4組動(dòng)態(tài)工況下本振參考源的相位噪聲，下面對(duì)這6組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。與XS03和XS05相比，XS04本地振蕩器在動(dòng)態(tài)環(huán)境下的相位噪聲較差。為了充分體現(xiàn)出對(duì)比的結(jié)果，這里將XS04選為分析對(duì)象。表1和表2分別列出了靜態(tài)工況下和動(dòng)態(tài)工況下各個(gè)關(guān)注點(diǎn)處的相位噪聲。

表1 靜態(tài)工況下各個(gè)關(guān)注點(diǎn)處的相位噪聲

表2 動(dòng)態(tài)工況下各個(gè)關(guān)注點(diǎn)處的相位噪聲

將靜態(tài)工況1和靜態(tài)工況2進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在各關(guān)注點(diǎn)處這2種工況下的相位噪聲變化很小。這種小范圍的變化主要是由測(cè)試誤差導(dǎo)致的，即這里可以認(rèn)為增加延長(zhǎng)線對(duì)本振參考源的相位噪聲沒(méi)有影響，在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中可以不予考慮。將動(dòng)態(tài)工況1與靜態(tài)工況1下的相位噪聲進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相比于靜態(tài)工況1，動(dòng)態(tài)工況1下的相位噪聲在頻率點(diǎn)1 kHz處有明顯的惡化。相比于動(dòng)態(tài)工況1，在動(dòng)態(tài)工況2、3、4下本振參考源的相位噪聲沒(méi)有發(fā)生太大的變化。這表明晶體振蕩器本身、安裝盒、晶體振蕩器的連接線等對(duì)本振參考源的相位噪聲惡化無(wú)影響，晶體振蕩器的隔振措施非常好。

3 相位噪聲敏感源分析

為了獲取本振參考源系統(tǒng)的振動(dòng)特性，在本振參考源與振動(dòng)臺(tái)上布置了10個(gè)加速度傳感器。其中A1、A2、A3、A4號(hào)測(cè)試點(diǎn)位于本振參考源頂部的4個(gè)角點(diǎn)上；B1、B2、B3、B4號(hào)測(cè)試點(diǎn)位于安裝底板4個(gè)隔振器附近；C1、C2號(hào)測(cè)試點(diǎn)位于振動(dòng)臺(tái)的擴(kuò)展臺(tái)上。

根據(jù)功率譜密度曲線算得的各測(cè)試點(diǎn)加速度均方根值見(jiàn)表3。在理論上，一個(gè)合格的安裝夾具應(yīng)與控制臺(tái)面緊固在一起，不能明顯地放大和減小振動(dòng)。從表3可以看出，該安裝夾具對(duì)振動(dòng)有明顯的放大作用，顯然不符合要求。

表3 動(dòng)態(tài)工況1下各測(cè)試點(diǎn)的加速度均方根值

圖2為動(dòng)態(tài)工況1下振動(dòng)臺(tái)監(jiān)控信號(hào)與功率譜曲線，這2處異常峰值頻率正好與相位噪聲測(cè)試中關(guān)注的頻率點(diǎn)550 Hz和970 Hz非常接近，這將對(duì)本振參考源的相位噪聲產(chǎn)生明顯的影響。

圖2 動(dòng)態(tài)工況1下振動(dòng)臺(tái)監(jiān)控信號(hào)與功率譜曲線

3.1底座安裝夾具分析

為了探究安裝夾具對(duì)相位噪聲的影響，設(shè)置了動(dòng)態(tài)工況5：在B4號(hào)點(diǎn)引入控制傳感器，通過(guò)3點(diǎn)(B4號(hào)點(diǎn)和振動(dòng)臺(tái)擴(kuò)展臺(tái)上的2點(diǎn)C1和C2)平均控制來(lái)代替工況1的2點(diǎn)(振動(dòng)臺(tái)擴(kuò)展臺(tái)上的2點(diǎn))平均控制驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)。同時(shí)測(cè)試本振參考源的相位噪聲和各測(cè)試點(diǎn)的功率譜曲線。

表4為工況5下各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的加速度均方根值。由測(cè)試結(jié)果可知，在該狀態(tài)下，安裝夾具對(duì)振動(dòng)的放大作用仍然很明顯，但是相比于2點(diǎn)(振動(dòng)臺(tái)上的2點(diǎn))平均控制時(shí)，放大作用有所減小。表5為動(dòng)態(tài)工況5下各關(guān)注頻率點(diǎn)的相位噪聲值。從表5可知，各個(gè)頻率關(guān)注點(diǎn)處的相位噪聲值都達(dá)到了指標(biāo)要求的結(jié)果。

表4 動(dòng)態(tài)工況5下各測(cè)試點(diǎn)的加速度均方根值

表5 動(dòng)態(tài)工況5下各個(gè)關(guān)注點(diǎn)處的相位噪聲值

3.2振動(dòng)臺(tái)擴(kuò)展臺(tái)分析

為了判斷1 000 Hz處峰值產(chǎn)生的原因，在振動(dòng)臺(tái)連接擴(kuò)展臺(tái)和不連接擴(kuò)展臺(tái)這2種狀態(tài)下進(jìn)行了空臺(tái)掃頻測(cè)試，掃頻范圍為15 ～ 2 000 Hz。由測(cè)試結(jié)果可知，振動(dòng)臺(tái)連接擴(kuò)展臺(tái)時(shí)，在掃頻范圍內(nèi)具有多階峰值，且在550 Hz和970 Hz處峰值尤為明顯；振動(dòng)臺(tái)不連接擴(kuò)展臺(tái)時(shí)，在1 700 Hz之后才開(kāi)始逐漸出現(xiàn)第1階?？梢?jiàn)振動(dòng)臺(tái)在連接擴(kuò)展臺(tái)后，其頻率特性發(fā)生了明顯變化，根據(jù)本振參考源的測(cè)試條件和頻率關(guān)注點(diǎn)的分布狀態(tài)可以判斷，這種狀態(tài)下的振動(dòng)臺(tái)會(huì)極大地影響本振參考源的相位噪聲。

4 改進(jìn)措施

為了對(duì)本振參考源的相位噪聲進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)試，根據(jù)上一節(jié)中的分析結(jié)果，做了如下改進(jìn)，作為動(dòng)態(tài)工況6：

1)以整塊安裝夾具代替2塊分離的安裝夾具，以增加安裝夾具自身的剛度，并且在整塊安裝夾具上增加連接孔，以進(jìn)一步增加安裝夾具與振動(dòng)臺(tái)之間的連接剛度；

2)直接連接安裝夾具與振動(dòng)臺(tái)動(dòng)圈，以消除擴(kuò)展臺(tái)面在振動(dòng)試驗(yàn)中對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。試驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)裝置

為了得到改進(jìn)之后的振動(dòng)臺(tái)和安裝夾具的特性，對(duì)僅僅安裝有夾具的振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行空載掃頻實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。從圖4可知，在1 500 Hz之后才逐漸出現(xiàn)峰值，并且峰值頻率都比較高，避開(kāi)了相位噪聲測(cè)試的關(guān)注點(diǎn)，適合進(jìn)行本振參考源的相位噪聲試驗(yàn)。

圖4 安裝夾具后振動(dòng)臺(tái)掃頻曲線

對(duì)安裝在改進(jìn)后的夾具和振動(dòng)臺(tái)上的本振參考源的相位噪聲進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表6。從表6可知，各個(gè)關(guān)注點(diǎn)處的相位噪聲均達(dá)到了指標(biāo)要求。

表6 動(dòng)態(tài)工況6中各個(gè)關(guān)注點(diǎn)處相位噪聲

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)設(shè)置合理的試驗(yàn)工況以及對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析得出，本振參考源相位噪聲惡化的主要原因?yàn)殡娎|的振動(dòng)影響。對(duì)振動(dòng)控制點(diǎn)個(gè)數(shù)的調(diào)整以及對(duì)振動(dòng)臺(tái)掃頻試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析表明，安裝夾具和擴(kuò)展臺(tái)的頻率耦合導(dǎo)致了本振參考源相位噪聲的惡化。通過(guò)調(diào)整試驗(yàn)方案，撤除振動(dòng)臺(tái)擴(kuò)展臺(tái)面，使本振參考源通過(guò)了機(jī)載平臺(tái)條件下嚴(yán)酷的振動(dòng)試驗(yàn)。該試驗(yàn)方案可為類(lèi)似產(chǎn)品的振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供參考。

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[2] 賴一成. S波段低相位噪聲參考源技術(shù)研究[D]. 成都:電子科技大學(xué), 2013.

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[4] 李新帥, 張華國(guó), 鐘劍鋒, 等. 某雷達(dá)模塊的振動(dòng)夾具設(shè)計(jì)[J]. 電子機(jī)械工程, 2014, 30(2): 23-25.

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雷 鳴 (1963-)，男，高級(jí)工程師，主要從事機(jī)載雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

PhaseNoiseExperimentofLocalOscillatorinanAirborneRadar

LEIMing

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

With complication of battle environment and improvement of operational performance, environmental adaptability requirement of the airborne electronic equipment is increasing. The phase noise of a local oscillator can′t meet the requirement in the function test. This problem is analyzed in detail by test in this paper. Comparison of the test results shows that the phase noise degradation has nothing to do with vibration of the crystal oscillator itself and its connecting cables. Instead, it results from the unreasonable design of the fixture and the extended table of the vibration table. The design of the fixture and the extended table is also improved in this paper. The test results after improvement show that the phase noise of the local oscillator meets the requirement and the improvement is effective.

local oscillator; phase noise; crystal oscillator; function test

2015-04-30

TN752

：A

：1008-5300(2015)04-0012-03