Я.Вороховский

Прецизионные приборы кварцевой стабилизации частоты для телекоммуникационных и навигационных систем

Перед всеми российскими производителями приборов кварцевой стабилизации частоты неизбежно встает вопрос - как позиционировать себя на рынке, какова "миссия" фирмы? Верное решение этого вопроса имеет и заметное общественное значение - ведь переход от "рентной" экономики, основанной на добыче и продаже природных ресурсов, к экономике высоких технологий более чем актуален для России. В условиях нарастающей глобализации и открытого рынка вопрос о позиционировании фирмы решается, как правило, в тяжелых условиях серьезной конкуренции. Однако она же и должна помогать двигаться в верном напрявлении. Исходными здесь являются следующие вопросы: каковы наиболее общие международные тенденции развития данной области техники? Каковы наши главные ресурсы и преимущества? Применительно к кварцевым генераторам — предмету данной статьи, — себя позиционирует Санкт-Петербургское ОАО "МОРИОН".

Основные международные тенденции

1. Существенное повышение требований к эксплуатационной стабильности частоты — вплоть до 1 · 10^-10 (и 1 · 10^-12 кратковременно!), причем с ограничениями по "скачкам" частоты до ~10^-11. "Мотором" здесь являются требования, предъявляемые аппаратурой ряда глобальных систем как в сотовой связи (CDMA), так и в навигации (ГЛОНАСС/ GPS), а также многочисленные актуальные задачи временной синхронизации пространственно разнесенных объектов.
2. В отличие от прошлых лет, именно с появлением указанных (и других!) глобальных систем сегодня требуются не единичные приборы, а крупные серии идентичных прецизионных генераторов, насчитывающие до нескольких десятков тысяч экземпляров, с выпуском тысячами штук в месяц (!). Иными словами, стало необходимо крупномасштабное промышленное производство прецизионных генераторов с ещё вчера/ уникально высокими техническими параметрами.
3. Очень интенсивное обновление моделей выпускаемой аппаратуры, ничего общего не имеющее с привычным прежним темпом. Это требует быстрой реакции на новые заказные спецификации по прецизионным кварцевым генераторам (КГ) (за 3...4 месяца от заказа до серийного выпуска). При этом прежние модели — из-за ЗИПов и широкого "расползания" — приходится ещё несколько лет поддерживать в производстве.
4. Практически все серьезные тенденции, где бы и в чем бы они ни проявились, быстро становятся международными. Это одно из следствий глобализации рынка и серьезный довод против поисков неких "особых путей" развития.

Главные ресурсы и преимущества

Это, безусловно, — хорошо образованные, высококвалифицированные, талантливые специалисты и рабочие. Однако при простой, монотонной и нетворческой работе этот ресурс не слишком эффективно реализуется, а часто не реализуется вовсе. Сочетание данного ресурса с указанными выше тенденциями прямо ведет нас к позиционированию на особо сложной, наукоемкой или, если хотите, знаниеёмкой продукции.

Поэтому ОАО "Морион", разрабатывающее и выпускающее значительную часть изделий кварцевой пьезотехники высокого уровня исполнения — прецизионных резонаторов, кварцевых фильтров высокого порядка, высокостабильных малошумящихтермокомпенсированных и прецизионных КГ в России, — позиционирует себя как предприятие, ориентированное на выпуск прецизионных КГ высокого и высшего уровня, с жесткой совокупностью требований (включая стойкость к внешним воздействующим факторам), причем способное вести их крупносерийное производство. Безусловно, заметной частью этой "позиции" являются приборы для мобильной и бортовой аппаратуры, в том числе приборы военного и космического назначения в соответствующих исполнениях.

В ОАО "Морион" разработаны 8 базовых моделей прецизионных кварцевых генераторов (КГ), которые удовлетворяют самым жёстким требованиям современной радиоэлектронной аппаратуры всех классов. Гибкая система управления, устранившая барьеры между производственными подразделениями и научными лабораториями, позволяет оперативно, на основе базовых моделей, осуществлять доработку, обеспечивать производство и поставку прецизионных генераторов в полном соответствии с индивидуальными требованиями заказчика. Созданные базовые модели уже позволили реализовать несколько десятков конкретных вариантов исполнения выпускаемых приборов.

Первая модель

Основным её элементом служит кварцевый резонатор с внутренним термостатированием, или резонатор-термостат (РТ), с позисторным нагревателем, смонтированным на металлическом основании кварцедержателя. Схемы терморегулятора и генератора с РТ существенно модернизированы по сравнению с генераторами, выпускаемыми в конце восьмидесятых — начале девяностых годов. Основными преимуществами данной модели являются:

• высокая стабильность частоты;
• низкий уровень фазовых шумов;
• малое энергопотребление в установившемся режиме;
• высокая надежность в жестких условиях эксплуатации.

Для генератора с РТ очень важна равномерность температурного поля в термостатированном узле ' кварцедержателя и самом пьезоэлементе. Решение этой проблемы позволило повысить температурную стабильность частоты до ±5·10^-9...±1·10^-8. Для концепции РТ вопрос возможности обеспечения высокой долговременной стабильности частоты при длительной эксплуатации долгое время был дискуссионным. Новые технические решения, наряду с повышением общей культуры производства, переоборудованием производственных помещений и существенным улучшением условий производства в плане реализации требований электронной гигиены, позволили улучшить долговременную стабильность до ±(3...5)·10^-8 за первый год и ±2·10^-7 — за 10 лет эксплуатации. Сейчас такие приборы производятся серийно.

Общий вид конструкции показан на рис. 1.

Рисунок 1. Модели 1 и 2 (ГК54-ТС, ГК75-ТС и ГК68-ТС, ГК80-ТС)

Первая модель выпускается как на АТ-, так и на SC-срезе кварца. При этом имеются варианты и с позисторным, и с микротермисторным термодатчиками.

Модернизированный вариант первой модели на резонаторе SC-среза отличается великолепными характеристиками кратковременной нестабильности частоты (лучше 1·10"12 за 1 с, рис. 2), улучшенной стабильностью частоты в интервале температур и сокращённым временем установления частоты после включения. Указанная версия также имеет отличные результаты по плотности мощности фазовых шумов (рис. 3).

Рисунок 2. Типовая кратковременная нестабильность частоты первой базовой модели с резонатором SC-среза

Рисунок 3. Типовая спектральная плотность мощности фазовых шумов первой базовой модели с резонатором SC-среза, начиная с отстройки 1 Гц от несущей

Вторая модель

Она также содержит кварцевый резонатор с внутренним термостатированием, но с комбинированным нагревателем. Данная модель специально разработана с целью обеспечить предельно короткое время установления частоты (время готовности) в сочетании с очень малым энергопотреблением, в том числе, в момент включения, при стабильности частоты порядка 10^-8. Для того, чтобы сделать этот вид резонаторов с внутренним термостатированием "серийно пригодным", конструкция и технология были серьезно усовершенствованы. Сейчас выпускаются две версии: с напряжениями питания 5 и 12 В. Наличие версии на 5 В заметно расширяет возможности применения этой модели в наиболее современном оборудовании. Общая конструкция модели, за исключением самого РТ, подобна модели 1.

Закончена разработка малогабаритной ("маловысотной") модификации второй модели с высотой корпуса 17 мм. Для этой модели был разработан малогабаритный резонатор-термостат (014) с комбинированным нагревателем, состоящим из транзисторного нагревателя, обеспечивающего стационарный температурный режим резонатора в процессе работы, и пленочного нагревателя, расположенного непосредственно на поверхности пьезо-элемента и обеспечивающего его быстрый разогрев с выходом генератора в установившийся режим за 30...45 с. Именно применение такого малогабаритного резонатора-термостата позволило уменьшить высоту корпуса генератора до 17 мм. Вторая модель выпускается только на SC-срезе.

Третья модель

Это весьма малогабаритный термостатированный кварцевый генератор, основным элементом которого служит резонатор SC-среза в корпусе НС-43 с внешней термостатирующей системой. Технические решения, найденные при разработке и примененные в конструкции этого генератора, позволили достичь высокой стабильности частоты (~ ±5·10^-9) в сочетании с умеренным энергопотреблением (около 1 Вт).

Четвертая модель

Это принципиально новое решение ультрапрецизионного, сравнительно "маловысотного" кварцевого генератора на основе одноступенчатого термостата, где применяется резонатор SC-среза в корпусе НС-37. Конструкция оптимизирована по тепловым потокам с применением температурной компенсации для достижения температурной стабильности частоты ±5·10^-10 в кварцевом генераторе компактных размеров. Для окончательной настройки терморегулятора использованы термочувствительные колебания моды В резонатора. Модификация этого генератора с высотой корпуса 19 мм сделала эту модель ещё более привлекательной. В последние два года благодаря усовершенствованию конструкции удалось вдвое повысить температурную стабильность частоты этой модели КГ. Общая конструкция модели показана на рис. 4.

Рисунок 4. Модель 4 (ГК62-ТС)

Пятая модель

Это очень перспективный прецизионный миниатюрный генератор, имеющий два варианта исполнения — с объемом 8 см³ (1x1x0,5 дюйма), а теперь уже и 4 см³ (20x20x10 мм). Благодаря малым размерам и высокой стабильности частоты (~108), эта модель применима в самых различных областях.

Шестая модель

Эта модель высокочастотного прецизионного генератора охватывает диапазон частот от 50 до 700 МГц. Резонатор SC-среза, в сочетании со специально разработанными схемными решениями, гарантирует значение фазовых шумов при отстройках более 10000 Гц ниже -165 дБ/Гц, и это качество делает генератор идеальным для использования в различных типах синтезаторов частоты, включая синтезаторы с ФАПЧ, а также непосредственно в качестве управляемого напряжением термостатированного генератора (OVCXO по принятой международной классификации).

Седьмая модель

Эта модель представляет собой первый ультрастабильный генератор с двойным термостатированием. Данный кварцевый генератор, выполненный на резонаторе SC-среза в корпусе НС-40, обеспечивает температурную и суточную стабильность частоты ±1·10^-10 и даже ±5·10^-11 при отличной долговременной стабильности ±(1...2)·10^-8/год и ±5·10^-8 за 10 лет. Другое важнейшее достоинство этой модели — реализация кратковременной стабильности порядка 10^-12 за 1 с. Отметим, что хранение времени и синхронизация во многих видах современной крупносерийной аппаратуры требуют стабильности ~10^-10, что ещё несколько лет назад казалось невероятным. Примером являются базовые станции стандарта CDMA. Общая конструкция КГ седьмой модели показана на рис. 5. Типичные характеристики серийных генераторов ГК89-ТС приведены на рис. 6-9.

Рисунок 5. Модель 7 (ГК89-ТС)

Рисунок 6. Температурно-частотная характеристика генератора ГК89-ТС-10М

Рисунок 7. Характеристика долговременной стабильности генератора ГК89-ТС

В протоколе испытаний также приведен прогноз долговременной стабильности частоты за сутки (0,15·10^-10) и год (1,2·10^-9) после 30 суток наработки. Генераторы такого уровня часто заменяют квантовые (рубидиевые) стандарты частоты, позволяя сэкономить значительные средства (поэтому за рубежом их назвали "Poor Man Rubidium" — рубидиевые стандарты для бедных (рачительных!) людей).

Рисунок 8. Типовая кратковременная нестабильность частоты ГК89-ТС во временных интервалах от 10 мс до 100 с

При этом их кратковременная стабильность и спектральные характеристики существенно лучше, а габариты существенно меньше, чем у рубидиевых стандартов, что дает им дополнительные преимущества для многих применений.

Рисунок 9. Типовая спектральная плотность мощности фазовых шумов генератора ГК89-ТС, начиная с отстройки 1 Гц от несущей

В настоящее время завершено создание "маловысотного" (всего лишь 25 мм!) варианта ультрапрецизионного генератора с двойным термостатированием (ГК142-ТС).

Восьмая модель

В конструкции этого КГ обобщен опыт, накопленный в области прецизионных термостатированных генераторов. Обеспечивая стабильность частоты ~10^-9, генератор выполнен в очень компактном корпусе высотой всего 0,5 дюйма, что делает его незаменимым в оборудовании с жесткими ограничениями компонентов по высоте. Общая конструкция показана на рис. 10. Генератор выполнен на резонаторе в корпусе НС-43. Несмотря на малые размеры, этот генератор обеспечивает очень хорошую температурную стабильность частоты (в пределах ±1·10^-9) в сочетании с малым старением: ±(3...5)·10^-10/сут. и +(3...5)·10^-8/год. Отметим, что для такого уровня стабильности представленный генератор — один из наиболее миниатюрных ("маловысотных") в мире.

Рисунок 10. Модель 8 (ГК90-ТС)

Типовые характеристики КГ приведены на рис. 11-13.

Рисунок 11. Типовая температурно-частотная характеристика генератора ГК90-ТС

Рисунок 12. Типовая характеристика долговременной стабильности генератора ГК90-ТС ("старение" генератора за 17 суток)

Рисунок 13. Типовая спектральная плотность мощности фазовых шумов генератора ГК90-ТС, начиная с отстройки 1 Гц от несущей

Перспективные модели кварцевых генераторов

Возрастающие требования к телекоммуникационной и навигационной аппаратуре предъявляют новые требования к параметрам опорных кварцевых генераторов. Для опережающего удовлетворения пожеланий разработчиков за короткий период времени были разработаны несколько новых моделей генераторов, среди которых:

• термостатированный генератор для поверхностного монтажа, специально разработанный для новых поколений аппаратуры, производимой на полностью автоматизированных сборочных линиях без применения компонентов с монтажом в отверстия. Данный генератор (рис. 14), наряду с новыми технологическими возможностями, имеет высокую температурную стабильность (до ±5·10^-9) и вариант исполнения с напряжением питания 3,3 В;
• направление высокочастотных мало-шумящих генераторов получило новое развитие в разработках генератора на частоту 100 МГц с широким интервалом рабочих температур в миниатюрном корпусе с размерами 36x27x16 мм, с пониженной чувствительностью к вибрации (ГК136-ТС), а также в прецизионном высокочастотном кварцевом генераторе с высокой температурной и долговременной стабильностью (до ±5-108 за год) и низким уровнем фазовых шумов (-165 дБ при отстройке 10 кГц при стандартной частоте 100 МГц).

Рисунок 14. Термостатированный генератор для поверхностного монтажа — ГК115-ТС

В настоящее время уже принимаются заказы на поставку образцов перспективных моделей с началом серийных поставок в IV квартале 2003 года.

Все перечисленные базовые и перспективные модели генераторов широко применяются в разнообразном телекоммуникационном и навигационном оборудовании.

Примеры использования:

• хранение времени, синхронизация и навигационное оборудование, работающее с ГЛОНАСС-GPS (модели 1,2,4,7,8);
• базовые станции сотовой связи стандартов GSM-900 и GSM-1800 (модель 3 и 5 с частотами 13 и 26 МГц);
• базовые станции стандарта CDMA (модели 4, 7);
• аппаратура мобильной и переносной связи (модели 1, 2, 3, 5);
• земные станции спутниковой радиосвязи VSAT-технологии (модели 1, 6);
• телефонные станции и другое оборудование для дальней связи (модели 1,4,7,8).

В настоящее время МОРИОН построил весьма крупномасштабное производство, уверенно входящее в первую десятку мировых производителей прецизионных кварцевых генераторов, а по приборам самого верхнего уровня — в первую мировую "пятёрку".

ОАО "МОРИОН", наряду с описанными выше прецизионными генераторами, имеет большой опыт в разработке и серийной поставке широкого спектра кварцевых приборов верхнего уровня, среди которых высокостабильные мало-шумящие термокомпенсированные генераторы, монолитные и дискретные кварцевые фильтры высокого порядка с уникальными характеристиками по ширине полосы пропускания, неравномерности в полосе пропускания, неравномерности группового времени задержки и так далее.

Очевидно, что упомянутые достижения были бы невозможны без наличия высококачественных кварцевых резонаторов, поэтому совершенствованию технологии их производства постоянно уделяется пристальное внимание.