一种新型晶体振荡器相位噪声测试夹具的设计与应用

陈尔鹏，伍 权，杜建平

(1.贵州航天计量测试技术研究所，贵州 贵阳 550009;2.贵州师范大学 机械与电气工程学院，贵州 贵阳 550001)



一种新型晶体振荡器相位噪声测试夹具的设计与应用

陈尔鹏1，伍 权2，杜建平1

(1.贵州航天计量测试技术研究所，贵州 贵阳 550009;2.贵州师范大学 机械与电气工程学院，贵州 贵阳 550001)

针对晶体振荡器相位噪声测试过程中存在干扰的问题，分析了影响相位噪声测试精度的因素，设计、制作了新型夹具。该夹具采用屏蔽壳体消除空间信号干扰，采用带弹簧自动锁紧针脚保证良好接触，并通过设置滤波电容减少供电电源干扰。基于新型夹具与PN9000测试系统，开展了相位噪声测试。测试结果表明，夹具较好的消除了干扰因素，测试数据一致性好、稳定性高。

晶体振荡器；相位噪声；夹具；稳定性

0 引言

相位噪声是指系统在各种噪声作用下引起的系统输出信号相位的随机变化，是衡量晶体振荡器频率源稳定性的重要技术指标[1]。传统的相位噪声测试中，一般采用直接从电源引线到晶体振荡器的电源输入端或者是制作简易的裸露的电路板等方法来进行测试[2-8]。然而，随着晶体振荡器性能的不断改善，相位噪声指标越来越高，对相位噪声测量的可靠性要求亦越来越高。以往的测试方法在如何减少测量系统本身的噪声对测量结果的影响、提高系统测量灵敏度等方面存在突出的问题。夹具在相位噪声测试中扮有重要角色，是连接被测元件与测试仪器的中间媒介，其性能将极大的影响测试的精度与效率。本文在现有测试晶体振荡器仪器的基础上，通过研制专用测试夹具，开展低噪声晶体振荡器的测试技术研究，以解决测试过程中环境对测试可靠性的影响。

1 相位噪声测试

相位噪声是指信号源中，输出频率的短期稳定性指标。由于相位噪声的存在，引起载波频谱的扩展。在实际应用，所有源的输出都存在着幅度、频率或相位的起伏，这些相位起伏的特征描述通常叫做相位噪声。相位噪声测试是现代电子系统不可避免的测试要求。由于信号源热噪声、内部损耗噪声、本振相位噪声、供电电源纹波以及空间信号引入的杂散等因素的影响，晶体振荡器的测试存在稳定性与准确度等问题。

常用的测试方法主要有：直接频谱仪法、鉴相法、鉴频法等。直接频谱仪法是将其输出的未调制高频或者微波载频信号直接加到频率范围及性能适合的高频或者微波频谱仪上,显示出该信号的频谱,直接观测出该被测信号的噪声的方法[2]。鉴频法是将被测信号源的频率起伏Δf由某种微波鉴频器变为电压起伏ΔV，用基带频谱仪进行测量，直接得出被测源信号频率起伏功率谱SΔf(f),进而也可求出被测信号的相位噪声功率谱Sj(f)或者频域相对单边带功率谱Lp(f)[3]。鉴相法也称相位检波器法，是将被测信号与一同频高稳定的参考源进行正交鉴相[7]。一般采用外差方式将被测源信号降至中频，在中频用晶体滤波器和含压控振荡器VCO的锁相环PLL提纯，以获取被测信号的连续载波信号，该信号经相移后与被测信号鉴相器中正交鉴相，提取被测信号的相位噪声。

PN9000噪声测试系统是基于鉴频法和鉴相法的系统，其针对不同的UUT具有各类可选择测试方法，如PLL Synth(合成源锁相法)用于测试稳定信号源，参考源为合成信号源；PLL Xtal(晶振锁相法)用于测试晶振；VCO(压控振荡器法)用于测试自由振荡信号源；Noise voltage用于测电压源的噪声电压等。该系统其具有很宽的测量范围和较低的本底噪声及良好的测试精度。因此，本文将采用PN9000系统进行晶体振荡器的相位噪声测试。

2 新型测试夹具设计与制作

针对相位噪声在-155dBc/Hz以上的晶体振荡器在测试过程中存在的外界干扰及供电电源干扰问题，设计制作了满足测试环境及线路要求的夹具，以减小不稳定的因素带来的测试误差。

2.1 管脚的选择

传统的测试夹具大多采用筒状的滤波插针进行连接，拆装困难，容易对测试夹具造成损坏，而且晶体振荡器的管脚大小规格不一，不能够保证良好的接触。新型夹具采用带弹簧自动锁紧类型针脚插管进行安装，不仅插拔方便快捷、保护了被测高稳晶体振荡器的针脚安全，而且被测高稳晶体振荡器的针脚与电路板的电气连接充分，确保测试结果更加接近测试参数真值。

2.2 腔体的设计

夹具腔体采用可拆装式结构，其基本结构如图1所示，基本尺寸为109mm×109mm×45mm。腔体上下两端采用螺钉与盖板连接形成封闭的屏蔽盒，以消除空间信号的干扰，两端盖板的设计可以根据不同被测件进行电路板的更换，增加夹具的通用性。

2.3 测试电路的设计

图2显示了所设计夹具的测试电路图。为避免供电电源不稳对测试带来的影响，夹具采用滤波电容对供电电源进行滤波，并且在电路布线中并联滤波电容，当输入电压升高时，给电容器充电，可以把部分能量存储在电容器中，而当输入电压降低时，电容器两端电压以指数规律放电，就可以把储存的能量释放出来，这样负载上得到的输出电压就比较平滑。夹具前端采用大电容减小输出脉动和低频干扰，靠近管脚处用小电容以消除负载电流瞬时变化引起的高频干扰。同时，设计时，将电源输入和信号输出端分离处理，避免了信号输入输出相互混扰。

图3显示了夹具的实物图。

3 基于新型夹具的相位噪声测试

3.1 测试系统及UUT

为验证新型夹具的设计效果，搭建了针对高稳晶体振荡器相位噪声测试系统，如图4所示。该系统主要包括相位噪声测试仪(PN9000)、恒流源(GPC-4303C)、测试夹具、连接端子等。

(a) 俯视图 (b)左视图图1 腔体结构图Fig.1 Cavity structure

图2 测试电路板线路图 图3 测试夹具实物图Fig.2 Circuit diagram of test board Fig.3 Picture of the test fixture

图4 测试连接示意图Fig.4 Schematic diagram of test connection

选取3种晶体振荡器作为被测试元件晶体振荡器(UUT)，分别为： WINTRON公司的WOC-LBE27L2S-100MHz型的恒温控制式晶体振荡器、GREENRAY公司的YH1321-G158-100.0MHz型的恒温控制式晶体振荡器以及Wenzel Associates公司的500-12748C型振荡器。相应相位噪声指标如下(频偏在1kHz和10kHz处):

WOC-LBE27L2S-100MHz： -150dBc/Hz@1kHz；-160dBc/Hz@10kHz；

YH1321-G158-100.0MHz： -145dBc/Hz@1kHz；-160dBc/Hz@10kHz；

500-12748C： -165dBc/Hz@1kHz；-165dBc/Hz@10kHz。

测试过程参照石英晶体频率标准检定规程(JJG 181-2005)进行[9，10]。按照图4所示方法连接系统，将被测UUT置入夹具相应管脚对应处安装，在测试夹具电源供电端口施加直流电源电压供电，压电控制使能端EFC(或者反馈补偿端VTR)施加微小电压调节使输出稳定，预热5min，通过噪声测试分析仪在测试夹具信号输出端采集输出信号进行分析。分别将不同型号晶体振荡器进行测试，且各型号进行多次重复测试，考核测试有效性和稳定性。

同时，将某一型号同一晶体振荡器在无夹具情况下利用裸露电路板或直接焊接测试线方式进行测试，比对夹具使用前后的测试情况。

3.2 测试结果与分析

上述3种不同型号晶体振荡器在不同频率偏置条件下相位噪声测试的结果如表1所示，每种型号进行5次重复测试。在测量曲线中可以看到10Hz、100Hz、1KHz、10kHz等偏置的相位噪声离散情况，多次测试数据基本保持较小波动，具有较好的稳定性。可以看出，所设计的夹具较好的解决了低噪声晶体振荡器在测试过程中存在的不稳定因素，测试数据一致性好，稳定性较高。

表1 UUT相位噪声测试数据Tab.1 UUT noise test data

选取一只WOC-LBE27L2S-100MHz型号振荡器，分别在有无测试夹具的情况下进行测试，测试结果如图5所示。在无测试夹具情况下，10Hz、100Hz、1kHz、10kHz频偏的相位噪声分别为-94.9dbc、-89.1dbc、-117.3dbc、-155.4dbc。采用新型测试夹具时，上述测试数据为：-98.8dbc/Hz@10Hz、-129.5dbc/Hz@100Hz、-156.5dbc/Hz@1kHz、-163.8dbc/Hz@10kHz。可以看出，其测试结果相对于未使用测试夹具情况均有较大改善。因此，通过夹具来开展相位噪声测试对测试数据的准确性得到了提高，进一步验证了夹具测试的有效性。

(a)未使用测试夹具情况 (b)使用测试夹具情况图5 相位噪声测试结果对比Fig.5 Comparison of noise test results

研究发现，导致相位噪声测试结果不稳定的主要因素包括：1)测试系统的噪声限制；2)外界干扰，如：测量过程中仪器、测量电缆振动，外界噪声等；3)供电电源的干扰。由于测试系统PN9000灵敏度一定，若要提高测试精度需减小或消除其他干扰带来的影响。新型夹具采用屏蔽腔体隔离外界信号，采用的弹簧式自动锁紧插针避免接触问题带来的干扰，从而有效地消除了外界干扰对测试结果的影响。同时，该夹具应用了穿心电容对电源进行滤波，增加滤波电容使负载上得到的输出电压比较平滑，消除了电源的带来干扰，使得测量结果更加真实可靠。同时测试夹具采用一体化设计，具有使用方便快捷的功效，能满足现今高产能的工作要求。

4 总结

随着电子元器件、仪器设备测试技术的发展，对测试参数结果的准确性要求越来越高。论文针对晶体振荡器相位噪声测试过程中存在干扰的问题，设计、制作了新型夹具，基于新型夹具与PN9000测试系统，开展相位噪声测试。结果表明，该夹具能有效地消除了外界及电源带的干扰因素，测试结果具有一致性好、稳定性高的特点，较好的满足了相位噪声测试的要求。

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Design and application of a novel crystal oscillator phase noise test fixture

CHEN Erpeng1,WU Quan2,DU Jianping1

(1.Guizhou Aerospace Institute of Measuring and Testing Technology, Guiyang,Guizhou 550009, China；2.School of Mechanical and Electrical Engineering, GZNU, Guiyang,Guizhou 550001, China)

To solve the problems in crystal oscillator phase noise test, a novel fixture was designed and manufactured in this paper after analyzed the testing influence factors. This fixture adopts shield case to eliminate the space interference, using spring automatic locking stitch to ensure good contact, and setting filter capacitor in the test circuit to reduce power supply interference. The phase noise tests were then conducted based on the fixture and PN9000 system. The results show good consistency and high stability.

crystal oscillator, phase noise, fixture, stability

1004—5570(2016)05-0098-05

2016-06-20

贵州省工业攻关项目(黔科合GZ字〔2015〕3005-01);贵州省“125计划”重大科技专项(黔教合重大专项字[2014]029)

陈尔鹏(1989-)，男，工程师，研究方向：微波测量技术，E-mail：chenerpeng1221@163.com.

TH7

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