近來國外時(shí)頻測控技術(shù)的發(fā)展

周渭

西安電子科技大學(xué)2006.08近年來時(shí)頻測控技術(shù)的發(fā)展當(dāng)前第1頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)摘要

由于時(shí)間與頻率量在所有的物理量中是準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度最高的，所以它們的發(fā)展不但在計(jì)量技術(shù)中，而且在幾乎整個高科技領(lǐng)域都起著舉足輕重的作用。這方面的發(fā)展一直受到各發(fā)達(dá)國家的高度重視。本文根據(jù)我們近年來和國外同行的直接交流和參加國際會議，從各方面介紹了國際上的時(shí)頻測控技術(shù)的發(fā)展、影響和作用等。當(dāng)前第2頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)主要內(nèi)容1.概述時(shí)頻計(jì)量2.時(shí)頻基標(biāo)準(zhǔn)器的發(fā)展3.頻率源的廣泛應(yīng)用4.時(shí)間頻率的測量和比對技術(shù)5.基于頻率信號的信號傳感技術(shù)6.頻率信號的合成及變換技術(shù)7.新的材料、器件及其發(fā)展8.結(jié)論當(dāng)前第3頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)1、概述傳統(tǒng)的時(shí)頻計(jì)量主要是以其標(biāo)準(zhǔn)的建立、測量比對和量值傳遞為主的。但是由于時(shí)間頻率量的重要地位和作用，它也表現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)的廣泛領(lǐng)域中的作用和聯(lián)系，本身涵蓋的內(nèi)容越來越廣泛，不僅精度越來越高而且應(yīng)用的市場也越來越大，同時(shí)與不同的學(xué)科和領(lǐng)域的聯(lián)系也越來越密切。時(shí)頻測控領(lǐng)域包括了時(shí)間頻率的基標(biāo)準(zhǔn)器、各種頻率源、時(shí)頻信號的測量比對與傳輸、時(shí)間頻率信號的處理技術(shù)、與頻率量相關(guān)的傳感器及材料、頻率的合成與變換、與GPS相關(guān)的系列技術(shù)、以及其它基于時(shí)間頻率量的應(yīng)用技術(shù)等。與時(shí)頻測控技術(shù)緊密聯(lián)系的領(lǐng)域有通訊、導(dǎo)航、空間科學(xué)、儀器儀表、材料科學(xué)、計(jì)量技術(shù)、電子技術(shù)、天文、物理學(xué)、甚至生物化學(xué)等。

當(dāng)前第4頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)因?yàn)轭l率和時(shí)間測控技術(shù)研究的廣泛性和重要作用，國際交流也是很頻繁的。目前這方面很重要的國際會議有，美國的IEEE國際頻率控制年會（IEEEFCS）、歐洲的頻率與時(shí)間研討會（EFTF）和精密時(shí)間和時(shí)間間隔應(yīng)用與規(guī)劃會議（PTTI）等。有的會議上不但廣泛地進(jìn)行了時(shí)頻測控領(lǐng)域各個方面的學(xué)術(shù)交流，在會議上還開辦了關(guān)于本領(lǐng)域最新技術(shù)發(fā)展的講座，而且與會議同步進(jìn)行的展覽會也向會議的參加者展示了近年來所發(fā)展起來的各種儀器設(shè)備、頻率控制器件與產(chǎn)品、新的材料和加工設(shè)備等。當(dāng)前第5頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)IEEE國際頻率控制年會被認(rèn)為是國際上頻率和時(shí)間測控技術(shù)領(lǐng)域水平最高、規(guī)模最大的國際會議。參加會議的代表常常有數(shù)百人，會議錄用論文也有200篇左右。頻率控制與超聲和鐵電體共同組成了IEEE的一個UFFC學(xué)會，即IEEE超聲、鐵電體與頻率控制學(xué)會。這個會議就是由IEEE的UFFC學(xué)會發(fā)起的。開會時(shí)間一般在每年的5月底、6月初。分別在美國的不同城市召開。近年來IEEE國際頻率控制年會也常常采取和同類型的專業(yè)會議聯(lián)合召開的方法。如分別和歐洲的頻率與時(shí)間研討會以及精密時(shí)間和時(shí)間間隔應(yīng)用與規(guī)劃會議合辦。會議論文采用了報(bào)告宣讀（Oral）的方式和墻展展出的方式（Post）。會議的分組和分專業(yè)征文往往是根據(jù)頻率和時(shí)間測控技術(shù)領(lǐng)域最新的技術(shù)發(fā)展趨勢來決定的。這里既包括了最傳統(tǒng)的晶體以及振蕩器、壓電材料、測量比對技術(shù)、頻率變換與合成、原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)發(fā)展，也包括了頻率和時(shí)間應(yīng)用領(lǐng)域的新近發(fā)展，如聲表面波振蕩器和濾波器、微波振蕩器、光頻標(biāo)、GPS和GLONASS系統(tǒng)、晶體傳感器、光振蕩器、空間鐘、信號處理技術(shù)等。由于會議的影響，能夠吸引該領(lǐng)域許多在重要研究工作背景下高質(zhì)量的論文。當(dāng)前第6頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)會議講座在會議上進(jìn)行專題講座活動是IEEEUFFC專業(yè)學(xué)術(shù)會議的一貫做法。通過講座的內(nèi)容，也便于我們掌握國外認(rèn)可的本學(xué)科發(fā)展方向和動態(tài)。會議的講座常常包含了以下幾方面的內(nèi)容，如相位噪聲測量技術(shù)、時(shí)間和頻率傳輸、石英晶體標(biāo)準(zhǔn)、被動型原子頻率標(biāo)準(zhǔn)、作為物理和生物傳感器的諧振式壓電裝置、對于頻率和時(shí)間參考的微機(jī)電系統(tǒng)、聲表面波傳感器、光頻測量與合成等。當(dāng)前第7頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)學(xué)生論文競賽近年來，在IEEE的頻率控制年會上也開始舉辦由IEEEUFFC學(xué)會組織的學(xué)生論文競賽。這是按照會議的內(nèi)容進(jìn)行分組的，包括第一組材料；第二組諧振器與振蕩器；第三組授時(shí)、原子鐘與光頻標(biāo)；第四組傳感器與變換器；第五組生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)。從這樣的競賽中我們發(fā)現(xiàn)，近幾年來美國越來越多的著名大學(xué)把自己的研究方向調(diào)整到和時(shí)頻測控相關(guān)的方面來。這樣的學(xué)校有麻省理工學(xué)院、普林斯頓大學(xué)、科羅拉多大學(xué)、JPL實(shí)驗(yàn)室等。這也說明了國際學(xué)術(shù)界越來越關(guān)注時(shí)頻測控領(lǐng)域的研究和發(fā)展以及這方面成果的應(yīng)用。

當(dāng)前第8頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)以原子頻標(biāo)為例，由于大量院校的參加研究所以許多全新的技術(shù)，如超小型的CPT鐘、全光頻標(biāo)等的技術(shù)進(jìn)展很快，而且這方面的論文作為科研成果的體現(xiàn)大量參加到學(xué)生競賽中。這就使得學(xué)生競賽的水平很高。我國的院校經(jīng)過幾年的努力后，今年西安電子科技大學(xué)周暉的論文“一種基于長度游標(biāo)法的時(shí)間和頻率測量技術(shù)”競爭進(jìn)入了IEEEUFFC的原子鐘與光頻標(biāo)的學(xué)生論文競賽的決賽。而同時(shí)進(jìn)入這項(xiàng)決賽的還有美國的麻省理工學(xué)院、普林斯頓大學(xué)和科羅拉多大學(xué)。這說明了我國在這一領(lǐng)域還有某些研究內(nèi)容在國際上處理相對領(lǐng)先的位置。

當(dāng)前第9頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)當(dāng)前第10頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)當(dāng)前第11頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)會議上的展覽會多年來IEEE的頻率控制年會上一直同步進(jìn)行著展覽會。許多國家的頻標(biāo)、檢測儀器、晶體和傳感器的生產(chǎn)設(shè)備制造廠、材料生產(chǎn)企業(yè)等都把他們的產(chǎn)品等帶到展覽會上展出。這也給參加會議的代表提供了了解本領(lǐng)域技術(shù)的實(shí)際進(jìn)展以及相應(yīng)的設(shè)備的信息。在原子頻標(biāo)方面，可以明顯地看出國外在精度、可靠性、體積、對于環(huán)境的適應(yīng)性等方面對于我國技術(shù)的領(lǐng)先性。同時(shí)也反映了國外本領(lǐng)域技術(shù)的全面發(fā)展?fàn)顩r。我們也全面了解了國外原子頻標(biāo)以及其他研究的通性，這便于我們在進(jìn)行多方面的開發(fā)是能夠有所借鑒。

當(dāng)前第12頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)我們在本領(lǐng)域的工作1、院校的工作、學(xué)科專業(yè)的劃分（國外專業(yè)寬-EE、物理等），從事這方面工作的院校多；2、與國外院校交流的反映；3、純本方面的計(jì)量相關(guān)的工作（比相器、一級頻標(biāo)比對器）；4、與通訊工作的交叉（高分辨率頻率計(jì)、晶體振蕩器）；5、進(jìn)一步的努力方向國內(nèi)動態(tài)及存在問題當(dāng)前第13頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)當(dāng)前第14頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)當(dāng)前第15頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)當(dāng)前第16頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)當(dāng)前第17頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)當(dāng)前第18頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)當(dāng)前第19頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)當(dāng)前第20頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)當(dāng)前第21頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)Group1:Materials,Resonators,&ResonatorCircuitsRandyKubena,HughesResearchLaboratory,USA

DanaWeinstein,MIT,USA

AaronPartridge,SiTimeCorporation,USA

Sheng-ShianLi,NationalTsingHuaUniversity,TaiwanGroup2:Oscillators,Synthesizers,Noise,&

CircuitTechniques

WeiZhou,XidianUniversity,China

VincentCros,CNRS,France

XianheHuang,ChengduUniversity,China

MaximGoryachev,UniversityofWesternAustralia,Australia

當(dāng)前第22頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)2、時(shí)頻基標(biāo)準(zhǔn)器的發(fā)展

從頻率的準(zhǔn)確度來看，各種原子頻標(biāo)是時(shí)頻基標(biāo)準(zhǔn)器的主體。而石英晶體頻標(biāo)由于其優(yōu)良的短期頻率穩(wěn)定度而常常成為頻率的短期穩(wěn)定度標(biāo)準(zhǔn)器。近年來光頻標(biāo)也成了一個新的研究熱點(diǎn)。圍繞著頻率基標(biāo)準(zhǔn)器精度的提高，作為其基礎(chǔ)的、對一系列物理現(xiàn)象的研究所獲得的成果在國際上引起了轟動。當(dāng)前第23頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)近10多年來，有四項(xiàng)與此相關(guān)的成果獲得了諾貝爾物理獎。1.1989年Dehmelt等人的離子阱和Remsey的分離場技術(shù)2.1993年Taylor的脈沖星穩(wěn)定周期3.1997年朱隸文等人的激光冷卻和捕陷原子4.2001年美國科學(xué)家的玻色–愛因斯坦凝聚5、2005年光頻標(biāo)當(dāng)前第24頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)目前原子頻率標(biāo)準(zhǔn)器還是以銫、氫、銣原子頻標(biāo)為主。這些基標(biāo)準(zhǔn)器不但被用于實(shí)驗(yàn)室，而且還被大量用于衛(wèi)星上及許多使用場合，發(fā)揮著更廣泛的作用。激光冷卻的銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)是近年來不少國家所致力發(fā)展的。目前報(bào)道的激光冷卻的銫噴泉原子鐘的準(zhǔn)確度可以達(dá)到；而進(jìn)一步的努力目標(biāo)是到，這可以由空間鐘的方式獲得。目前德國的PTB所完成的銫原子噴泉頻率標(biāo)準(zhǔn)CSF1的不確定度可以達(dá)到，典型的相對頻率不穩(wěn)定度為。通過三種頻率傳送技術(shù)，NIST和PTB之間進(jìn)行了遠(yuǎn)距離的比對。這些技術(shù)是，雙向衛(wèi)星時(shí)間頻率傳輸（TWSTFT）、GPS載波相位和GPS共視。保守的估計(jì)指出，TWSTFT和載波相位技術(shù)在頻率傳輸環(huán)節(jié)中給出的不確定度，而GPS共視環(huán)節(jié)中的不確定度量級為。

當(dāng)前第25頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)為了獲得高的穩(wěn)定度，國外一些研究機(jī)構(gòu)也致力于激光冷卻的銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的研究。在銣噴泉鐘中，其冷碰撞的頻率漂移至少比銫鐘小30倍。小的碰撞漂移就允許銣鐘工作在更高的密度下，因此有更小的投射噪音。光頻率標(biāo)準(zhǔn)是時(shí)頻標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的另一個方向。光頻標(biāo)是利用光頻譜線作為參考標(biāo)準(zhǔn)的。由NIST完成的2個全光鐘，一個是基于在一個單的陷阱在的282納米的-四極躍遷；而另一個使用了在激光冷卻的原子的集合的657納米的-躍遷。這些裝置利用了一個由cw模鎖定的激光和一個微結(jié)構(gòu)的光纖而產(chǎn)生的自參考頻率梳而相位相干地提供一個直接來自于光鐘躍遷的射頻輸出。當(dāng)前第26頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)這些裝置已經(jīng)被用來測量NIST認(rèn)可的SI秒的絕對躍遷頻率。頻率是：Hg=1,064,721,609,899,140Hz，而Ca=455,986,240,494,158Hz。這些測量的短期穩(wěn)定度是由本地時(shí)間刻度的穩(wěn)定度所控制的。相互測量時(shí)，可以獲得的短期穩(wěn)定度，這是受到預(yù)置的Ca標(biāo)準(zhǔn)和開路的130米光纖連接到標(biāo)準(zhǔn)的限制。單離子Hg標(biāo)準(zhǔn)的理論上的穩(wěn)定度是。目前，Ca標(biāo)準(zhǔn)中的相對不確定度是大約受剩余一次多普勒影響所限制的。在Hg標(biāo)準(zhǔn)中限制的系統(tǒng)誤差是一個未校正的四極漂移，這在球形的Paul陷阱中可望為。由于光頻信號比微波波段高大約5個數(shù)量級，而譜線寬度又可以壓縮到與微波波段的原子譜線相當(dāng)，因此光頻段的原子譜線有極高的Q值。從光頻標(biāo)中潛在能夠獲得的頻率準(zhǔn)確度可望達(dá)到量級。當(dāng)前第27頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)光頻標(biāo)的發(fā)展仍然是各個發(fā)達(dá)國家所關(guān)注的對象，美國JPL實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了他們完成的單片全光鐘，標(biāo)志著光頻標(biāo)有可能在不久將會進(jìn)入實(shí)用階段。我們也同時(shí)注意到了在光頻標(biāo)的發(fā)展中對于穩(wěn)頻光源、光頻測量技術(shù)還具有更廣泛的技術(shù)交叉性和借鑒性。關(guān)于光頻測量技術(shù)近年來有明顯的創(chuàng)新和進(jìn)步。傳統(tǒng)的借助于降頻變換的頻率鏈處理光頻測量的方法早已讓位于基于微波鎖模的光頻梳的方法（2005年度的IEEERabi獎就在當(dāng)年的頻率控制年會上授給了開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)的德國科學(xué)家，而隨后他又獲得了當(dāng)年的諾貝爾物理獎）。從應(yīng)用的推廣需求出發(fā)，利用頻率信號之間相互周期及其相位差變化的規(guī)律性進(jìn)行光頻測量應(yīng)該是本領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展的途徑之一。當(dāng)前第28頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)另外，應(yīng)用型的原子頻率標(biāo)準(zhǔn)也進(jìn)一步向著小型化發(fā)展。這對于軍事、工程應(yīng)用等提供了更便捷的手段。美國的微型原子頻率標(biāo)準(zhǔn)做到了物理部分僅僅有9.5立方毫米的大小，75毫瓦功耗，其秒級頻率穩(wěn)定度為3*10^-10?？梢韵胂?，這種小尺寸的原子頻率標(biāo)準(zhǔn)對于頻標(biāo)的大量推廣，尤其是在軍事中的應(yīng)用具有很重要的價(jià)值。這也預(yù)示著高科技的頻標(biāo)技術(shù)將會滲透到國民經(jīng)濟(jì)的更多行業(yè)中去。當(dāng)前第29頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)隨著科學(xué)技術(shù)、軍事需求、工業(yè)生產(chǎn)等方面的發(fā)展，對原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的需求越來越多。所以原子頻標(biāo)的發(fā)展不僅僅表現(xiàn)在高精度方面，而且還注重了小型化、低價(jià)格、更廣泛的普及率等。通過與參加會議的美國DATUM的技術(shù)、管理人員的交流，他們生產(chǎn)的商用型銣原子頻標(biāo)在保證高精度的情況下，價(jià)格已經(jīng)接近于1000美元。這只相當(dāng)于國產(chǎn)同類設(shè)備價(jià)格的一半左右，而且有更小的體積。這反映了在高技術(shù)的領(lǐng)域，國外更注重了多方面競爭力的發(fā)展。這也同時(shí)說明了在價(jià)格競爭中技術(shù)進(jìn)步的作用。當(dāng)前第30頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)

石英晶體頻標(biāo)在所有的頻率標(biāo)準(zhǔn)中是價(jià)格最低的，其最突出的特點(diǎn)是具有比許多原子頻標(biāo)更好的短期頻率穩(wěn)定度和相位噪聲指標(biāo)，但是由于老化現(xiàn)象的存在，其長期指標(biāo)比原子頻標(biāo)明顯差一些，需要定期校準(zhǔn)。BVA型的精密晶體更由于其最優(yōu)良的老化和穩(wěn)定度指標(biāo)而成為晶體頻標(biāo)的穩(wěn)頻器件。目前，采用這種精密晶體的OCXO最高的頻率穩(wěn)定度指標(biāo)可以達(dá)到/秒，而老化率指標(biāo)進(jìn)入了/日量級，個別振蕩器還能夠達(dá)到日的老化率指標(biāo)。有的國外公司還聲稱，在許多場合下，他們的超穩(wěn)定的精密晶體振蕩器能夠替代銣原子頻標(biāo)。當(dāng)前第31頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)3、頻率源的廣泛應(yīng)用

精密頻率源包括了各種原子頻標(biāo)、石英晶體振蕩器、聲表面波振蕩器、體波振蕩器、微波振蕩器等。由于通訊業(yè)的發(fā)展對頻率源的需求和精密導(dǎo)航定位對參考時(shí)間依賴，原子頻標(biāo)早已不是只在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)應(yīng)用。作為程控交換設(shè)備的一級鐘的銣原子頻標(biāo)的價(jià)格和體積都逐漸接近了高穩(wěn)定度晶體振蕩器。星載的銫和銣原子鐘在衛(wèi)星導(dǎo)航、定位系統(tǒng)中起著心臟的作用。此外，目前市場用量最大的是各種石英晶體振蕩器。據(jù)國外有關(guān)市場調(diào)查研究機(jī)構(gòu)的分析，石英晶體諧振器和振蕩器的市場需求量一般是每過4到5年翻一番的。如從1999年到2004年石英晶體諧振器和振蕩器的市場需求量將分別由產(chǎn)值13.2億和24.7億美元發(fā)展到27.7億和52.6億美元。由此可見頻率源所具有的巨大市場。只是近年來受到通訊業(yè)等方面市場狀況的跌落等因素的影響，國內(nèi)外晶體及其振蕩器行業(yè)出現(xiàn)了一個30%左右的與市場對應(yīng)的產(chǎn)值上的下降（最明顯地表現(xiàn)在2002年的中、下旬）。但是，作為各種高精度通訊及信息傳遞設(shè)備的核心器件，其潛在的發(fā)展前景還是穩(wěn)定增長的，只是其價(jià)格會進(jìn)一步下降。GPS的各種應(yīng)用技術(shù)和裝置的發(fā)展，各類加工業(yè)、機(jī)電產(chǎn)品生產(chǎn)技術(shù)、新型家電等對信息技術(shù)的聯(lián)系和依賴也將為晶體和振蕩器提供更加廣泛的市場。

當(dāng)前第32頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)石英晶體振蕩器的廣泛應(yīng)用主要是由于以通訊業(yè)為主的IT行業(yè)、儀器儀表、計(jì)算機(jī)、導(dǎo)航、軍工行業(yè)的市場需求。目前用量最大的有時(shí)鐘振蕩器、溫度補(bǔ)償晶體振蕩器TCXO、恒溫晶體振蕩器OCXO等。其中以恒溫晶體振蕩器的精度最高，溫度補(bǔ)償晶體振蕩器能在更寬的溫度范圍內(nèi)給出高的頻率–溫度穩(wěn)定度。但是近年來隨著室外基站對高精度振蕩器的大量需求，能夠在諸如-55到+85度工作并且具有優(yōu)良的頻率–溫度穩(wěn)定度的OCXO已經(jīng)大量在市場上應(yīng)用。國外雙層控溫的晶體振蕩器可以實(shí)現(xiàn)-20℃到+70℃范圍內(nèi)的頻率–溫度穩(wěn)定度。

當(dāng)前第33頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)

對于頻率源的技術(shù)指標(biāo)要求，不僅僅表現(xiàn)在精度方面，還表現(xiàn)在信號的頻率范圍、頻率源工作的溫度、加速度等環(huán)境條件、尺寸、功率消耗等。為了適應(yīng)市場，尤其是移動通訊和手機(jī)市場的要求，不少國家相繼推出了全集成化的溫度補(bǔ)償晶體振蕩器。它把除晶體之外的所有線路全部集成在一個集成線路之中。TCXO的生產(chǎn)包含了對含有存儲器部分的數(shù)據(jù)寫入，并且表現(xiàn)出了寬溫度范圍內(nèi)較高的補(bǔ)償精度。生產(chǎn)和生產(chǎn)準(zhǔn)備過程較之傳統(tǒng)的以電阻和熱敏電阻網(wǎng)絡(luò)為補(bǔ)償線路的模式大大簡化，已經(jīng)對傳統(tǒng)的TCXO進(jìn)行挑戰(zhàn)和構(gòu)成了威脅。在這種全集成化的TCXO中沒有熱敏電阻，而是采用了半導(dǎo)體PN結(jié)作為溫度傳感器并且通過由運(yùn)算放大器組構(gòu)成的三次函數(shù)電壓發(fā)生器來與被補(bǔ)償?shù)木w振蕩器的補(bǔ)償電壓–溫度特性相擬合來達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康?。這樣的基本線路結(jié)構(gòu)更便于集成后保證小的體積。由于采用了這樣的補(bǔ)償方式，對于TCXO的開發(fā)實(shí)驗(yàn)過程也被簡化。對于未補(bǔ)償?shù)恼袷幤鞯臏囟忍匦詫?shí)驗(yàn)，只要在其全溫度范圍內(nèi)均勻地實(shí)驗(yàn)5個溫度點(diǎn)的數(shù)據(jù)，其中2個點(diǎn)是在溫度的最高和最低處，就可以了。封裝好的振蕩器外形尺寸最小可以達(dá)到，同時(shí)也可以采用線路的片芯進(jìn)行靈活和更小尺寸的封裝。

當(dāng)前第34頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)微機(jī)補(bǔ)償晶體振蕩器（MCXO）在所有的溫度補(bǔ)償型晶體振蕩器中仍然是補(bǔ)償精度最高的。目前，以SC切晶體的雙模振蕩器為基礎(chǔ)的這種類型的溫度補(bǔ)償晶體振蕩器在-55到+85度的溫度范圍內(nèi)可以獲得的頻率–溫度穩(wěn)定度。如果采用軟件補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ糜跍y量目的，還可以獲得更高的補(bǔ)償精度。

當(dāng)前第35頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)

與國內(nèi)相比，國外在各種振蕩器設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方面和我們的最大區(qū)別在于，許多外國的公司和院校都注重了振蕩器設(shè)計(jì)的專用軟件的應(yīng)用和開發(fā)。而我國主要借助于技術(shù)人員的實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)的積累。美國、日本相應(yīng)的晶體振蕩器設(shè)計(jì)軟件，如CODA和專用SPICE，對控溫裝置熱設(shè)計(jì)的專用軟件等通過把更豐富的團(tuán)體知識和經(jīng)驗(yàn)的積累軟件化來指導(dǎo)設(shè)計(jì)取得了更好的效果。采用了振蕩器設(shè)計(jì)的專用軟件，首先要作的是把對振蕩器的頻率及性能要求以參數(shù)的形式輸入相應(yīng)的計(jì)算機(jī)，通過人機(jī)對話和軟件運(yùn)行由計(jì)算機(jī)來選擇對應(yīng)的線路和線路參數(shù)。隨著軟件的進(jìn)一步豐富，振蕩器的結(jié)構(gòu)等也可以被方便的設(shè)計(jì)，而且一些更特殊的要求也可以被滿足和改進(jìn)。對于要求不高的OCXO，常常通過一次軟件處理就可以完成設(shè)計(jì)任務(wù)（日）。這樣，晶體和關(guān)鍵線路器件的制作完全可以在計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)以后進(jìn)行，節(jié)省了時(shí)間和費(fèi)用。而借助于實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法則需要消耗更多的時(shí)間和器件，已經(jīng)不能適應(yīng)用戶對晶體振蕩器在指標(biāo)、品種、數(shù)量和供貨期等方面的更高要求了。

當(dāng)前第36頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)5、

MEMS用作時(shí)間和頻率的參考源

近年來一些科技發(fā)達(dá)國家在頻率控制領(lǐng)域相繼開發(fā)了微機(jī)電（或稱為微電機(jī)）系統(tǒng)原理的頻率控制器件的研究與開發(fā)，對于這方面的傳統(tǒng)器件構(gòu)成很大的威脅。這樣的裝置是由微機(jī)械技術(shù)構(gòu)成的，至少通過MEMS裝置的信號流是能夠用機(jī)械量來更好地描述，如位移、速度、加速度、溫度、流量等。這表現(xiàn)在這些量可以作為MEMS裝置的輸入、控制和輸出量等。MEMS裝置的其他共同的特性在于，以微米量級的特征尺寸；傳感和激勵的合并計(jì)算以改變我們感知和控制物理世界的方法；常常習(xí)慣用于生產(chǎn)的平板印刷技術(shù)能夠使用同樣的生產(chǎn)設(shè)備于集成電路的情況的需要，然而某些制作步驟超過了傳統(tǒng)的IC處理的情況。

當(dāng)前第37頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)其生產(chǎn)步驟和平面IC的處理兼容。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，許多原來靠電路才能完成的與頻率信號處理相關(guān)的工作可以通過微機(jī)械的振動諧振器模式的器件來完成。這樣不但能夠得到更高的Q值而且大大減小了設(shè)備的體積。同時(shí)，原來在相應(yīng)裝置中使用的開關(guān)器件也可以被省略。微機(jī)械的振動諧振器已經(jīng)有不同的品種被研究和開發(fā)出來。在MEMS的制造工藝中特別注意到了熱穩(wěn)定度、老化率的穩(wěn)定度、制造公差、高的阻抗、包裝、功率處理、集成化問題等。當(dāng)前第38頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)這里不但結(jié)合了集成電路的生產(chǎn)工藝，而且還和傳感器的原理結(jié)合在一起。目前MEMS器件的成功應(yīng)用除了諧振器外，還有在濾波器方面的成績。它們在特定的頻率下的高的Q值、小體積、低功耗等方面體現(xiàn)出對于傳統(tǒng)器件的優(yōu)越性。例如，在手機(jī)中可以作為前置選頻濾波器，工作在GHz范圍可以有更高的Q值以及使用更簡單的檢波電路。

當(dāng)前第39頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)有了MEMS技術(shù)的加入，也有可能做成片式級別的原子頻標(biāo)。其總的尺寸9.5mm3、穩(wěn)定度2.4*10^-10/s、功耗75mW。

當(dāng)前第40頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)4、時(shí)間頻率的測量和比對技術(shù)

時(shí)間頻率量的測量和比對在時(shí)頻測控的技術(shù)領(lǐng)域中具有很重要的地位。隨著頻率基標(biāo)準(zhǔn)器的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度的不斷提高，也對相應(yīng)的測量比對技術(shù)提出了更高的要求。沒有與頻標(biāo)技術(shù)的提高相匹配的測量技術(shù)，目前的的頻率穩(wěn)定度指標(biāo)和為了檢測頻率基準(zhǔn)所要求的以上的準(zhǔn)確度測量的分辨率就無從實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)代通訊、儀器儀表、導(dǎo)航、空間技術(shù)和電子技術(shù)則需要頻率測量覆蓋的范圍寬，響應(yīng)時(shí)間快。時(shí)頻測量技術(shù)發(fā)展是和頻率源精度的提高和應(yīng)用面的擴(kuò)大而同步進(jìn)行的。其中不但包括了精密頻率信號之間的比對，而且也包括了寬頻率范圍的從幾乎直流、射頻、微波甚至到光頻的測量。

當(dāng)前第41頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)對于頻率源的準(zhǔn)確度及長期指標(biāo)的比對，使用最多的是相位比對的方法。而在其穩(wěn)定度的時(shí)疇比對中，許多傳統(tǒng)的比對方案還在使用，如頻差倍增、雙混頻時(shí)差法等，但是設(shè)備的工藝和線路設(shè)計(jì)有所改進(jìn)。對頻率源的相位噪聲的頻疇測量中，松鎖相回路法和緊鎖相回路法也還沒有失去其在精度上的先進(jìn)性。當(dāng)前第42頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)按照各種不同的頻率測量方法的比較，直接計(jì)數(shù)的方法具有簡單的結(jié)構(gòu)和很寬的頻率測量范圍，但是由于存在著1個數(shù)的計(jì)數(shù)誤差，測量精度是不高的。針對這個誤差的技術(shù)改進(jìn)，模擬內(nèi)插、游標(biāo)法、寬帶相位重合檢測以及借助于短時(shí)間間隔電容充電與高速A/D轉(zhuǎn)換的測量方法都是現(xiàn)行被廣泛應(yīng)用的技術(shù)。這些方法主要是針對寬頻率范圍的頻率測量而應(yīng)用的。其中，設(shè)計(jì)優(yōu)良的儀器在寬頻率范圍內(nèi)的測量分辨率能夠達(dá)到。在頻標(biāo)比對中，相位比對法、拍頻法和雙混頻器時(shí)差測量的方法都具有高的比對精度，但是它們的測量范圍全都很窄。其中，相位比對法常常被用于頻標(biāo)準(zhǔn)確度和長期指標(biāo)的比對，但是也很有希望被用于短期穩(wěn)定度指標(biāo)的測量。后兩種比對方法主要用于短期穩(wěn)定度的比對。從比對精度來看，相位比對法與其它方法結(jié)合能夠在一天或更長的比對時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)的比對精度，而在短穩(wěn)比對方面，拍頻法、雙混頻器時(shí)差法以及以頻差倍增為基礎(chǔ)的方法都有可能獲得優(yōu)于的測量分辨率。進(jìn)一步提高頻標(biāo)比對精度的途徑應(yīng)該在相位比對處理技術(shù)和低噪聲的頻率變換器件方面下功夫。在這個基礎(chǔ)上所實(shí)現(xiàn)的HP/TSC55700測量系統(tǒng)的噪聲底面在10秒取樣時(shí)間的修改的Allan方差可以為小系數(shù)的，而在10000秒的情況下會優(yōu)于。當(dāng)前第43頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)值得注意的是，近年來由于光頻標(biāo)的發(fā)展對于光頻等特高頻率的測量技術(shù)也取得了不斷的進(jìn)步。其結(jié)果將會借助于特高頻率的穩(wěn)定頻率源，或者以其為中介源進(jìn)一步提高工作在射頻段的常用頻標(biāo)信號之間的比對精度。當(dāng)前第44頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)近年來國內(nèi)外不斷發(fā)展著相位噪聲測量技術(shù)以及相位噪聲指標(biāo)的提高技術(shù)。尤其在國內(nèi)，這方面的應(yīng)用需求越來越普遍。會議上也介紹了直接數(shù)字相位噪聲測量。這個新的相位噪聲測量途徑使用了快速的數(shù)-模之間的轉(zhuǎn)換器來數(shù)字化輸入射頻信號并且通過數(shù)字信號處理完成全部下轉(zhuǎn)換和相位檢測功能。它有幾方面明顯優(yōu)于模擬相位噪聲測量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：如沒有外部的鎖相回路、振蕩器能夠在不同的頻率下比較、可以同時(shí)測量幅度和相位噪聲、可以同時(shí)計(jì)算噪聲譜和阿倫方差、也取消了復(fù)雜的計(jì)算技術(shù)。

當(dāng)前第45頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)已經(jīng)建立起一個耦合到PCI-X服務(wù)器的典型相位檢測器以收集數(shù)據(jù)。使用Matlab來完成數(shù)據(jù)分析使得我們決定ADC的寬帶噪聲本底和閃躍噪聲。硬件工作在1到30MHz的輸入范圍內(nèi)。實(shí)現(xiàn)了來自ADC電路的大概-150dBc/Hz的連續(xù)寬帶噪聲電平和從5MHz的1Hz頻率補(bǔ)償下的-145dBc/Hz的閃躍電平。ADC的量化噪聲總是小于電路噪聲。使用了交叉關(guān)聯(lián)已經(jīng)完成了在1Hz下-155dBc/Hz的5MHz的噪聲本底以及-170dBc/Hz的寬帶。用這種技術(shù)構(gòu)成實(shí)際的儀器還需要完成一些技術(shù)上的細(xì)節(jié)工作。

當(dāng)前第46頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)近年來時(shí)間和頻率測量技術(shù)的更高指標(biāo)的發(fā)展要求是從航空、航天以及基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而提出的。GPS定位技術(shù)的發(fā)展要求精度從米的量級發(fā)展到厘米量級；而在GRACE(GravityRecoveryandClimateExperiment)衛(wèi)星系統(tǒng)中，配置的KBR(K-BandRanging)系統(tǒng)用于低-低星間跟蹤鏈路。系統(tǒng)的精確測量空間兩個衛(wèi)星之間的距離以及距離的變化，其設(shè)計(jì)的測距精度為10微米。上述精度根據(jù)時(shí)間–空間的關(guān)系可以推算出的時(shí)間或者相位測量分辨率分別為3.3ns、33ps、0.033ps。當(dāng)前第47頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)要實(shí)現(xiàn)微米量級的測距精度需要極高分辨率的頻率估計(jì)技術(shù)和相位積分估計(jì)技術(shù)，要采用數(shù)字化的精密跟蹤技術(shù)、鎖相技術(shù)和相位差測量技術(shù)等。這里不但有技術(shù)問題需要解決，而且還牽扯到一些基本的概念和理論問題。兩顆GRACE衛(wèi)星在相距220公里的情況下達(dá)到10微米的測距精度，并且涉及到的測距精度為1微米/秒，這不但標(biāo)志著在太空環(huán)境下需要5*10^-11的長度測量精度，而且從時(shí)-空關(guān)系上看，對于星上頻率標(biāo)準(zhǔn)的頻率穩(wěn)定度、相位比對設(shè)備的測量分辨率等都提出了超乎尋常的指標(biāo)要求。這里所使用的有效技術(shù)是在微波情況下的載波相位精確比對技術(shù)。其實(shí)施方框圖如圖所示。當(dāng)前第48頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)當(dāng)前第49頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)這個方法的實(shí)現(xiàn)也為我們在射頻情況下的頻標(biāo)比對提供了發(fā)展的思路。也就是盡可能的利用特高頻率信號作為中介源，進(jìn)行時(shí)間或者頻率測量。

當(dāng)前第50頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)5、基于頻率信號的信號傳感技術(shù)

在測量和儀器技術(shù)領(lǐng)域，傳感器技術(shù)是最受關(guān)注的研究內(nèi)容之一。而諧振式的物理與化學(xué)傳感器則是近年來頻率控制工作的一個重要發(fā)展方向。美國的IEEE國際頻率控制年會近年來專門把諧振式的物理和化學(xué)傳感器與轉(zhuǎn)換器列為會議中的一個重要的部分。在幾乎目前所有的電子元器件中，石英晶體諧振器是穩(wěn)定性和精度最高的。所以，一方面利用了它們穩(wěn)定的一面可以構(gòu)成穩(wěn)定的時(shí)鐘和頻率源；而另一方面，則可以利用它們對某些外界影響，如溫度、壓力、振動和加速度等的敏感性來構(gòu)成不同高精度的傳感器。所以傳感功能是晶體諧振器和聲面波器件除穩(wěn)頻功能以外的第二大用途。同時(shí)，與這種傳感器所配合的測量和控制裝置也具有通常頻率測量和處理裝置相似的方式。這樣的傳感器可以通過晶體和聲表面波器件的壓電特性把被測量直接轉(zhuǎn)換成頻率、時(shí)間等很容易數(shù)字化的量值，很便于處理而且精度和傳感的靈敏度也很高。如在特定介質(zhì)中的顆粒的檢測中的靈敏度可以達(dá)到。這方面的傳感器已經(jīng)廣泛用于溫度、濕度、力值、加速度、轉(zhuǎn)矩、角速度、振動、空氣與水或其它介質(zhì)中的顆粒、氣體和液體混合物、可卡因等藥品的微量以及生物化學(xué)分析中的測量等。

當(dāng)前第51頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)這類傳感器的測量對象很廣泛、而且檢測的分辨率高，是國際上近年來傳感器和測量技術(shù)發(fā)展的方向之一。這方面的代表技術(shù)有用于多水環(huán)境監(jiān)測的高靈敏度引導(dǎo)型SH-SAW化學(xué)傳感器的設(shè)計(jì)。使用了在LiTaO3上的雙延遲線幾何圖形設(shè)計(jì)了引導(dǎo)型SH-SAW傳感器。用來校正環(huán)境條件如溫度起伏的變化的參考線用聚合物波導(dǎo)層來鍍敷。傳感線或者用功能象波導(dǎo)層與化學(xué)傳感層的聚合物來鍍敷或者在特殊的化學(xué)傳感層下面鍍敷聚合物波導(dǎo)層。實(shí)驗(yàn)測量表明，在傳感線上對于給定的聚合物總的厚度3層模式提供了比4層模式更高的靈敏度。然而實(shí)驗(yàn)證明了4層模式噪聲低、更穩(wěn)定。理論和實(shí)驗(yàn)方面的大量工作對于進(jìn)一步傳感器的發(fā)展提供了有用的基礎(chǔ)。

當(dāng)前第52頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)6、頻率信號的合成及變換技術(shù)

頻率信號的合成及變換不僅大大擴(kuò)展了精密頻率信號的應(yīng)用，而且也使得頻率的測量和控制能夠更靈活的進(jìn)行。頻率合成是在一個或多個參考頻率源的基礎(chǔ)上產(chǎn)生所要求的輸出頻率信號。最常用的頻率合成方法有直接模擬合成方法、間接合成方法和直接數(shù)字合成（DDS）。高精度的DDS一直是近年來研究開發(fā)的重點(diǎn)。它被用于廣泛用途的測量設(shè)備、任意波形合成器、頻率與相位調(diào)制以及精密的可調(diào)時(shí)鐘產(chǎn)生器等。

當(dāng)前第53頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)基于DDS系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是快速頻率轉(zhuǎn)換的同步實(shí)現(xiàn)和高的頻率分辨率。但是這方面的傳統(tǒng)技術(shù)也表現(xiàn)出較高的功耗和較低的工作頻率等缺點(diǎn)。通常，合成器的時(shí)鐘頻率要受到ROM的存取時(shí)間的限制。因此，對DDS中時(shí)鐘信號的相位進(jìn)行處理是這方面的專業(yè)人員所能夠意識到的改善途徑（）。國外已經(jīng)發(fā)展了帶有插入方式的DDS結(jié)構(gòu)，對DDS的性能可以起到改進(jìn)作用。在這個結(jié)構(gòu)中使用了一個可控制的延遲發(fā)生器可以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘周期的相位插入。這里既沒有用ROM，也沒有用D/A轉(zhuǎn)換器。相位累加器MSB輸出的平均頻率就由相位增量步進(jìn)（頻率控制字）來建立，但是它的脈沖寬度周期性地變化以至于其中包括了高的寄生成分。但如果使用數(shù)字-時(shí)間轉(zhuǎn)換器(DTC)來把每個上升和下降沿延遲一個合適的量，所有的脈沖就有相同的寬度。這樣就實(shí)現(xiàn)了提高時(shí)鐘頻率的相同效果。輸出寄生信號的電平取決于延遲發(fā)生器的分辨率。通過用CMOS技術(shù)設(shè)計(jì)的新穎的DTC結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了120MHz時(shí)鐘以及256級DDS的時(shí)鐘周期的插入。此時(shí)，引入的延遲由8位的字控制，并且具有大約32ps的分辨率；也就是時(shí)鐘頻率實(shí)質(zhì)上被增加到等效30.72GHz。延遲的產(chǎn)生是采用了基于分路電容器延遲單元的兩級全數(shù)字延遲線。每個單元的延遲是由二進(jìn)制加權(quán)的數(shù)字字控制的。第一步是一個典型的32級數(shù)字相位插入并且存在于鎖定在系統(tǒng)鐘的延遲鎖定延遲線的32抽頭選一的，第二步是一個新穎的結(jié)構(gòu)，其允許一個進(jìn)一步的具有好的線性和可靠性的延遲的8級插入。當(dāng)前第54頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)它由一個單級的延遲單元構(gòu)成，其負(fù)載能夠被設(shè)置在8個不同的增量結(jié)構(gòu)中。由這個單元在第一和最后結(jié)構(gòu)中引入的延遲的差別要通過一個負(fù)反饋回路保持等于主延遲線單元的延遲，這就需要兩個進(jìn)一步的延遲單元并通過插入或者除去8個負(fù)載電容器組可靠地對環(huán)境及處理變化進(jìn)行補(bǔ)償。一個3位的數(shù)字輸入控制了每組中電容器的組成，這就完成了進(jìn)一步的8級相位插入。最終，只使用了35個延遲單元就得到了全部256級插入。當(dāng)前第55頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)降低功耗是DDS設(shè)計(jì)中另一個需要努力改進(jìn)的問題。這也往往和集成電路的設(shè)計(jì)結(jié)合在一起。如使用0.18mm的CMOS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了0.1mW/MHz的功率消耗。系統(tǒng)復(fù)雜程度減小，而且功耗減小了相當(dāng)于其它設(shè)計(jì)的80%。這里使用了線性段的正弦曲線函數(shù)近似的途徑。線段的斜率被限制到一個小的數(shù)值以帶給它們好的硬件實(shí)現(xiàn)。所跟隨的原創(chuàng)的搜尋技術(shù)可以優(yōu)化線段參數(shù)的選擇以把綜合器的譜純度提到最大。結(jié)果把系統(tǒng)的復(fù)雜程度和其它有相同譜純度輸出途徑相比較有一個數(shù)量級的減小。當(dāng)前第56頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)7、新的材料、器件及其發(fā)展

在頻率控制方面，對于器件和材料的研究也占有很重要的位置。其中很大部分的工作是發(fā)展晶體材料和相應(yīng)的諧振器、聲表面波器件和材料、體波器件和材料等。它們是實(shí)用頻率控制器件及標(biāo)準(zhǔn)器構(gòu)成的重要基礎(chǔ)。當(dāng)前第57頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)晶體諧振器是晶體振蕩器的核心，也是最受關(guān)注的頻率控制器件。作為精密晶體諧振器，國外成熟、而國內(nèi)逐漸關(guān)注的技術(shù)是，金屬冷壓焊真空封裝的精密晶體的生產(chǎn)工藝。它較之國內(nèi)傳統(tǒng)的玻璃殼封裝的精密晶體在外形尺寸、機(jī)械可靠性、性能的一致性等方面具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。冷壓焊晶體在封裝時(shí)并沒有使用任何焊料。而是采用了高壓密封技術(shù)把晶體的殼和座沖壓密封在一起?？梢宰畲笙薅鹊囟沤^污染并且不在封裝過程中產(chǎn)生高溫使得頻率對時(shí)間的變化減到最小。這是它優(yōu)于電阻焊的理由。冷壓焊晶體全部采用了抽真空封裝，因此對保證晶體的性能長期穩(wěn)定和好的老化率非常有利。其殼和座都采用了密封特性很好的特殊材料，能夠保證晶體片工作在高真空狀態(tài)。目前冷壓焊精密晶體還注重了高基頻、高沖擊、低相位噪音、低G靈敏度、低老化和承受高的激勵電平能力?；赟C切的晶體諧振器一直被認(rèn)為是高性能的晶體，是應(yīng)該進(jìn)一步發(fā)展的技術(shù)和產(chǎn)品。降低造價(jià)和提高性能是目前國外致力進(jìn)行的工作。

當(dāng)前第58頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)由于加工工藝的逐漸進(jìn)步，也為了適應(yīng)超高頻率的VCXO的需求，晶體片可以被作的特別薄。620MHzAT切的高基頻晶體諧振器已經(jīng)被研制完成。它采用了翻轉(zhuǎn)的臺面晶體片，其厚度大概是，使用了獨(dú)特的磁控管等離子干刻蝕處理方法來完成超薄晶體片的加工。620MHz高基頻晶體做成的VCXO中不會含有由倍頻線路所產(chǎn)生的分諧波噪聲的影響，而且體積也更小。

當(dāng)前第59頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)對于材料特性的基礎(chǔ)研究一直是許多研究機(jī)構(gòu)不斷進(jìn)行的工作。這方面的探索有利于基本的頻率控制器件如晶體、晶體振蕩器以及聲表面波器件的性能提高等具有很重要的作用。臺灣的學(xué)者進(jìn)行了晶體的頻率-溫度特性隨著各種切角以及金屬電極的厚度的變化研究。聲表面波器件SAW工作在幾百M(fèi)Hz到幾GHz的頻率范圍內(nèi)，它們表現(xiàn)出優(yōu)良的溫度特性和高的質(zhì)量因數(shù)，并且比起泛音晶體諧振器具有低的抖動和相位噪聲。

當(dāng)前第60頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)對于振蕩線路，頻率溫度系數(shù)和零溫度系數(shù)點(diǎn)是兩個關(guān)鍵參數(shù)。它們主要取決于SAW諧振器的溫度性能?？偟膩碚f，SAW諧振器的頻率-溫度系數(shù)和零溫度系數(shù)點(diǎn)取決于基底的切角、波的傳播方向和金屬電極的厚度。因此，重要的是選擇水晶材料，它以不同的金屬電極厚度得到SAW諧振器的合適溫度性能。在實(shí)際的SAW諧振器的設(shè)計(jì)中，為了獲得優(yōu)良的溫度性能常常使用不同于ST-X切的基底并且電極的金屬厚度超過2%以產(chǎn)生好的反射?；姿Р牧弦餐ㄟ^實(shí)驗(yàn)的方法優(yōu)選。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)基底的切角或金屬電機(jī)厚度增加時(shí)頻率溫度系數(shù)和零溫度系數(shù)點(diǎn)線性的減小。

當(dāng)前第61頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)為了適應(yīng)對頻率源越來越高的頻率和更小體積的要求，高性能的聲表面波器件SAW和體波器件也是近年來國外發(fā)展的重點(diǎn)之一。目前典型的SAW器件電參數(shù)如下表所示。其典型的外形封裝有冷壓焊TO-8封裝的SAW諧振器，還有75mm的SMD封裝的小型SAW濾波器。

當(dāng)前第62頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)參數(shù)諧振器延遲線諧振/中心頻率100MHz~1GHz100MHz~2GHz電調(diào)范圍10ppm~100ppm200ppm~2000ppm插入損耗3dB~12dB16dB~24dB群時(shí)延80μsec~0.8μsec2μsec~0.2μsec等效加載Q值25000~2500

當(dāng)前第63頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)頻率控制領(lǐng)域的生產(chǎn)技術(shù)也是會議的熱點(diǎn)之一。其中，代表當(dāng)今國際先進(jìn)水平的有德國的精密晶體片的角度測量設(shè)備的技術(shù)和日本超高基頻晶體的超薄晶體片的加工技術(shù)。我國在這方面已經(jīng)躋身于國際上的晶體和振蕩器的生產(chǎn)數(shù)量和用戶大國之列。這點(diǎn)在會議上的其他國家大會發(fā)言的內(nèi)容已經(jīng)可以充分地反映出來了。也就是經(jīng)過多年的努力從晶體和振蕩器的生產(chǎn)數(shù)量來看，僅次于日本而排在了全球第二位。但是從產(chǎn)品的檔次、技術(shù)水平和技術(shù)特點(diǎn)來看，我們并不處于國際上的全面先進(jìn)的水平。國外的發(fā)展信息和不斷發(fā)展的技術(shù)對于我國都是很有借鑒作用的。我國在這方面的多項(xiàng)自有知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)通過會議向國外介紹后也被廣泛認(rèn)為是具有創(chuàng)新內(nèi)容的先進(jìn)技術(shù)

當(dāng)前第64頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)8、時(shí)間頻率信號的傳輸

許多重要的和精密的信息傳遞手段都可以用來進(jìn)行時(shí)間和頻率信號的傳輸。高精度傳輸?shù)膮⒖紩r(shí)間信號是官方的國際時(shí)間，協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC；高精度傳輸?shù)膮⒖碱l率(時(shí)間間隔)信號是國際原子時(shí)TAI。它們都是由國際度量局BIPM產(chǎn)生的?，F(xiàn)在常用的遠(yuǎn)距離時(shí)間和頻率的傳輸方法是，單向法、共視法和雙向法三種。所采用的服務(wù)手段有，英特網(wǎng)、電話線、地面設(shè)站的無線電廣播、以全球定位星系統(tǒng)(GPS)為代表的衛(wèi)星傳輸?shù)取H上推薦的傳輸精度最高的方法是雙向衛(wèi)星時(shí)間和頻率傳輸方法（TWSTFT）。這種方法更復(fù)雜并且具有高的實(shí)施成本。它需要專門的發(fā)射和接收設(shè)備，必須安排和支付衛(wèi)星的時(shí)間，比用GPS進(jìn)行校準(zhǔn)的難度更大。但是它能比GPS共視法獲得更好的比對效果。電離層和比對者的位置對這種方法的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其它方法。它能獲得1到5ns的時(shí)間傳遞精度，時(shí)間穩(wěn)定度能從0.1到2ns，1天的比對能夠保證到的頻率傳遞精度。下表給出了不同傳輸方法的時(shí)間、頻率傳遞精度，時(shí)間穩(wěn)定度和方法的特點(diǎn)等。

當(dāng)前第65頁\共有73頁\編于星期一\15點(diǎn)類型時(shí)間精度英特網(wǎng)50ms–1s電話線ACTS5ms–1s高頻無線電2–200ms低頻無線電WWVB0.5–20ms低頻無線電LORAN1GPS單向（無SA）10–40nsGPSCV1–10nsTWSTFT1–5nsGPS載波相位-頻率精度（24小時(shí)）注釋方便慢于英特網(wǎng)用戶少用戶產(chǎn)品最好的低頻最簡單的GPS最好的GPS0.1-1昂貴的不能提供時(shí)間時(shí)間穩(wěn)定度20ms2-200ms2ms1100ns2