穩(wěn)定的頻率參考是很少有系統(tǒng)可以缺少的組件之一，多年來，晶體振蕩器一直以一種或另一種形式令人欽佩地服務(wù)于這一目的。晶體振蕩器中最穩(wěn)定的類型是恒溫晶體振蕩器 （OCXO），因此它們通常用于需要最高穩(wěn)定性的地方。但這遺漏了另一個(gè)重要的精密振蕩器，即真空微型晶體振蕩器（EMXO）。如果您從未聽說過它，請讓我啟發(fā)您 - 這是一個(gè)令人印象深刻的設(shè)備。

EMXO由Vectron International開發(fā)，該公司是Microchip Technology的一部分，其目標(biāo)是提供與OCXO相似的性能水平，但采用更小，更輕，密封的封裝，并且功耗更低。與OCXO一樣，EMXO使用烤箱來保持頻率穩(wěn)定性，因?yàn)榫w固有的頻率會隨著溫度的變化而漂移。

為了實(shí)現(xiàn)其優(yōu)勢，EMXO設(shè)計(jì)人員對烘箱振蕩器的制造方式進(jìn)行了重大更改。首先，與在封裝內(nèi)使用低導(dǎo)熱絕緣的OCXO不同，EMXO使用高水平真空。這導(dǎo)致環(huán)境沒有焊接飛濺、灰塵或蒸汽，并將絕緣重量降低到幾乎為零。它還允許使用開放式晶體坯料，而不是更大的包裝坯料，從而進(jìn)一步減輕重量。

該晶體是一種應(yīng)力補(bǔ)償、雙旋轉(zhuǎn)合成掃描晶體（SC/IT-cut）類型，以獲得出色的相位噪聲性能、較慢的老化速率、更低的g靈敏度和更高的耐輻射性。晶體坯料集成在混合封裝中，也有助于減小尺寸。由于EMXO的內(nèi)部質(zhì)量小于典型的OCXO，因此占用的空間更少，這意味著烤箱加熱的體積較小。這反過來又大大降低了功耗并縮短了預(yù)熱時(shí)間。結(jié)果是振蕩器封裝的尺寸不到典型OCXO的一半。

晶體的老化率是振蕩器性能隨時(shí)間變化的關(guān)鍵指標(biāo)，在 30 天的運(yùn)行中最為明顯。包裝泄漏率是導(dǎo)致長期老化的主要原因之一。為了緩解這種情況，EMXO外殼使用冷焊進(jìn)行密封，在金屬表面之間形成冶金結(jié)合，而不會在密封過程中增加熱量。經(jīng)過多次重復(fù)測試，設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)其泄漏率極低，實(shí)際上如此之低，以至于它（現(xiàn)在仍然）超出了旨在測量它的精細(xì)泄漏測試設(shè)備的范圍。

從表面上看，這將是一個(gè)很好的問題。然而，所有政府航天機(jī)構(gòu)都要求封裝設(shè)備滿足精細(xì)泄漏測試確定的泄漏要求，這使得使用這些方法幾乎不可能對EMXO進(jìn)行泄漏測試。也就是說，商用儀器的分辨率為1x10-8 atm·cc/s，但EMXO的泄漏率在1x10-12 atm·cc/s氦氣時(shí)要低得多。因此，由于泄漏率非常低，設(shè)計(jì)人員想出了一種通過關(guān)注功耗來驗(yàn)證泄漏率的方法。

EMXO中的烤箱是按比例控制的，因此其功耗與烤箱和振蕩器外殼之間的熱阻成反比。因此，烤箱吸收電流以保持幾乎恒定的內(nèi)部溫度，熱量通過三種傳熱機(jī)制從烤箱流向外殼：對流、傳導(dǎo)和輻射。傳導(dǎo)和輻射是較小的問題，因?yàn)樗鼈兪艿讲牧虾桶b結(jié)構(gòu)的影響，這些材料和結(jié)構(gòu)終生保持穩(wěn)定，對烤箱電流的影響微不足道。

然而，由于EMXO中通過對流的熱流速率受到內(nèi)部封裝壓力變化的影響，因此具有較高內(nèi)部壓力的泄漏單元本質(zhì)上會消耗更多的電流。因此，使用現(xiàn)成的儀器可以檢測到非常低的泄漏水平，因?yàn)槿绻婵斩纫蚍浅Ｐ〉男孤┒档?，功耗也會顯著增加。Microchip利用功耗和內(nèi)部壓力之間的關(guān)系，開發(fā)了一種非常準(zhǔn)確和簡單的過程，用于確定EMXO封裝的密封完整性，從而使泄漏性能符合空間應(yīng)用的要求。

結(jié)果表明，使用烘箱電流測量密封完整性可以分別在密封后幾分鐘、幾小時(shí)和幾天內(nèi)篩選泄漏率為1x10-6、1x10-7和1x10-8 atm·cc/s氦氣的零件。EMXO即使在內(nèi)部封裝壓力增加到1托時(shí)也能保持其穩(wěn)定性，因此EMXO的內(nèi)部封裝壓力在泄漏率為70x1-10個(gè)大氣壓的氦氣下需要12年才能達(dá)到0.1托的低真空。如果選擇1x10-11 atm·cc/sec氦氣泄漏率和0.5 torr內(nèi)部封裝壓力作為保守的安全邊際，最新的EMXO可以實(shí)現(xiàn)15年的使用壽命。

因此，雖然EMXO可能不是家喻戶曉的詞，但它提供了重大改進(jìn)，共同使其成為空間應(yīng)用中OCXO極具吸引力的替代品，并已被NASA以及商業(yè)和軍用衛(wèi)星發(fā)射公司廣泛使用。

審核編輯：郭婷