NDK晶振产品的抗振动性能的改善

NDK晶振产品的抗振动性能的改善

1.背景
近年来，由于基站安装位置的多样化和设备尺寸的变化，晶体产品已经被安装在易受风、冷却风扇和其他因素影响的位置，并且由于这些振动导致的特性恶化已经成为问题的情况的数量趋于增加。

此外，在智能手表等可穿戴设备和智能手机等移动设备中，由于振动和冲击导致的GPS功能的性能劣化也是一个问题。

2.振动导致特性恶化的机理
通常，晶体元件由导电粘合剂固定在一侧的两点上，如图1所示。由于这种结构，当特别施加产品高度方向(Z方向)上的振动时，频率由于非夹持侧的晶体元件的偏转而波动。

图3振动过程中的坯料变形	图4坯料挠度与频率变化的关系

3.晶体振荡器特性退化和GPS接收特性退化示例
<单独振荡器的特性退化>
当振荡器工作期间施加振动时，与静止时(图5)相比，附近的频谱大大恶化，如图6所示。
这意味着相位噪声可能恶化，从而影响通信质量，例如通信设备中出现的数据错误。

图5休息时的光谱	图6。激发时的光谱

< GPS接收特性评估>
评估了激励期间振荡器的特性退化对GPS接收特性的影响。我们使用26MHz TCXO(温补晶体振荡器(TCXO)(以下简称为TCXO)作为参考信号源，并且仅应用如图7所示的具有TCXO的板来评估星座(*1)，与静止和振动的星座相比较。(*1)数字信号调制信号的信号点排列

图7 GPS接收评估系统

已经证实，与静止时相比，当TCXO被激发时，星座被极大地扭曲(相位旋转)。(图8和图9)
GPS设备可以应用误差校正技术，该技术使用软件来校正这些退化，或者使用外壳或防振橡胶等。如果超过这些降级，可能会出现GPS接收错误。

图8无激励的星座图	图9激发时的星座图

此外，近年来，传统的64QAM(*2)256QAM到1024QAM处于商业化阶段，并且已经对超多级调制进行了研究，例如4096QAM。
在这些类型的通信中，轻微的相移会导致数据错误，使得无法忽略由振动引起的特性退化。另据报道，在1024QAM中，相位误差为1度时的固定降级是64QAM的5倍以上。(图10和11)

图10载波再生期间的相位误差	图11针对相位误差的固定退化

(*2) QAM:正交调幅(直接调幅)

4.振动下特性恶化的改善
基于上述评估结果，我们开发了一种在振动下具有较少特性退化的振荡器。
基于使用应力分析模拟的特性劣化机制的分析结果，我们已经设计了抑制由外部振动引起的晶体元件坯体变形的独特结构。
因此，我们开发了一种低加速度灵敏度晶体振荡器(低G灵敏度晶体振荡器，以下称为低G振荡器)，其将特性退化改善到传统产品的约1/10，并提供了优异的抗振动性能。

低G振荡器被激励时的频谱如图13所示。可以确认，与常规产品相比，劣化被显著抑制(图12)。

图12:激发过程中常规产品的光谱	图13:激发期间低G振荡器的频谱

我们还确认了使用图7所示的系统在GPS接收评估方面的显著改进，而在星座中没有干扰。(图14和15)

图14传统产品激励	图15低G振荡器激励

计算加速度灵敏度(/g ),以定量显示振荡器本身的改进程度。
加速度灵敏度可通过等式1和2从激励期间产生的杂散获得。
如图16所示，与传统产品相比，灵敏度在全激励频率下约为1/10，并且已经证实性能已经提高了10倍。

图16加速灵敏度与传统产品的比较

5.摘要
传统的晶体器件由于它们的产品而具有差异，但是由于它们的结构，它们的特性在激励期间恶化。
传统上，激励期间的振荡器特性劣化被认为仅是特定设备的问题，但是由于通信设备的位置和通信方法的改变，存在对未来许多通信设备中影响通信质量的可能性的担忧。
我们已经证实，采用我们的独特结构极大地改善了其退化，并且在GPS评估系统中星座的相位偏差也得到极大的改善。
我们已经发布了两种具有抗振性能措施的小型产品(2016尺寸，3225尺寸TCXO)，但我们将在未来扩大我们的晶体单元阵容，SPXO(简单封装晶体振荡器(SPXO))和VCXO(压控振荡器)。