“慧眼”HXMT上天,石英晶振搭乘了嗎？
來源：http://www.fuleikeji.cn 作者： 2017年06月20
新華社2017年6月15日11時新聞：我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征四號乙運載火箭，成功發(fā)射硬X射線調(diào)制望遠鏡衛(wèi)星“慧眼”。這次發(fā)射還搭載了國內(nèi)外3顆小衛(wèi)星。
“慧眼”全稱硬X射線調(diào)制望遠鏡衛(wèi)星（HXMT，Hard X-ray Modulation Telescope），是我國首顆大型X射線天文衛(wèi)星，設計壽命4年，承載高能、中能、低能X射線望遠鏡和空間環(huán)境監(jiān)測儀，通過巡天觀測、定點觀測和小天區(qū)掃描3種工作模式，能夠?qū)崿F(xiàn)寬波段、高靈敏度、高分辨率的X射線空間觀測。科研人員給“慧眼”配了一名專屬的“太空信使”——數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)，它的主要功能是將硬X射線望遠鏡搜集到的數(shù)據(jù)，實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)記錄系統(tǒng)或通過無線方式傳輸?shù)降孛娼邮照尽?jù)介紹，衛(wèi)星成功發(fā)射和正常運行后，將推動我國高能天體物理研究進入世界先進行列。
厲害了，我的國！我真心為國家航天科技發(fā)展和航天人點贊。因為從事石英晶振行業(yè)，我知道石英晶體振蕩器在航天衛(wèi)星的應用，只是這么高大上的衛(wèi)星技術，會用到哪類石英晶振呢？誰家的晶振有那么幸運能搭乘“慧眼”遨游太空呢？
常說的晶振其全稱是石英晶體諧振器，是石英晶體元器件中的一種。晶振是各電路的“心跳”發(fā)生器，因為石英晶體振蕩器具有頻率穩(wěn)定度高這一特點，在電子技術領域中一直占有重要的地位。石英晶體振蕩器在遠程通信、衛(wèi)星通信、移動電話系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)（GPS）、導航、遙控、航空航天、高速計算機、精密計測儀器及消費類民用電子產(chǎn)品中，作為標準頻率源或脈沖信號源，提供頻率基準，是其它類型的振蕩器所不能替代的。
貼片晶振是表貼式的石英晶體，它是一種無突出引腳的的晶體振蕩器, 能提供高精度振蕩，因其形狀似貼片于是被稱作貼片晶振。貼片晶振也分為無源晶振和有源晶振兩種類型，無源晶振為crystal（晶體），而有源晶振則叫做oscillator（振蕩器）。
OCXO(Oven Controlled Crystal Oscillator)恒溫晶體振蕩器，是利用恒溫槽使晶體振蕩器或石英晶體振子的溫度保持恒定，將由周圍溫度變化引起的振蕩器輸出頻率變化量削減到最小的晶體振蕩器。OCXO主要用于移動通信基地站、國防、導航、頻率計數(shù)器、頻譜和網(wǎng)絡分析儀等設備、儀表中。依據(jù)不同的應用領域及工作溫度需求, 因應了許多不同的石英切割角度種類. 例如AT-, BT-, CT-, DT-, NT, GT…..等不同的切割板片. 不同的切割方向的板片具有不同的彈性常數(shù)張量(elastic constant tensor), 不同的壓電常數(shù)張量(piezoelectric constant tensor)及不同的介電常數(shù)張量(dielectric constant tensor). 這些張量在石英組件的設計及應用上展現(xiàn)了不同的振蕩及溫度特性. (下圖)表現(xiàn)了在Z-plat石英結構上,幾種不同方向的石英板片切割方式.
近幾年OCXO的技術水平有了很大的提高。日本電波工業(yè)公司（Tokyo Denpa Co., Ltd.）開發(fā)的使用應力補償切割（SCCut）石英晶體振子制作的OCXO新器件功耗僅為老產(chǎn)品的1/10，在克服OCXO功耗較大這一缺點方面取得了重大突破。具有高得多的頻率穩(wěn)定度和非常低的相位噪聲。相位噪聲是指信號功率與噪聲功率的比率（C/N），是表征頻率顫抖的技術指標。 美國賓夕法尼亞的PiezoCrystal的275型用于全球定位系統(tǒng)（GPS）的OCXO采用SC切形石英晶體振子，在0～75℃范圍內(nèi)總頻偏小于±0.005ppm，最大老化率為±0.005ppm/年。到目前為止，SC切晶體在國內(nèi)的生產(chǎn)規(guī)模還處于初期階段，國內(nèi)晶振廠商使用的SC晶體主要進口。
說到OCXO晶振在航天航空上的應用，讓我想到美國的Vectron國際公司。美國Vectron International（維管國際）是世界領先的頻率控制、傳感器和混合產(chǎn)品解決方案的設計、制造和營銷的領導者，總部設在美國密歇根哈德遜，產(chǎn)品包括晶體和晶體振蕩器，頻率轉換器，時鐘和數(shù)據(jù)恢復產(chǎn)品，表面聲波濾波器，晶體濾波器和用于電信、數(shù)據(jù)通信、頻率合成器、定時、導航、軍事、航空和儀表系統(tǒng)的組件。在水晶振蕩器和濾鏡設計方面都以其技術能力而聞名。公司提供的創(chuàng)新和能力反映了高頻率、低成本設計和小型化的趨勢，以及更先進的綜合解決方案。其中一些關鍵技術包括: ASIC設計、表面安裝技術、陶瓷封裝、混合制造到類“S”、“高頻基礎”(HFF)晶體設計和空間組件能力。美國威克創(chuàng)國際擁有突出的高頻基協(xié)波和SC切割晶體的離散晶體技術，及100級和10000級潔凈室設施生產(chǎn)領先前沿的陶瓷包裝VCXO晶振。Vectron國際公司的核心技術包括經(jīng)典水晶、表面聲波濾波器技術和復雜的集成電路和先進的包裝。Vectron晶振最新的 OX–249晶振用普通的太空用途的溫補晶振的封裝實現(xiàn)SC切割恒溫晶振的性能，填補了存在于小體型、低能量和大尺寸、高能量的太空用途的恒溫晶振之間所呈現(xiàn)的成本、尺寸、性能的缺口， Vectron國際的方案實現(xiàn)了性能和小型化的有力結合。OX–249晶振主要用于人造空間飛行器、深度空間探測、國防衛(wèi)星、商業(yè)衛(wèi)星和科學衛(wèi)星。
數(shù)字化間接溫度補償(DTCXO)是在模擬式補償電路中的溫度—電壓變換電路之后再加一級模/數(shù)（A/D）變換器，將模擬量轉換成數(shù)字量。該法可實現(xiàn)自動溫度補償，使晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度非常高。比如愛普生晶振中的RA8900系晶振和RX8900系晶振就是兩款應用于實時時鐘模塊的高性能的內(nèi)嵌式數(shù)字溫補晶振，也可作汽車電子元器件。
想著想著，我的頭上開始冒煙了，我仿佛看到無數(shù)張各種類型的晶振產(chǎn)品的采購訂單像雪片似地飛進了我所在的康華爾電子的辦公室，辦公室里的同事個個都忙得不亦樂乎，老板正忙著給大家發(fā)獎金……”叮叮叮…”，我趕忙拿起辦公桌上0755-27838351這部正在把我從幻境中驚醒的電話，”Miss L., 我要的報告你完成了嗎？”, 電話那端聽到了老板嚴肅的聲音。
“慧眼”全稱硬X射線調(diào)制望遠鏡衛(wèi)星（HXMT，Hard X-ray Modulation Telescope），是我國首顆大型X射線天文衛(wèi)星，設計壽命4年，承載高能、中能、低能X射線望遠鏡和空間環(huán)境監(jiān)測儀，通過巡天觀測、定點觀測和小天區(qū)掃描3種工作模式，能夠?qū)崿F(xiàn)寬波段、高靈敏度、高分辨率的X射線空間觀測。科研人員給“慧眼”配了一名專屬的“太空信使”——數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)，它的主要功能是將硬X射線望遠鏡搜集到的數(shù)據(jù)，實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)記錄系統(tǒng)或通過無線方式傳輸?shù)降孛娼邮照尽?jù)介紹，衛(wèi)星成功發(fā)射和正常運行后，將推動我國高能天體物理研究進入世界先進行列。
厲害了，我的國！我真心為國家航天科技發(fā)展和航天人點贊。因為從事石英晶振行業(yè)，我知道石英晶體振蕩器在航天衛(wèi)星的應用，只是這么高大上的衛(wèi)星技術，會用到哪類石英晶振呢？誰家的晶振有那么幸運能搭乘“慧眼”遨游太空呢？
常說的晶振其全稱是石英晶體諧振器，是石英晶體元器件中的一種。晶振是各電路的“心跳”發(fā)生器，因為石英晶體振蕩器具有頻率穩(wěn)定度高這一特點，在電子技術領域中一直占有重要的地位。石英晶體振蕩器在遠程通信、衛(wèi)星通信、移動電話系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)（GPS）、導航、遙控、航空航天、高速計算機、精密計測儀器及消費類民用電子產(chǎn)品中，作為標準頻率源或脈沖信號源，提供頻率基準，是其它類型的振蕩器所不能替代的。
貼片晶振是表貼式的石英晶體，它是一種無突出引腳的的晶體振蕩器, 能提供高精度振蕩，因其形狀似貼片于是被稱作貼片晶振。貼片晶振也分為無源晶振和有源晶振兩種類型，無源晶振為crystal（晶體），而有源晶振則叫做oscillator（振蕩器）。
OCXO(Oven Controlled Crystal Oscillator)恒溫晶體振蕩器，是利用恒溫槽使晶體振蕩器或石英晶體振子的溫度保持恒定，將由周圍溫度變化引起的振蕩器輸出頻率變化量削減到最小的晶體振蕩器。OCXO主要用于移動通信基地站、國防、導航、頻率計數(shù)器、頻譜和網(wǎng)絡分析儀等設備、儀表中。依據(jù)不同的應用領域及工作溫度需求, 因應了許多不同的石英切割角度種類. 例如AT-, BT-, CT-, DT-, NT, GT…..等不同的切割板片. 不同的切割方向的板片具有不同的彈性常數(shù)張量(elastic constant tensor), 不同的壓電常數(shù)張量(piezoelectric constant tensor)及不同的介電常數(shù)張量(dielectric constant tensor). 這些張量在石英組件的設計及應用上展現(xiàn)了不同的振蕩及溫度特性. (下圖)表現(xiàn)了在Z-plat石英結構上,幾種不同方向的石英板片切割方式.
近幾年OCXO的技術水平有了很大的提高。日本電波工業(yè)公司（Tokyo Denpa Co., Ltd.）開發(fā)的使用應力補償切割（SCCut）石英晶體振子制作的OCXO新器件功耗僅為老產(chǎn)品的1/10，在克服OCXO功耗較大這一缺點方面取得了重大突破。具有高得多的頻率穩(wěn)定度和非常低的相位噪聲。相位噪聲是指信號功率與噪聲功率的比率（C/N），是表征頻率顫抖的技術指標。 美國賓夕法尼亞的PiezoCrystal的275型用于全球定位系統(tǒng)（GPS）的OCXO采用SC切形石英晶體振子，在0～75℃范圍內(nèi)總頻偏小于±0.005ppm，最大老化率為±0.005ppm/年。到目前為止，SC切晶體在國內(nèi)的生產(chǎn)規(guī)模還處于初期階段，國內(nèi)晶振廠商使用的SC晶體主要進口。
說到OCXO晶振在航天航空上的應用，讓我想到美國的Vectron國際公司。美國Vectron International（維管國際）是世界領先的頻率控制、傳感器和混合產(chǎn)品解決方案的設計、制造和營銷的領導者，總部設在美國密歇根哈德遜，產(chǎn)品包括晶體和晶體振蕩器，頻率轉換器，時鐘和數(shù)據(jù)恢復產(chǎn)品，表面聲波濾波器，晶體濾波器和用于電信、數(shù)據(jù)通信、頻率合成器、定時、導航、軍事、航空和儀表系統(tǒng)的組件。在水晶振蕩器和濾鏡設計方面都以其技術能力而聞名。公司提供的創(chuàng)新和能力反映了高頻率、低成本設計和小型化的趨勢，以及更先進的綜合解決方案。其中一些關鍵技術包括: ASIC設計、表面安裝技術、陶瓷封裝、混合制造到類“S”、“高頻基礎”(HFF)晶體設計和空間組件能力。美國威克創(chuàng)國際擁有突出的高頻基協(xié)波和SC切割晶體的離散晶體技術，及100級和10000級潔凈室設施生產(chǎn)領先前沿的陶瓷包裝VCXO晶振。Vectron國際公司的核心技術包括經(jīng)典水晶、表面聲波濾波器技術和復雜的集成電路和先進的包裝。Vectron晶振最新的 OX–249晶振用普通的太空用途的溫補晶振的封裝實現(xiàn)SC切割恒溫晶振的性能，填補了存在于小體型、低能量和大尺寸、高能量的太空用途的恒溫晶振之間所呈現(xiàn)的成本、尺寸、性能的缺口， Vectron國際的方案實現(xiàn)了性能和小型化的有力結合。OX–249晶振主要用于人造空間飛行器、深度空間探測、國防衛(wèi)星、商業(yè)衛(wèi)星和科學衛(wèi)星。
數(shù)字化間接溫度補償(DTCXO)是在模擬式補償電路中的溫度—電壓變換電路之后再加一級模/數(shù)（A/D）變換器，將模擬量轉換成數(shù)字量。該法可實現(xiàn)自動溫度補償，使晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度非常高。比如愛普生晶振中的RA8900系晶振和RX8900系晶振就是兩款應用于實時時鐘模塊的高性能的內(nèi)嵌式數(shù)字溫補晶振，也可作汽車電子元器件。
想著想著，我的頭上開始冒煙了，我仿佛看到無數(shù)張各種類型的晶振產(chǎn)品的采購訂單像雪片似地飛進了我所在的康華爾電子的辦公室，辦公室里的同事個個都忙得不亦樂乎，老板正忙著給大家發(fā)獎金……”叮叮叮…”，我趕忙拿起辦公桌上0755-27838351這部正在把我從幻境中驚醒的電話，”Miss L., 我要的報告你完成了嗎？”, 電話那端聽到了老板嚴肅的聲音。
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