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G-Sensitivity und Phasenrauschen

Damit Quarze stabil schwingen

8. Oktober 2019, 10:58 Uhr | Von Dipl.-Ing. Harald Rudolph, Head of Product Management von KVG Quartz Crystal Technology

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Auswirkungen der Vibrationen

Wenn man die Auswirkungen der Vibrationen vorhersagen möchte, muss man zum einen die Beschleunigungsempfindlichkeit des Quarzoszillators in Abhängigkeit von der Vibrationsfrequenz kennen als auch das anregende Vibrationsspektrum. Bei Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt oder auch militärischen Applikationen sind die Vibrationsspektren in der Regel bekannt und werden teilweise auch explizit in den Oszillatorspezifikationen festgelegt oder auf die entsprechenden MIL-STDs (z.B. 810, Method 514) verwiesen.

Mittlerweile sind aber für mehrere Anwendungen z.B. in der Messtechnik, die traditionell das geringste Phasenrauschen benötigen, die Anforderungen an das Phasenrauschen von OCXOs derart hoch, dass selbst die vom Gerät selbst erzeugten Vibrationen – z.B. eingebaute Lüfter – oder der normale Körperschall im Labor oder Büro bereits ausreichen, dass das sehr gute originäre Phasenrauschen des Quarzoszillators nicht genutzt bzw. gemessen werden kann, da es von der durch Vibration erzeugten Phasenmodulation (VIPN) überlagert wird.

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Stabiles Schwingen

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Die G-Sensitivity von Standardquarzen bzw. Quarzoszillatoren liegt typisch bei einigen Parts per Billion pro g (ppb/g oder 10^–9/g) bis zu einigen zig ppb/g (10^–8/g). G-Sensitivity-optimierte Oszillatoren kommen auf Werte kleiner als 1 ppb/g für alle drei Achsen (Bild 8).

Bild 7 zeigt den Zusammenhang zwischen Beschleunigung in Form von Vibration (PSD), die auf einen 10 MHz-Oszillator einwirkt, und der daraus resultierenden Phasenmodulation (VIPN). Bei einer angenommenen G-Sensitivity des Oszillators von 1 ppb/g – was bereits ein guter Wert ist – reicht bereits eine kleinste Vibration mit einer PSD von nur 1∙10^–8g²/Hz, um das originäre Phasenrauschen eines guten 10-MHz-OCXO bei Offsetfrequenzen von 10 Hz (–145 dBc/Hz) und 100 Hz (–165 dBc/Hz) zu überlagern.

Größere PSDs führen zu einer breitbandigen dominanten Überlagerung des originären Phasenrauschens durch die daraus resultierende Phasenmodulation.

Um bei einem 100-MHz-Signal ein Phasenrauschen von –160 dBc/Hz bei 1000 Hz Trägerabstand messen zu können bzw. nutzen zu können, muss die PSD des auf den Oszillator einwirkenden Körperschalls deutlich kleiner als 1∙10^–8 g²/Hz sein, was bei einer Bandbreite von 20 Hz bis 2 kHz nur ca. 0,004g rms entspricht. Diese PSD bzw. dieser integrierte Effektivwert der Beschleunigung tritt bereits in Büro- und Laborräumen auf, wenn keine besonderen Maßnahmen zur Vibrationsdämpfung unternommen werden.

Unter Verwendung von Quarzen, die auf minimale G-Sensitivity optimiert sind, lassen sich heute Quarzoszillatoren (OCXOs) bauen, deren Empfindlichkeit deutlich unter 1 ppb/g liegt. Mit komplementär gepaarten selektierten Quarzen lassen sich sogar Werte von unter 0,1 ppb/g realisieren (Bild 9).

Fazit

Um das geringe Phasenrauschen eines guten Oszillators in nicht idealer Umgebung nutzen zu können, muss auch die Vibrationsempfindlichkeit (G-Sensitivity) des Oszillators entsprechend gering sein. Das beste Phasenrauschen nutzt nichts, wenn es durch störende Umwelteinflüsse – wie schock- und vibrationsverursachte Phasenmodulation – überlagert wird. Deshalb ist es wichtig, darauf zu achten, dass die Anforderungen an das Phasenrauschen eines Oszillators einhergehen mit entsprechenden Anforderungen an die G-Sensitivity.