近来国外时频测控技术的发展

周渭

西安电子科技大学2006.08近年来时频测控技术的发展当前1页，总共73页。摘要

由于时间与频率量在所有的物理量中是准确度和稳定度最高的，所以它们的发展不但在计量技术中，而且在几乎整个高科技领域都起着举足轻重的作用。这方面的发展一直受到各发达国家的高度重视。本文根据我们近年来和国外同行的直接交流和参加国际会议，从各方面介绍了国际上的时频测控技术的发展、影响和作用等。当前2页，总共73页。主要内容1.概述时频计量2.时频基标准器的发展3.频率源的广泛应用4.时间频率的测量和比对技术5.基于频率信号的信号传感技术6.频率信号的合成及变换技术7.新的材料、器件及其发展8.结论当前3页，总共73页。1、概述传统的时频计量主要是以其标准的建立、测量比对和量值传递为主的。但是由于时间频率量的重要地位和作用，它也表现在科学技术的广泛领域中的作用和联系，本身涵盖的内容越来越广泛，不仅精度越来越高而且应用的市场也越来越大，同时与不同的学科和领域的联系也越来越密切。时频测控领域包括了时间频率的基标准器、各种频率源、时频信号的测量比对与传输、时间频率信号的处理技术、与频率量相关的传感器及材料、频率的合成与变换、与GPS相关的系列技术、以及其它基于时间频率量的应用技术等。与时频测控技术紧密联系的领域有通讯、导航、空间科学、仪器仪表、材料科学、计量技术、电子技术、天文、物理学、甚至生物化学等。

当前4页，总共73页。因为频率和时间测控技术研究的广泛性和重要作用，国际交流也是很频繁的。目前这方面很重要的国际会议有，美国的IEEE国际频率控制年会（IEEEFCS）、欧洲的频率与时间研讨会（EFTF）和精密时间和时间间隔应用与规划会议（PTTI）等。有的会议上不但广泛地进行了时频测控领域各个方面的学术交流，在会议上还开办了关于本领域最新技术发展的讲座，而且与会议同步进行的展览会也向会议的参加者展示了近年来所发展起来的各种仪器设备、频率控制器件与产品、新的材料和加工设备等。当前5页，总共73页。IEEE国际频率控制年会被认为是国际上频率和时间测控技术领域水平最高、规模最大的国际会议。参加会议的代表常常有数百人，会议录用论文也有200篇左右。频率控制与超声和铁电体共同组成了IEEE的一个UFFC学会，即IEEE超声、铁电体与频率控制学会。这个会议就是由IEEE的UFFC学会发起的。开会时间一般在每年的5月底、6月初。分别在美国的不同城市召开。近年来IEEE国际频率控制年会也常常采取和同类型的专业会议联合召开的方法。如分别和欧洲的频率与时间研讨会以及精密时间和时间间隔应用与规划会议合办。会议论文采用了报告宣读（Oral）的方式和墙展展出的方式（Post）。会议的分组和分专业征文往往是根据频率和时间测控技术领域最新的技术发展趋势来决定的。这里既包括了最传统的晶体以及振荡器、压电材料、测量比对技术、频率变换与合成、原子频率标准的技术发展，也包括了频率和时间应用领域的新近发展，如声表面波振荡器和滤波器、微波振荡器、光频标、GPS和GLONASS系统、晶体传感器、光振荡器、空间钟、信号处理技术等。由于会议的影响，能够吸引该领域许多在重要研究工作背景下高质量的论文。当前6页，总共73页。会议讲座在会议上进行专题讲座活动是IEEEUFFC专业学术会议的一贯做法。通过讲座的内容，也便于我们掌握国外认可的本学科发展方向和动态。会议的讲座常常包含了以下几方面的内容，如相位噪声测量技术、时间和频率传输、石英晶体标准、被动型原子频率标准、作为物理和生物传感器的谐振式压电装置、对于频率和时间参考的微机电系统、声表面波传感器、光频测量与合成等。当前7页，总共73页。学生论文竞赛近年来，在IEEE的频率控制年会上也开始举办由IEEEUFFC学会组织的学生论文竞赛。这是按照会议的内容进行分组的，包括第一组材料；第二组谐振器与振荡器；第三组授时、原子钟与光频标；第四组传感器与变换器；第五组生产和实验技术。从这样的竞赛中我们发现，近几年来美国越来越多的著名大学把自己的研究方向调整到和时频测控相关的方面来。这样的学校有麻省理工学院、普林斯顿大学、科罗拉多大学、JPL实验室等。这也说明了国际学术界越来越关注时频测控领域的研究和发展以及这方面成果的应用。

当前8页，总共73页。以原子频标为例，由于大量院校的参加研究所以许多全新的技术，如超小型的CPT钟、全光频标等的技术进展很快，而且这方面的论文作为科研成果的体现大量参加到学生竞赛中。这就使得学生竞赛的水平很高。我国的院校经过几年的努力后，今年西安电子科技大学周晖的论文“一种基于长度游标法的时间和频率测量技术”竞争进入了IEEEUFFC的原子钟与光频标的学生论文竞赛的决赛。而同时进入这项决赛的还有美国的麻省理工学院、普林斯顿大学和科罗拉多大学。这说明了我国在这一领域还有某些研究内容在国际上处理相对领先的位置。

当前9页，总共73页。当前10页，总共73页。当前11页，总共73页。会议上的展览会多年来IEEE的频率控制年会上一直同步进行着展览会。许多国家的频标、检测仪器、晶体和传感器的生产设备制造厂、材料生产企业等都把他们的产品等带到展览会上展出。这也给参加会议的代表提供了了解本领域技术的实际进展以及相应的设备的信息。在原子频标方面，可以明显地看出国外在精度、可靠性、体积、对于环境的适应性等方面对于我国技术的领先性。同时也反映了国外本领域技术的全面发展状况。我们也全面了解了国外原子频标以及其他研究的通性，这便于我们在进行多方面的开发是能够有所借鉴。

当前12页，总共73页。我们在本领域的工作1、院校的工作、学科专业的划分（国外专业宽-EE、物理等），从事这方面工作的院校多；2、与国外院校交流的反映；3、纯本方面的计量相关的工作（比相器、一级频标比对器）；4、与通讯工作的交叉（高分辨率频率计、晶体振荡器）；5、进一步的努力方向国内动态及存在问题当前13页，总共73页。当前14页，总共73页。当前15页，总共73页。当前16页，总共73页。当前17页，总共73页。当前18页，总共73页。当前19页，总共73页。当前20页，总共73页。当前21页，总共73页。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

当前22页，总共73页。2、时频基标准器的发展

从频率的准确度来看，各种原子频标是时频基标准器的主体。而石英晶体频标由于其优良的短期频率稳定度而常常成为频率的短期稳定度标准器。近年来光频标也成了一个新的研究热点。围绕着频率基标准器精度的提高，作为其基础的、对一系列物理现象的研究所获得的成果在国际上引起了轰动。当前23页，总共73页。近10多年来，有四项与此相关的成果获得了诺贝尔物理奖。1.1989年Dehmelt等人的离子阱和Remsey的分离场技术2.1993年Taylor的脉冲星稳定周期3.1997年朱隶文等人的激光冷却和捕陷原子4.2001年美国科学家的玻色–爱因斯坦凝聚5、2005年光频标当前24页，总共73页。目前原子频率标准器还是以铯、氢、铷原子频标为主。这些基标准器不但被用于实验室，而且还被大量用于卫星上及许多使用场合，发挥着更广泛的作用。激光冷却的铯原子频率标准是近年来不少国家所致力发展的。目前报道的激光冷却的铯喷泉原子钟的准确度可以达到；而进一步的努力目标是到，这可以由空间钟的方式获得。目前德国的PTB所完成的铯原子喷泉频率标准CSF1的不确定度可以达到，典型的相对频率不稳定度为。通过三种频率传送技术，NIST和PTB之间进行了远距离的比对。这些技术是，双向卫星时间频率传输（TWSTFT）、GPS载波相位和GPS共视。保守的估计指出，TWSTFT和载波相位技术在频率传输环节中给出的不确定度，而GPS共视环节中的不确定度量级为。

当前25页，总共73页。为了获得高的稳定度，国外一些研究机构也致力于激光冷却的铷原子频率标准的研究。在铷喷泉钟中，其冷碰撞的频率漂移至少比铯钟小30倍。小的碰撞漂移就允许铷钟工作在更高的密度下，因此有更小的投射噪音。光频率标准是时频标准发展的另一个方向。光频标是利用光频谱线作为参考标准的。由NIST完成的2个全光钟，一个是基于在一个单的陷阱在的282纳米的-四极跃迁；而另一个使用了在激光冷却的原子的集合的657纳米的-跃迁。这些装置利用了一个由cw模锁定的激光和一个微结构的光纤而产生的自参考频率梳而相位相干地提供一个直接来自于光钟跃迁的射频输出。当前26页，总共73页。这些装置已经被用来测量NIST认可的SI秒的绝对跃迁频率。频率是：Hg=1,064,721,609,899,140Hz，而Ca=455,986,240,494,158Hz。这些测量的短期稳定度是由本地时间刻度的稳定度所控制的。相互测量时，可以获得的短期稳定度，这是受到预置的Ca标准和开路的130米光纤连接到标准的限制。单离子Hg标准的理论上的稳定度是。目前，Ca标准中的相对不确定度是大约受剩余一次多普勒影响所限制的。在Hg标准中限制的系统误差是一个未校正的四极漂移，这在球形的Paul陷阱中可望为。由于光频信号比微波波段高大约5个数量级，而谱线宽度又可以压缩到与微波波段的原子谱线相当，因此光频段的原子谱线有极高的Q值。从光频标中潜在能够获得的频率准确度可望达到量级。当前27页，总共73页。光频标的发展仍然是各个发达国家所关注的对象，美国JPL实验室报道了他们完成的单片全光钟，标志着光频标有可能在不久将会进入实用阶段。我们也同时注意到了在光频标的发展中对于稳频光源、光频测量技术还具有更广泛的技术交叉性和借鉴性。关于光频测量技术近年来有明显的创新和进步。传统的借助于降频变换的频率链处理光频测量的方法早已让位于基于微波锁模的光频梳的方法（2005年度的IEEERabi奖就在当年的频率控制年会上授给了开发这项技术的德国科学家，而随后他又获得了当年的诺贝尔物理奖）。从应用的推广需求出发，利用频率信号之间相互周期及其相位差变化的规律性进行光频测量应该是本领域进一步发展的途径之一。当前28页，总共73页。另外，应用型的原子频率标准也进一步向着小型化发展。这对于军事、工程应用等提供了更便捷的手段。美国的微型原子频率标准做到了物理部分仅仅有9.5立方毫米的大小，75毫瓦功耗，其秒级频率稳定度为3*10^-10。可以想象，这种小尺寸的原子频率标准对于频标的大量推广，尤其是在军事中的应用具有很重要的价值。这也预示着高科技的频标技术将会渗透到国民经济的更多行业中去。当前29页，总共73页。随着科学技术、军事需求、工业生产等方面的发展，对原子频率标准的需求越来越多。所以原子频标的发展不仅仅表现在高精度方面，而且还注重了小型化、低价格、更广泛的普及率等。通过与参加会议的美国DATUM的技术、管理人员的交流，他们生产的商用型铷原子频标在保证高精度的情况下，价格已经接近于1000美元。这只相当于国产同类设备价格的一半左右，而且有更小的体积。这反映了在高技术的领域，国外更注重了多方面竞争力的发展。这也同时说明了在价格竞争中技术进步的作用。当前30页，总共73页。

石英晶体频标在所有的频率标准中是价格最低的，其最突出的特点是具有比许多原子频标更好的短期频率稳定度和相位噪声指标，但是由于老化现象的存在，其长期指标比原子频标明显差一些，需要定期校准。BVA型的精密晶体更由于其最优良的老化和稳定度指标而成为晶体频标的稳频器件。目前，采用这种精密晶体的OCXO最高的频率稳定度指标可以达到/秒，而老化率指标进入了/日量级，个别振荡器还能够达到日的老化率指标。有的国外公司还声称，在许多场合下，他们的超稳定的精密晶体振荡器能够替代铷原子频标。当前31页，总共73页。3、频率源的广泛应用

精密频率源包括了各种原子频标、石英晶体振荡器、声表面波振荡器、体波振荡器、微波振荡器等。由于通讯业的发展对频率源的需求和精密导航定位对参考时间依赖，原子频标早已不是只在实验室内应用。作为程控交换设备的一级钟的铷原子频标的价格和体积都逐渐接近了高稳定度晶体振荡器。星载的铯和铷原子钟在卫星导航、定位系统中起着心脏的作用。此外，目前市场用量最大的是各种石英晶体振荡器。据国外有关市场调查研究机构的分析，石英晶体谐振器和振荡器的市场需求量一般是每过4到5年翻一番的。如从1999年到2004年石英晶体谐振器和振荡器的市场需求量将分别由产值13.2亿和24.7亿美元发展到27.7亿和52.6亿美元。由此可见频率源所具有的巨大市场。只是近年来受到通讯业等方面市场状况的跌落等因素的影响，国内外晶体及其振荡器行业出现了一个30%左右的与市场对应的产值上的下降（最明显地表现在2002年的中、下旬）。但是，作为各种高精度通讯及信息传递设备的核心器件，其潜在的发展前景还是稳定增长的，只是其价格会进一步下降。GPS的各种应用技术和装置的发展，各类加工业、机电产品生产技术、新型家电等对信息技术的联系和依赖也将为晶体和振荡器提供更加广泛的市场。

当前32页，总共73页。石英晶体振荡器的广泛应用主要是由于以通讯业为主的IT行业、仪器仪表、计算机、导航、军工行业的市场需求。目前用量最大的有时钟振荡器、温度补偿晶体振荡器TCXO、恒温晶体振荡器OCXO等。其中以恒温晶体振荡器的精度最高，温度补偿晶体振荡器能在更宽的温度范围内给出高的频率–温度稳定度。但是近年来随着室外基站对高精度振荡器的大量需求，能够在诸如-55到+85度工作并且具有优良的频率–温度稳定度的OCXO已经大量在市场上应用。国外双层控温的晶体振荡器可以实现-20℃到+70℃范围内的频率–温度稳定度。

当前33页，总共73页。

对于频率源的技术指标要求，不仅仅表现在精度方面，还表现在信号的频率范围、频率源工作的温度、加速度等环境条件、尺寸、功率消耗等。为了适应市场，尤其是移动通讯和手机市场的要求，不少国家相继推出了全集成化的温度补偿晶体振荡器。它把除晶体之外的所有线路全部集成在一个集成线路之中。TCXO的生产包含了对含有存储器部分的数据写入，并且表现出了宽温度范围内较高的补偿精度。生产和生产准备过程较之传统的以电阻和热敏电阻网络为补偿线路的模式大大简化，已经对传统的TCXO进行挑战和构成了威胁。在这种全集成化的TCXO中没有热敏电阻，而是采用了半导体PN结作为温度传感器并且通过由运算放大器组构成的三次函数电压发生器来与被补偿的晶体振荡器的补偿电压–温度特性相拟合来达到温度补偿的目的。这样的基本线路结构更便于集成后保证小的体积。由于采用了这样的补偿方式，对于TCXO的开发实验过程也被简化。对于未补偿的振荡器的温度特性实验，只要在其全温度范围内均匀地实验5个温度点的数据，其中2个点是在温度的最高和最低处，就可以了。封装好的振荡器外形尺寸最小可以达到，同时也可以采用线路的片芯进行灵活和更小尺寸的封装。

当前34页，总共73页。微机补偿晶体振荡器（MCXO）在所有的温度补偿型晶体振荡器中仍然是补偿精度最高的。目前，以SC切晶体的双模振荡器为基础的这种类型的温度补偿晶体振荡器在-55到+85度的温度范围内可以获得的频率–温度稳定度。如果采用软件补偿的方法用于测量目的，还可以获得更高的补偿精度。

当前35页，总共73页。

与国内相比，国外在各种振荡器设计和生产方面和我们的最大区别在于，许多外国的公司和院校都注重了振荡器设计的专用软件的应用和开发。而我国主要借助于技术人员的实验和经验的积累。美国、日本相应的晶体振荡器设计软件，如CODA和专用SPICE，对控温装置热设计的专用软件等通过把更丰富的团体知识和经验的积累软件化来指导设计取得了更好的效果。采用了振荡器设计的专用软件，首先要作的是把对振荡器的频率及性能要求以参数的形式输入相应的计算机，通过人机对话和软件运行由计算机来选择对应的线路和线路参数。随着软件的进一步丰富，振荡器的结构等也可以被方便的设计，而且一些更特殊的要求也可以被满足和改进。对于要求不高的OCXO，常常通过一次软件处理就可以完成设计任务（日）。这样，晶体和关键线路器件的制作完全可以在计算机软件设计以后进行，节省了时间和费用。而借助于实验和经验的设计方法则需要消耗更多的时间和器件，已经不能适应用户对晶体振荡器在指标、品种、数量和供货期等方面的更高要求了。

当前36页，总共73页。5、

MEMS用作时间和频率的参考源

近年来一些科技发达国家在频率控制领域相继开发了微机电（或称为微电机）系统原理的频率控制器件的研究与开发，对于这方面的传统器件构成很大的威胁。这样的装置是由微机械技术构成的，至少通过MEMS装置的信号流是能够用机械量来更好地描述，如位移、速度、加速度、温度、流量等。这表现在这些量可以作为MEMS装置的输入、控制和输出量等。MEMS装置的其他共同的特性在于，以微米量级的特征尺寸；传感和激励的合并计算以改变我们感知和控制物理世界的方法；常常习惯用于生产的平板印刷技术能够使用同样的生产设备于集成电路的情况的需要，然而某些制作步骤超过了传统的IC处理的情况。

当前37页，总共73页。其生产步骤和平面IC的处理兼容。随着MEMS技术的发展，许多原来靠电路才能完成的与频率信号处理相关的工作可以通过微机械的振动谐振器模式的器件来完成。这样不但能够得到更高的Q值而且大大减小了设备的体积。同时，原来在相应装置中使用的开关器件也可以被省略。微机械的振动谐振器已经有不同的品种被研究和开发出来。在MEMS的制造工艺中特别注意到了热稳定度、老化率的稳定度、制造公差、高的阻抗、包装、功率处理、集成化问题等。当前38页，总共73页。这里不但结合了集成电路的生产工艺，而且还和传感器的原理结合在一起。目前MEMS器件的成功应用除了谐振器外，还有在滤波器方面的成绩。它们在特定的频率下的高的Q值、小体积、低功耗等方面体现出对于传统器件的优越性。例如，在手机中可以作为前置选频滤波器，工作在GHz范围可以有更高的Q值以及使用更简单的检波电路。

当前39页，总共73页。有了MEMS技术的加入，也有可能做成片式级别的原子频标。其总的尺寸9.5mm3、稳定度2.4*10^-10/s、功耗75mW。

当前40页，总共73页。4、时间频率的测量和比对技术

时间频率量的测量和比对在时频测控的技术领域中具有很重要的地位。随着频率基标准器的准确度和稳定度的不断提高，也对相应的测量比对技术提出了更高的要求。没有与频标技术的提高相匹配的测量技术，目前的的频率稳定度指标和为了检测频率基准所要求的以上的准确度测量的分辨率就无从实现。现代通讯、仪器仪表、导航、空间技术和电子技术则需要频率测量覆盖的范围宽，响应时间快。时频测量技术发展是和频率源精度的提高和应用面的扩大而同步进行的。其中不但包括了精密频率信号之间的比对，而且也包括了宽频率范围的从几乎直流、射频、微波甚至到光频的测量。

当前41页，总共73页。对于频率源的准确度及长期指标的比对，使用最多的是相位比对的方法。而在其稳定度的时畴比对中，许多传统的比对方案还在使用，如频差倍增、双混频时差法等，但是设备的工艺和线路设计有所改进。对频率源的相位噪声的频畴测量中，松锁相回路法和紧锁相回路法也还没有失去其在精度上的先进性。当前42页，总共73页。按照各种不同的频率测量方法的比较，直接计数的方法具有简单的结构和很宽的频率测量范围，但是由于存在着1个数的计数误差，测量精度是不高的。针对这个误差的技术改进，模拟内插、游标法、宽带相位重合检测以及借助于短时间间隔电容充电与高速A/D转换的测量方法都是现行被广泛应用的技术。这些方法主要是针对宽频率范围的频率测量而应用的。其中，设计优良的仪器在宽频率范围内的测量分辨率能够达到。在频标比对中，相位比对法、拍频法和双混频器时差测量的方法都具有高的比对精度，但是它们的测量范围全都很窄。其中，相位比对法常常被用于频标准确度和长期指标的比对，但是也很有希望被用于短期稳定度指标的测量。后两种比对方法主要用于短期稳定度的比对。从比对精度来看，相位比对法与其它方法结合能够在一天或更长的比对时间内实现的比对精度，而在短稳比对方面，拍频法、双混频器时差法以及以频差倍增为基础的方法都有可能获得优于的测量分辨率。进一步提高频标比对精度的途径应该在相位比对处理技术和低噪声的频率变换器件方面下功夫。在这个基础上所实现的HP/TSC55700测量系统的噪声底面在10秒取样时间的修改的Allan方差可以为小系数的，而在10000秒的情况下会优于。当前43页，总共73页。值得注意的是，近年来由于光频标的发展对于光频等特高频率的测量技术也取得了不断的进步。其结果将会借助于特高频率的稳定频率源，或者以其为中介源进一步提高工作在射频段的常用频标信号之间的比对精度。当前44页，总共73页。近年来国内外不断发展着相位噪声测量技术以及相位噪声指标的提高技术。尤其在国内，这方面的应用需求越来越普遍。会议上也介绍了直接数字相位噪声测量。这个新的相位噪声测量途径使用了快速的数-模之间的转换器来数字化输入射频信号并且通过数字信号处理完成全部下转换和相位检测功能。它有几方面明显优于模拟相位噪声测量技术的优点：如没有外部的锁相回路、振荡器能够在不同的频率下比较、可以同时测量幅度和相位噪声、可以同时计算噪声谱和阿伦方差、也取消了复杂的计算技术。

当前45页，总共73页。已经建立起一个耦合到PCI-X服务器的典型相位检测器以收集数据。使用Matlab来完成数据分析使得我们决定ADC的宽带噪声本底和闪跃噪声。硬件工作在1到30MHz的输入范围内。实现了来自ADC电路的大概-150dBc/Hz的连续宽带噪声电平和从5MHz的1Hz频率补偿下的-145dBc/Hz的闪跃电平。ADC的量化噪声总是小于电路噪声。使用了交叉关联已经完成了在1Hz下-155dBc/Hz的5MHz的噪声本底以及-170dBc/Hz的宽带。用这种技术构成实际的仪器还需要完成一些技术上的细节工作。

当前46页，总共73页。近年来时间和频率测量技术的更高指标的发展要求是从航空、航天以及基础科学技术的发展而提出的。GPS定位技术的发展要求精度从米的量级发展到厘米量级；而在GRACE(GravityRecoveryandClimateExperiment)卫星系统中，配置的KBR(K-BandRanging)系统用于低-低星间跟踪链路。系统的精确测量空间两个卫星之间的距离以及距离的变化，其设计的测距精度为10微米。上述精度根据时间–空间的关系可以推算出的时间或者相位测量分辨率分别为3.3ns、33ps、0.033ps。当前47页，总共73页。要实现微米量级的测距精度需要极高分辨率的频率估计技术和相位积分估计技术，要采用数字化的精密跟踪技术、锁相技术和相位差测量技术等。这里不但有技术问题需要解决，而且还牵扯到一些基本的概念和理论问题。两颗GRACE卫星在相距220公里的情况下达到10微米的测距精度，并且涉及到的测距精度为1微米/秒，这不但标志着在太空环境下需要5*10^-11的长度测量精度，而且从时-空关系上看，对于星上频率标准的频率稳定度、相位比对设备的测量分辨率等都提出了超乎寻常的指标要求。这里所使用的有效技术是在微波情况下的载波相位精确比对技术。其实施方框图如图所示。当前48页，总共73页。当前49页，总共73页。这个方法的实现也为我们在射频情况下的频标比对提供了发展的思路。也就是尽可能的利用特高频率信号作为中介源，进行时间或者频率测量。

当前50页，总共73页。5、基于频率信号的信号传感技术

在测量和仪器技术领域，传感器技术是最受关注的研究内容之一。而谐振式的物理与化学传感器则是近年来频率控制工作的一个重要发展方向。美国的IEEE国际频率控制年会近年来专门把谐振式的物理和化学传感器与转换器列为会议中的一个重要的部分。在几乎目前所有的电子元器件中，石英晶体谐振器是稳定性和精度最高的。所以，一方面利用了它们稳定的一面可以构成稳定的时钟和频率源；而另一方面，则可以利用它们对某些外界影响，如温度、压力、振动和加速度等的敏感性来构成不同高精度的传感器。所以传感功能是晶体谐振器和声面波器件除稳频功能以外的第二大用途。同时，与这种传感器所配合的测量和控制装置也具有通常频率测量和处理装置相似的方式。这样的传感器可以通过晶体和声表面波器件的压电特性把被测量直接转换成频率、时间等很容易数字化的量值，很便于处理而且精度和传感的灵敏度也很高。如在特定介质中的颗粒的检测中的灵敏度可以达到。这方面的传感器已经广泛用于温度、湿度、力值、加速度、转矩、角速度、振动、空气与水或其它介质中的颗粒、气体和液体混合物、可卡因等药品的微量以及生物化学分析中的测量等。

当前51页，总共73页。这类传感器的测量对象很广泛、而且检测的分辨率高，是国际上近年来传感器和测量技术发展的方向之一。这方面的代表技术有用于多水环境监测的高灵敏度引导型SH-SAW化学传感器的设计。使用了在LiTaO3上的双延迟线几何图形设计了引导型SH-SAW传感器。用来校正环境条件如温度起伏的变化的参考线用聚合物波导层来镀敷。传感线或者用功能象波导层与化学传感层的聚合物来镀敷或者在特殊的化学传感层下面镀敷聚合物波导层。实验测量表明，在传感线上对于给定的聚合物总的厚度3层模式提供了比4层模式更高的灵敏度。然而实验证明了4层模式噪声低、更稳定。理论和实验方面的大量工作对于进一步传感器的发展提供了有用的基础。

当前52页，总共73页。6、频率信号的合成及变换技术

频率信号的合成及变换不仅大大扩展了精密频率信号的应用，而且也使得频率的测量和控制能够更灵活的进行。频率合成是在一个或多个参考频率源的基础上产生所要求的输出频率信号。最常用的频率合成方法有直接模拟合成方法、间接合成方法和直接数字合成（DDS）。高精度的DDS一直是近年来研究开发的重点。它被用于广泛用途的测量设备、任意波形合成器、频率与相位调制以及精密的可调时钟产生器等。

当前53页，总共73页。基于DDS系统的主要优点是快速频率转换的同步实现和高的频率分辨率。但是这方面的传统技术也表现出较高的功耗和较低的工作频率等缺点。通常，合成器的时钟频率要受到ROM的存取时间的限制。因此，对DDS中时钟信号的相位进行处理是这方面的专业人员所能够意识到的改善途径（）。国外已经发展了带有插入方式的DDS结构，对DDS的性能可以起到改进作用。在这个结构中使用了一个可控制的延迟发生器可以实现时钟周期的相位插入。这里既没有用ROM，也没有用D/A转换器。相位累加器MSB输出的平均频率就由相位增量步进（频率控制字）来建立，但是它的脉冲宽度周期性地变化以至于其中包括了高的寄生成分。但如果使用数字-时间转换器(DTC)来把每个上升和下降沿延迟一个合适的量，所有的脉冲就有相同的宽度。这样就实现了提高时钟频率的相同效果。输出寄生信号的电平取决于延迟发生器的分辨率。通过用CMOS技术设计的新颖的DTC结构，实现了120MHz时钟以及256级DDS的时钟周期的插入。此时，引入的延迟由8位的字控制，并且具有大约32ps的分辨率；也就是时钟频率实质上被增加到等效30.72GHz。延迟的产生是采用了基于分路电容器延迟单元的两级全数字延迟线。每个单元的延迟是由二进制加权的数字字控制的。第一步是一个典型的32级数字相位插入并且存在于锁定在系统钟的延迟锁定延迟线的32抽头选一的，第二步是一个新颖的结构，其允许一个进一步的具有好的线性和可靠性的延迟的8级插入。当前54页，总共73页。它由一个单级的延迟单元构成，其负载能够被设置在8个不同的增量结构中。由这个单元在第一和最后结构中引入的延迟的差别要通过一个负反馈回路保持等于主延迟线单元的延迟，这就需要两个进一步的延迟单元并通过插入或者除去8个负载电容器组可靠地对环境及处理变化进行补偿。一个3位的数字输入控制了每组中电容器的组成，这就完成了进一步的8级相位插入。最终，只使用了35个延迟单元就得到了全部256级插入。当前55页，总共73页。降低功耗是DDS设计中另一个需要努力改进的问题。这也往往和集成电路的设计结合在一起。如使用0.18mm的CMOS技术，实现了0.1mW/MHz的功率消耗。系统复杂程度减小，而且功耗减小了相当于其它设计的80%。这里使用了线性段的正弦曲线函数近似的途径。线段的斜率被限制到一个小的数值以带给它们好的硬件实现。所跟随的原创的搜寻技术可以优化线段参数的选择以把综合器的谱纯度提到最大。结果把系统的复杂程度和其它有相同谱纯度输出途径相比较有一个数量级的减小。当前56页，总共73页。7、新的材料、器件及其发展

在频率控制方面，对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发展晶体材料和相应的谐振器、声表面波器件和材料、体波器件和材料等。它们是实用频率控制器件及标准器构成的重要基础。当前57页，总共73页。晶体谐振器是晶体振荡器的核心，也是最受关注的频率控制器件。作为精密晶体谐振器，国外成熟、而国内逐渐关注的技术是，金属冷压焊真空封装的精密晶体的生产工艺。它较之国内传统的玻璃壳封装的精密晶体在外形尺寸、机械可靠性、性能的一致性等方面具有明显的优点。冷压焊晶体在封装时并没有使用任何焊料。而是采用了高压密封技术把晶体的壳和座冲压密封在一起。可以最大限度地杜绝污染并且不在封装过程中产生高温使得频率对时间的变化减到最小。这是它优于电阻焊的理由。冷压焊晶体全部采用了抽真空封装，因此对保证晶体的性能长期稳定和好的老化率非常有利。其壳和座都采用了密封特性很好的特殊材料，能够保证晶体片工作在高真空状态。目前冷压焊精密晶体还注重了高基频、高冲击、低相位噪音、低G灵敏度、低老化和承受高的激励电平能力。基于SC切的晶体谐振器一直被认为是高性能的晶体，是应该进一步发展的技术和产品。降低造价和提高性能是目前国外致力进行的工作。

当前58页，总共73页。由于加工工艺的逐渐进步，也为了适应超高频率的VCXO的需求，晶体片可以被作的特别薄。620MHzAT切的高基频晶体谐振器已经被研制完成。它采用了翻转的台面晶体片，其厚度大概是，使用了独特的磁控管等离子干刻蚀处理方法来完成超薄晶体片的加工。620MHz高基频晶体做成的VCXO中不会含有由倍频线路所产生的分谐波噪声的影响，而且体积也更小。

当前59页，总共73页。对于材料特性的基础研究一直是许多研究机构不断进行的工作。这方面的探索有利于基本的频率控制器件如晶体、晶体振荡器以及声表面波器件的性能提高等具有很重要的作用。台湾的学者进行了晶体的频率-温度特性随着各种切角以及金属电极的厚度的变化研究。声表面波器件SAW工作在几百MHz到几GHz的频率范围内，它们表现出优良的温度特性和高的质量因数，并且比起泛音晶体谐振器具有低的抖动和相位噪声。

当前60页，总共73页。对于振荡线路，频率温度系数和零温度系数点是两个关键参数。它们主要取决于SAW谐振器的温度性能。总的来说，SAW谐振器的频率-温度系数和零温度系数点取决于基底的切角、波的传播方向和金属电极的厚度。因此，重要的是选择水晶材料，它以不同的金属电极厚度得到SAW谐振器的合适温度性能。在实际的SAW谐振器的设计中，为了获得优良的温度性能常常使用不同于ST-X切的基底并且电极的金属厚度超过2%以产生好的反射。基底水晶材料也通过实验的方法优选。实验结果表明，当基底的切角或金属电机厚度增加时频率温度系数和零温度系数点线性的减小。

当前61页，总共73页。为了适应对频率源越来越高的频率和更小体积的要求，高性能的声表面波器件SAW和体波器件也是近年来国外发展的重点之一。目前典型的SAW器件电参数如下表所示。其典型的外形封装有冷压焊TO-8封装的SAW谐振器，还有75mm的SMD封装的小型SAW滤波器。

当前62页，总共73页。参数谐振器延迟线谐振/中心频率100MHz~1GHz100MHz~2GHz电调范围10ppm~100ppm200ppm~2000ppm插入损耗3dB~12dB16dB~24dB群时延80μsec~0.8μsec2μsec~0.2μsec等效加载Q值25000~2500

当前63页，总共73页。频率控制领域的生产技术也是会议的热点之一。其中，代表当今国际先进水平的有德国的精密晶体片的角度测量设备的技术和日本超高基频晶体的超薄晶体片的加工技术。我国在这方面已经跻身于国际上的晶体和振荡器的生产数量和用户大国之列。这点在会议上的其他国家大会发言的内容已经可以充分地反映出来了。也就是经过多年的努力从晶体和振荡器的生产数量来看，仅次于日本而排在了全球第二位。但是从产品的档次、技术水平和技术特点来看，我们并不处于国际上的全面先进的水平。国外的发展信息和不断发展的技术对于我国都是很有借鉴作用的。我国在这方面的多项自有知识产权的技术通过会议向国外介绍后也被广泛认为是具有创新内容的先进技术

当前64页，总共73页。8、时间频率信号的传输

许多重要的和精密的信息传递手段都可以用来进行时间和频率信号的传输。高精度传输的参考时间信号是官方的国际时间，协调世界时UTC；高精度传输的参考频率(时间间隔)信号是国际原子时TAI。它们都是由国际度量局BIPM产生的。现在常用的远距离时间和频率的传输方法是，单向法、共视法和双向法三种。所采用的服务手段有，英特网、电话线、地面设站的无线电广播、以全球定位星系统(GPS)为代表的卫星传输等。国际上推荐的传输精度最高的方法是双向卫星时间和频率传输方法（TWSTFT）。这种方法更复杂并且具有高的实施成本。它需要专门的发射和接收设备，必须安排和支付卫星的时间，比用GPS进行校准的难度更大。但是它能比GPS共视法获得更好的比对效果。电离层和比对者的位置对这种方法的影响要远远小于其它方法。它能获得1到5ns的时间传递精度，时间稳定度能从0.1到2ns，1天的比对能够保证到的频率传递精度。下表给出了不同传输方法的时间、频率传递精度，时间稳定度和方法的特点等。

当前65页，总共73页。类型时间精度英特网50ms–1s电话线ACTS5ms–1s高频无线电2–200ms低频无线电WWVB0.5–20ms低频无线电LORAN1GPS单向（无SA）10–40nsGPSCV1–10nsTWSTFT1–5nsGPS载波相位-频率精度（24小时）注释方便慢于英特网用户少用户产品最好的低频最简单的GPS最好的GPS0.1-1昂贵的不能提供时间时间稳定度20ms2-200ms2ms110