0 引　言

快速探测无色而剧毒的化学战剂是化学防护的重要组成部分, 声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）传感技术因体积小、灵敏度高，成为近年来毒剂气体探测的一项新技术，被广泛应用于舰船化学战剂监测等领域。SAW传感器的核心部件是SAW振荡器。SAW振荡器的频率稳定度直接影响声表面波传感器的检测下限与灵敏度，因此，对声表面波振荡器的频率稳定度进行研究对提高传感器的性能十分关键^{[1 – 2]}。SAW振荡器主要包括作为振荡器频率控制元件的SAW器件和相关的振荡电路。本文介绍SAW振荡器的工作原理，分析SAW振荡器频率稳定度的影响因素，并针对电源电压对SAW振荡器频率稳定度的影响进行分析。最后，根据研究结果提出相应的改进措施并进行测试验证。

1 SAW振荡器的基本原理

为了减小振动、温度等因素对SAW振荡器频率稳定度的影响，SAW振荡器一般采用双环路差频输出的结构，其结构框图如图1所示。由2个基本相同的SAW器件与对应的振荡电路构成两路SAW振荡回路。一路作为测试回路；另一路则作为参考基准，两路差频后作为整个振荡器的输出。该结构可最大程度上消除外围环境如温度、振动等对于振荡器频率稳定度的影响。

振荡回路产生振荡须同时满足振幅条件和相位条件，即放大器增益能补偿电路和SAW器件损耗（振幅条件）、环路相位为 $2 {\text{π}} $ 的整数倍（相位条件），具体振荡条件为：

$A > {L_p} + {L_C},{\phi _D} + {\phi _E} = 2n{\text{π}}\text{。} $

(1)

其中： $A$ 为放大器的增益； ${L_p}$ 为SAW器件的插入损耗； ${L_C}$ 为振荡环路所引起损耗； ${\phi _D}$ 为SAW器件产生的相移； ${\phi _E}$ 为振荡环路产生的相移； $n$ 为整数。

2 SAW振荡器频率稳定度影响因素分析

影响振荡器性能的因素可概括为内部因素和外界因素^[3-4]。

内部因素主要包括振荡回路的品质因数Q、SAW器件插入损耗、环路放大器和分立元件如电容、电感等的性能参数。SAW器件在振荡器中起频率选择作用，其品质因数越大，插入损耗越低，回路的频率稳定性越好。环路放大器和分立元件的性能参数对振荡器性能也有影响，如宽频带、低噪声、动态范围大、发热量小的放大电路能改善振荡器的相位噪声，使得振荡环路内的相移量在振荡频率附近变化缓慢，不容易受外部电压、温度变化的影响。

外界因素主要有以下几种：

1）温度。影响振荡器频率稳定性的温度变化包括外界环境温度的变化和设备器件自身产生的温度变化。温度变化产生的影响主要表现在改变谐振电路的电感线圈和电容器的几何尺寸以及电容的介电常数。同时，作为频控元件的SAW器件，其工作参数也容易受温度影响，引起振荡电路相位漂移，从而使得每次输出频率不一致。

2）电源电压。振荡电路有源器件的非线性特性使得其与各级电压和工作点有密切的关系。电源电压的变化必然导致振荡器工作状态的变化，从而引起振荡频率的变化，影响频率稳定性及一致性。

3）电磁干扰。外部存在的电磁场会影响振荡电路内部的电容、电感、晶体管等元器件，并激发电压和电流，破坏振荡器的平衡条件，引起频率变化。

4）机械振动。外界环境造成的机械振动也会对振荡器的频稳度造成影响。它能使振荡回路中的电感和电容发生形变，改变电感和电容值，从而影响频稳度和一致性。

本文主要分析电源电压对声表面波振荡器频率稳定度的影响，并提出改进措施。

2.1 电源电压对SAW振荡器频率稳定度的影响分析

振荡回路中的放大器在工作时，其驱动电压的变化将引起振荡电路的相位发生变化，从而影响整个振荡环路的起振点，最终影响SAW振荡器的频率稳定度。

图2给出了实验测得的频率稳定度随电压波动的变化。在图2（a）中，测试了电源电压波动时，对振荡器中期频率稳定度的影响；在图2（b）中，测试了电源电压波动时，对振荡器长期频率稳定度及一致性的影响；从结果可以看出，驱动电压变化0.2 V时，引起的振荡器输出频率的变化大于1 kHz。从这2个实验结果可以得出，电压波动对振荡器的频率稳定度影响较大，不能忽略。

3 改进措施

根据前文对SAW振荡器频率稳定度影响因素的分析，对振荡电路进行改进，主要采取以下措施：

1）选用高性能的放大器，将原电路采用的AD8009放大器更换为BGA2802。AD8009为运算放大器，对高频且损耗较大的频控元件，这类放大器易受其增益带宽的制约，影响性能；BGA2802为专用的低噪声射频放大器，更适合与高频条件的应用；

2）对放大器采用高性能的稳压电源供电，在放大器的电源设计上采用线性稳压模块，不直接使用开关模式的稳压电源。

改进后的电路板及测试实验结果如图3所示。振荡器中SAW器件采用300 MHz的两端对谐振器，当外接电源电压波动时，其对振荡器的频率输出影响基本可以忽略，即改进方案有效抑制了电源电压波动对振荡器频率稳定度的影响，达到优化目的，而且从实验结果来看，改进后的频率稳定度达到了1 ppm/4 h量级。

4 结　语

本文针对SAW振荡器频率稳定度的影响因素进行分析，并对电源电压等因素对SAW振荡器频率稳定度的影响进行实验研究。根据分析结果，提出了相应的改善措施，并应用于基于300 MHz两端对谐振器型振荡器的研制。最后，对其频率稳定度进行了测试。试验结果验证了改进措施的有效性。采取改进措施后，有效降低了电源电压波动对振荡器频率稳定度的影响，而且其频率稳定度达到了1 ppm/4 h量级。