Schlüsseltechnologien zur Realisierung von ultra-low Phasenrauschen in OCXOs

Ofengesteuerte Quarzoszillatoren (OCXO) nehmen im Bereich der Präzisionszeitgebung eine unersetzliche Stellung ein. Ihre außergewöhnliche Leistung resultiert aus der systematischen Kontrolle des Phasenrauschens. Um dieses Ziel zu erreichen, ist eine umfassende Optimierung erforderlich, die von der Materialauswahl über den Schaltungsentwurf bis hin zur Umgebungskontrolle reicht. Im Folgenden werden sechs Schlüsseltechnologien zur Erzielung von ultra-low Phasenrauschen dargestellt.

 

Kerntechnische Elemente:

 

1.  Präzise Temperaturregelung

    Durch eine doppelschichtige Ofenstruktur wird die Kristalltemperatur auf ihrem Wendepunkt (typischerweise 75–85 °C) stabilisiert, wodurch der Einfluss von Umgebungstemperaturschwankungen auf weniger als 1/100 des ursprünglichen Werts reduziert wird. Dieser präzise Temperaturregelmechanismus unterbindet wirksam die Entstehung von wärmebedingtem Phasenrauschen.

 

2.  Optimierung der Kristallmaterialien

    Der Einsatz von spannungsentlasteten SC-cut-Kristallen anstelle traditioneller AT-cut-Kristalle, kombiniert mit Ionenätzverfahren, steigert den intrinsischen Q-Faktor des Kristalls um über 30 %. Diese Verbesserung senkt das 1/f-Rauschgrundrauschen direkt um 6–8 dB.

 

3.  Innovation der Schaltungsarchitektur

    Durch eine Common-Base-Oszillatorschaltungstopologie in Kombination mit rauscharmen JFET-Bauelementen wird der Beitrag des Versorgungsrauschens effektiv auf unter -170 dBc/Hz unterdrückt. Eine symmetrische Differenzialschaltungsanlage unterdrückt zudem die Einschleppung von Gleichtaktrauschen weiter.

 

4.  Sorgfältiges mechanisches Design

    Ein mehrstufiges Schwingungsisolations-Montagesystem in Kombination mit einer mittels Finite-Elemente-Analyse optimierten Gehäusestruktur reduziert die Empfindlichkeit des OCXO gegenüber externen mechanischen Vibrationen um 20 dB. Dieses Design ist besonders geeignet für hochvibrationsreiche Umgebungen wie in der Luft- und Raumfahrt oder automotive Anwendungen.

 

5.  Stabilisierung der Stromversorgung

    Eine dreistufige Spannungsregelarchitektur ist integriert: Vorregelung, Linearregler und aktive Filterung, wodurch die Störunterdrückung der Stromversorgung (PSRR) auf 80 dB verbessert wird. Gleichzeitig unterdrückt eine eigenentwickelte AM-PM-Umwandlungskompensationstechnik effektiv phasenstörungen, die durch Versorgungsschwankungen verursacht werden.

 

6.  Optimierung des Ausgangssignals

    In der Ausgangsstufe ist ein einstellbarer Bandsperrfilter integriert, der eine Unterdrückung von über 40 dB für die 2. und 3. Harmonische bietet. Ein adaptives Impedanzanpassungsnetzwerk gewährleistet die Reinheit des Ausgangssignals über den gesamten Betriebstemperaturbereich.

 

Wichtige Leistungskennzahlen:

In praktischen Anwendungen können OCXO-Produkte, die diese Technologien einsetzen, erreichen:

-140 dBc/Hz @ 100 Hz

-160 dBc/Hz @ 1 kHz

-180 dBc/Hz @ 10 kHz

 

Typische Anwendungsszenarien:

Diese technologischen Fortschritte ermöglichen es OCXOs, eine entscheidende Rolle in den folgenden Bereichen zu spielen:

   Millimeterwellen-Phasensynchronisation in 5G/6G-Basisstationen

   Signalerzeugung in synthetischen Apertur-Radaren (SAR)

   Präzisionsentfernungsmessung in Raumsonden für die Tiefraumerkundung

   Taktverteilung in Quantencomputersystemen

 

Technologieentwicklungstrends:

Die aktuelle OCXO-Technologie entwickelt sich in Richtung höherer Integration und niedrigerer Leistungsaufnahme. Innovative Lösungen wie MEMS-basierte Mikroöfen und siliziumbasierte Kristallresonatoren stoßen an die Leistungsgrenzen traditioneller OCXOs. KI-gestützte Temperaturregelalgorithmen finden ebenfalls Anwendung in Produkten der neuesten Generation und ermöglichen eine präzisere Temperaturnachführung und kürzere Startzeiten.

 

Durch die gemeinsame Optimierung der oben genannten Technologien können moderne OCXOs nun auch unter rauen Umweltbedingungen Phasenrauschleistungen nahe der theoretischen Grenze liefern und bieten so eine zuverlässige Frequenzreferenz für Spitzentechnologieanwendungen.