第２９卷第３期 电子机械工程 Ｖｏ１．２９．Ｎｏ．３ ２０１３年６月 Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｊｕｎ．２０ｌ３ 无谐振峰减振器在雷达晶体振荡器上的应用 冯永平 ，帅立国 ，钟剑锋 ，刘国维 （１．东南大学机械学院，江苏南京２１１１８９；２．南京电子技术研究所，江苏南京２１００３９） 摘要：分析了振动环境对某雷达晶体振荡器的影响，并以此为依据设计了一种轻质的无谐振峰钢丝绳 减振器，并与橡胶减振器进行了对比。实验结果表明，在基本保证减振效果的前提下，钢丝绳减振器更 适合低温环境使用，晶体振荡器相位噪声相对橡胶减振器高出９—１８ ｄＢｃ／Ｈｚ＠１００Ｈｚ，可以在宽温度范 围内用于地面、机载、舰载、球载等条件下的晶振减振。 关键词：晶体振荡器；钢丝绳减振器；轻质；相位噪声；低温 中图分类号：ＴＢ５３５；０３２８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８—５３００（２０１３）０３—０００１—０４ Ａｐｐｌｉｃａｉｔｏｎ ｏｆ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｉｓｏｌａｔｏｒ ｗｉｔｈｏｕｔ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｐｅａｋ ｔｏ Ｒａｄａｒ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ＦＥＮＧ Ｙｏｎｇ－ｐｉｎｇ ，ＳＨＵＡＩ Ｌｉ—ｇｕｏ ，ＺＨＯＮＧ Ｊｉａｎ・ｆｅｎｇ ，ＬＩＵ Ｇｕｏ—ｗｅｉ （１．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１１１８９，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｎａｎｊｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００３９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ ｏｎ ｒａｄａｒ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙ— ｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ，ａ ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ ｗｉｒｅ—ｒｏｐｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｓｏｌａｔｏｒ ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｎｏ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｐｅａｋ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａｎｄ ｉｓ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ａ ｒｕｂｂｅｒ ｄａｍｐｅｒ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒｅｍｉｓｅ ｏｆ ｇｏｏｄ ｄａｍｐｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ，ｔｈｅ ｗｉｒｅ—ｒｏｐｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｓｏｌａｔｏｒ ｉｓ ｍｏｒｅ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｕｓｉｎｇ ｉｎ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｔｈｅ ｐｈａｓｅ ｎｏｉｓｅ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ９～１ ８ ｄＢｃ／Ｈｚ＠１００Ｈｚ ｈｉｇｈｅｒ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｕｂｂｅｒ ｄａｍｐｅｒ．Ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉ— ｔｉｏｎｓ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄ，ａｉｒｃｒａｆｔ，ｓｈｉｐ，ｂａｌｌｏｏｎ ｅｔｃ．ａｎｄ ｕｎｄｅｒ ｗｉｄｅ ｒａｎｇｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｒｙｓｔｌａ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ；ｗｉｒｅ—ｒｏｐｅ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｉｓｏｌａｔｏｒ；ｌｉｇｈｔ ｗｅｉｇｈｔ；ｐｈａｓｅ ｎｏｉｓｅ；ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ 引 言 本文从宽温度范围出发，基于无谐振峰减振器工 作原理，设计了一种针对晶体振荡器的无谐振峰钢丝 随着现代雷达技术的发展，电子元器件的稳定度 绳减振器，其结构更轻质、空间更小巧、走线更方便、维 要求越来越高。作为电子元器件中不可缺少的核心部 件，晶体振荡器的稳定性将直接影响到整个雷达系统 护更简易，并进行了与橡胶减振器的减振效果实验对 的作战性能。而晶体振荡器在振动环境下极易受到影 比研究。 响 ，会产生频率漂移和相位噪声，严重时会产生灾 难性的后果。因此有必要对晶体振荡器采取隔振措 １ 无谐振峰减振系统的理论分析 施，以保证系统工作的精确度和稳定度。 图１为无谐振峰减振系统的抽象模型［２］。图中， 无谐振峰减振器作为一种已在电子产品上广泛应 ｍ为晶体振荡器的质量； 为减振器的劲度系数； 为 用的减振结构，具有温度适应范围宽、无谐振峰的优 干摩擦力； 、 分别为晶体振荡器和基座的位移。该 点。其在晶体振荡器减振上的应用多使用压簧结构， 模型的运动微分方程可表示为 这样不仅占用很大的空间，而且增加模块的重量，在雷 达中的应用受到了很大的挑战。 ｍ ｚ＋ｋ（ｚ—ｚ ）＋Ａ ＝０ （１） 收稿日期：２０１３—０３—１３ ・抗恶劣环境设计与试验技术・ 电子机械工程 ２０１３年６月 式中，Ａ＝±１是取决于质量与基础相对速度的符号 函数。 ＿．ｊ 图１厍仑阻尼系统 由非粘性阻尼的能量等效原理可知，库伦阻尼可 等效为粘性阻尼，其等效粘性阻尼系数为 （２） 式中： 为干摩擦阻尼系数；Ｎ为正压力；ｐ为激励频 率；日为阻尼力在一个周期中的振幅。 如将干摩擦力等效为粘性阻尼，则式（１）可改 写为 ｍ ｚ＋ｋ（ｚ一 ）＋Ｃｅ（三一三 ）＝０ 令 （ｔ）＝Ａ０ｅ ，“－：Ｚ一 ，则有 ｍ ＋Ｃｅｈ＋ｋｕ＝ｍｐ Ａｏｅ ： （ｐ）ｅ 若ｚ＝Ｂｓｉｎ（ｐｔ一０），则有传递率： Ｂ ／ １＋（２Ｄ ｙ） ， 一４０一＾、／（１—７ ） ＋（２Ｄ。 ） 式中：０为滞后相位角； 为频率比；Ｄ ＝ｃ ／ｃ 为等效阻 尼比，即粘性阻尼与系统临界阻尼的比。 若将干摩擦力设定为结构参数，使其可通过结构方 式来控制，则在激励频率的变化范围内总可以找到一个 频率Ｐ，使得Ｆ＝Ｆ（ｐ）。由隔振传递率曲线（图２）可 知，当 ＝√２时，无论阻尼如何，均有＇７：１。若使 。＝ Ｆ（√２∞）＝２ｍｔｏ Ａｏ＝２ｋＡ。，（ｏ为固有频率，则 ≤√２时， 必有Ｆ≥Ｆ（ｐ），即干摩擦力从结构上将质量和基础 “锁”在一起，导致两者不能产生相对运动，在此区间内， 系统的传递率恒为１，不出现峰值谐振。当 ＞√２时，质 量相对于基础作衰减运动。 ２减振系统结构设计 ２．１布局设计 传统的无谐振峰减振器通常将隔振体安装在盒 内，压簧和隔振体四周安装簧片，利用簧片与盒内壁的 干摩擦来实现无谐振峰隔振。此设计如运用在晶振减 ・２・ １ ５ 谐振区 ｌＯ Ｉ ｜ Ｏ ５ ＼ 振屡 ０ ２ ６ ８ 图２无谐振峰传递率曲线 振上，则对整个减振系统的重量、空间、后续的维护性 要求有很大的挑战。本文全面考虑这些问题，设计了 一个专用的隔振缓冲系统，如图３所示。 图３ 晶振减振系统结构图 晶振“架”在框架中间，框架底部与模块连接，框 架四角用了８根钢丝绳，其中４根作为限位装置，起导 向与摩擦作用；另外４根制作成环形，一端与底部固 定，环形端连接晶振，将晶振“架”空。 鉴于单质体多自由度系统一个方向的振动必然会 引起另一个方向的振动，为了使该单质体质量重心与 刚度中心重合，从而不引起耦合振动 ，在晶振四周 对称安装环形钢丝绳，晶振上加装锁紧盖帽，将减振器 重心尽量调整到系统中心平面内。由此，减振系统在 铅直方向是非耦合运动，水平方向也基本符合非耦合 布置条件。 ２．２减振结构的算例分析 设计无谐振峰减振器所需参数如表１所示。 表１ 无谐振峰减振器输入参数 名称 符号 隔振体质量 ｍ／ｋｇ 工作环境温度 ℃ 干扰源振动频率 ＿厂／Ｈ 空间要求 Ｉ，／ｃｍ 晶振相位噪声恶化指标 ∥（ｄＢｃ／Ｈｚ＠ｃｔＨｚ） 本文所使用晶振质量为５ｏ ｇ，体积为５０ ｉｎｍ Ｘ ５０ ｍｌｎ Ｘ ２５ ＩｎｌＴｌ，外界激励的最低频率为２０ Ｈｚ，晶振相位噪声动 态相对静态恶化指标：随机振动条件４０ ｄＢｃ／Ｈｚ＠ １００Ｈｚ内；正弦加随机振动条件５０ ｄＢｃ／Ｈｚ＠１００Ｈｚ内。 首先为了避开共振区域，减振系统的固有频率至 第２９卷第３期 冯永平，等：无谐振峰减振器在雷达晶体振荡器上的应用 ・抗恶劣环境设计与试验技术・ 少应议疋为 ≤岩＝ ２０＝ ４・，４ Ｈｚ 本次设计所需的钢丝绳泊松比为Ｏ．３４，密度 ７．８ ｇ／ｅｍ。，直径１．８ ｍｍ，钢丝绳内部结构阻尼比 ０．１５，由 ＝ √ ≤ ４． ４ Ｈｚ 可知ｋ￣＜３９４ ２６４．９ Ｎ／ｍ，带人公式： ＝０．０１１ ３（ ） ３０１ ６ Ｄ）＋２．１ ｏ４［ ］ 可算得Ｄ／ｄ＝９时，ｋ＝０．３０４ ９ ｋＮ／ｍｍ，此时系统的固 有频率ｔｏ。＝￣／ ／ｍ＝７８．１ ｒａｄ／ｓ。由随机振动和正弦 加随机振动条件可知，要确定干摩擦力，由 ＝Ｆ（ 。）， ＝Ｆ（ｐ。）＝ｍｐｏ２Ａ。＝ｍｎ。（无谐振峰所需的最大摩擦 力）得 ＝０．０７７ Ｎ，则由式（２）得： ４ Ｎ ４Ｆ＾ 一 ｐｏＢ ｐ ｏＡｏ Ｑ ——一 ６２．４ 又ｃ ＝２￣／后ｍ，可算得Ｄ ＝０．２５。 当条件为随机振动．厂＝２０ Ｈｚ，加速度功率谱密度 为０．２０２ ｇ２／Ｈｚ时，由式（３）可得系统隔振率 ０．７３。此时，晶振将一直处于隔振区。此后随着激励频 率的增加， 值越来越大，系统的隔振传递率将逐渐降 低，从而进一步保证晶振在中、高频处频率的稳定度。 对该减振系统在随机振动、正弦加随机振动１００ Ｈｚ 处进行理论分析，发现结果满足实际的指标要求。一 迥窑毯型 檄 如不要求晶振时刻处在隔振区内，可从晶振相位 噪声恶化指标考虑，分析共振区的影响是否满足要求。 鉴于本文晶振在雷达上有很高的可靠性要求，故直接 从隔振区考虑。 ３实验研究 所选晶振中心频率为１２０ ＭＨｚ。为了测试该减振 系统的效果，进行了两种条件下的实验，并与橡胶减振 器进行了对比。 ３．１试验对比输入条件 该试验采用：（１）随机振动，加速度功率谱密度参 数见表２，功能试验时间３０ ｍｉｎ。（２）正弦加随机振 动，加速度功率谱密度见图４，试验持续时间每个轴向 为１ ｈ。 表２ 随机振动加速度功率谱密度 频率／Ｈｚ 功率谱密度 频－２￣Ｈｚ 功率谱密度 ２０－２５ ０．２０２ ｇ２／Ｈｚ ３４０—３５５ —１．７５ ｄＢ／Ｏｃｔ ２５—４８ —７．２ ｄＢ／Ｏｃｔ ３５５～６３０ ０．０２３ ｇ２／Ｈｚ ４８～３４０ ０．０６ ｇ２／Ｈｚ ６３０—７８０ ２０ ｄＢ／Ｏｅｔ ７０８～８９１ ０．０５２ ｇ２／Ｈｚ ８９１～２ Ｏ００ —１０ ｄＢ／０ｃｔ 善 ＝２０ Ｈｚ；Ａ１＝２．９７ｇ；ｆ２＝３９．６ Ｈｚ；Ａ２＝３．７５ｇ； ｆ３＝５９．４ Ｈｚ；Ａ３＝２．２５ｇ；，４＝７９．２ Ｈｚ；Ａ４＝２．２５ｇ； ＝０．００５ ｇ２／Ｈｚ；Ｗ１＝００４ ｇ２／Ｈｚ； ＝５００ Ｈｚ ．图４正弦加随机振动加速度功率谱密度 针对该减振器，分别做了高低温环境下的振动试 验，并与两种结构的航空橡胶板减振器进行了对比。 ３．２试验对比标准 １９８１年，Ｒａｙｍｏｎｄ Ｌ．Ｆｉｌｌｅｒ研究了振动环境对晶 体振荡器输出频率造成的影响 。在单方向上的单 一频率振动环境下，晶体振荡器的输出频率： ，（ｔ）＝／ｏ［１＋５ Ａ（ｔ）］ 式中 为晶体振荡器静止状态的输出频率；ｓ 为晶体 振荡器的加速度灵敏度；Ａ（￡）为振动的瞬时加速度。此 种情况下，由振动引起的相位噪声可近似表达为 ）￣２０ｌｇ（ ） 式中 为振动频率；Ａ 为振动的加速度，ｇ。 多数情况下，晶体振荡器处于随机振动环境中，加 速度可用其功率谱密度函数Ｇ（ ）表示，此时晶体振 荡器的相位噪声为 吨（学√ ） ３．３试验对比结果 晶体振荡器输出的电信号在各个频率点下相位噪 声结果见表３～表６。 ・３・ ・抗恶劣环境设计与试验技术・ 电子机械工程 表３ ２０℃下随机振动条件下晶体振荡器的相位噪声２０１３年６月 ｄＢｃ／Ｈｚ ３．４试验对比结论 ４结束语 基于无谐振峰减振原理，针对电子产品晶体振荡 器设计开发了无谐振峰减振系统。该无谐振峰钢丝绳 减振器相对已有的减振器质量更轻、空间更小，采用非 １）不同振动条件下，减振器对晶振输出信号的影 响在频率近端（１００ Ｈｚ附近）较大，远端（１ ０００ Ｈｚ以 上）很小。 ２）在低温条件下，钢丝绳减振器对晶振的减振效 果好于航空橡胶板减振器，在晶振输出信号功率谱近 端１００ Ｈｚ处相位噪声高出９—１８ ｄＢｃ／Ｈｚ。在常温下， 钢丝绳减振性能则低于航空橡胶板减振器，１００ Ｈｚ处 相位噪声低３—１１ ｄＢｃ／Ｈｚ，原因是橡胶材料在常温下 弹性性能很好，而钢丝绳弹性性能较差。 ３）钢丝绳减振器比较适合宽温度环境，特别是在 线性弹簧和非线性阻尼器等非线性元素降低了系统的 固有频率，提升了低频特性以及隔振传递率。通过试 验对比，在频率为２０～２ ０００ Ｈｚ的随机振动以及２０— ５００ Ｈｚ的正弦加随机振动条件下，特别是在低温一５５℃ 环境下，该减振系统可有效降低由振动环境引起的晶 体振荡器的相位噪声，在常温时减振性能与橡胶减振 器相近，低温时减振性能优于橡胶减振器。 （下转第１２页） 低温环境下能够保持较高的稳定性。 ・ｄ・ ・抗恶劣环境设计与试验技术・ 电子机械工程 ２０１３年６月 性等诸多不确定因素使得振动分析计算具有一定的误 差和不确定性。因此，对移动式ｘ射线安检系统进行 振动实验分析不仅是检验振动设计合理性的重要手 段，而且对于了解系统的实际振动特性和动态参数，暴 了系统总体布局、隔振器选择的方法。另外，对隔振缓 冲系统进行了必要的振动、冲击实验考核，并取得了较 为满意的结果。 参考文献 ［１］季馨．电子设备振动分析与实验［Ｍ］．南京：东南大学 出版社，１９９２（１）：１２—７３． 露现有安检设备的设计缺陷和薄弱环节，优化结构设 计等都具有十分重要的意义。同时，移动式ｘ射线安 检系统的振动实验也是检验和提高系统可靠性的必要 措施。 ［２］ ＶＥＰＲＩＫ Ａ Ｍ．ＶｉＢｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｏｆ 为此，我们进行了两条实际路段的跑车实验。考 ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｉｎ ｈａｒｓｈ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｌａ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｕｎｄ ａｎｄ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，２００３，２５９（１）：１６１—１７５． 虑到车辆的使用范围和用户工作的环境，选择了北京 到密云和北京到天津两条路线。北京到密云走国道和 县级公路为主，坡路较多，颠簸较大，主要考察车辆的 整体性能和振动条件下安检设备的稳定性。北京到天 ［３］许峰，李守成，辛天佐．车载机柜动态特性分析与研究 ［Ｊ］．机械工程与自动化，２０１１（６）：１１－１３． ［４］ 车载发电机组的减振隔振设计［Ｊ］．专用汽车，２００６ （１１）：４２－４３． 津以走县级路为主，时速最高为６０ ｋｍ／ｈ，返京时走高 速路，时速最高为１１０ ｋｍ／ｈ。系统在返程以后立即投 人使用，能够正常工作。通过两条路线、不同车速的跑 车实验，证明所设计的移动式ｘ射线安检系统抗振性 能好，达到了设计要求。 ［５］ 全国机械振动与冲击标准化技术委员会．ＧＢ／Ｔ ８５４０— １９８７振动与冲击隔振器确定特性要求导则［Ｓ］．１９８７． ［６］成大先，王德夫，姬奎生，等．机械设计手册［Ｍ］．北 京：化学工业出版社，２００９，５（２０）：５—１１７． ［７］ 王健石．电子设备结构设计手册［Ｍ］．北京：电子工业 出版社，１９９３（９）：４４２—４６２． ５ 结束语 由于振动与冲击可能对安检设备带来许多危害， 从而直接影响产品性能的稳定性和工作的可靠性。因 此，安检设备振动与冲击控制的研究已成为安检设备 结构动态设计、制造、运输和使用中的重要课题。 本文所研究的课题是根据实际项目设计的需要， ［８］车载电子设备抗振设计研究［Ｊ］．硅谷，２０１２（９）：ｌ１９－ １２０． ［９］邱成悌．电子设备结构设计原理［Ｍ］．南京：东南大学 出版社，２００５，２（２）：１３０－２５８． 张燕呜（１９６３一），男，副研究员，主要研究方向为 电子设备结构设计与理论研究。 针对安检设备的振动特点，结合振动控制和理论分析， 就隔振缓冲系统的设计方法进行了系统的探讨，提出 （上接第４页） 参考文献 ［１］ ＳＰＥＮＣＥＲ Ｗ Ｊ，ＳＭＩＴＨ Ｗ Ｌ．Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｃｒｙｓｔａｌ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｓｔａｎｄａｒｄｓ［Ｃ］／／１５ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎ— ｔｒｏｌ，１９６１：１３９—１５５． 冯永平（１９８９一），男，硕士，主要从事电子设备结 构设计工作。 帅立国（１９６８一），男，博士生导师，主要从事触觉 系统以及物联网的研究。 ［２］邱成悌，赵悖殳，蒋全兴．电子设备结构设计原理［Ｍ］． 南京：东南大学出版社，２００５：１４７—１５０，１７７—１８８． ［３］ 陈维民，刘刚，刘玉兰．环形钢丝绳减振器刚度和阻尼 钟剑锋（１９６７一），男，研究员级高级工程师，主要 从事雷达大型阵面结构、微波及Ｔ／Ｒ组件结构研究。 性能试验研究［Ｊ］．材料科学与工艺，１９９６（１）：７０—７５． ［４］ＦＩＬＬＥＲ Ｒ Ｌ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｏｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｔａｎｄａｒｄｓ ａｎｄ ｃｌｏｃｋｓ［Ｃ］／／３５ｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ 刘国维（１９７１一），男，高级工程师，主要从事电子 设备结构设计工作。 ・１２・