MEMS Super-TCXOs:低相位噪声和高稳定性的射频系统
来源：http://www.hneyq.com 作者：亿金电子 2024年11月07
据 Frost 和 Sullivan 报道，数据优势可能会决定未来冲突的结果。当今的国家安全部队在动态操作环境中面临着来自坚定而老练的攻击者的多重战略挑战。为了应对持续和新的威胁，国防部队必须相互连接。他们必须共享实时信息，以增强态势感知和分析能力，从而更快、更有效地做出决策。用于监视、情报、侦察和通信的射频 （RF） 系统在更快检测威胁和更快地响应的能力方面发挥着关键作用，但 RF 频谱在争夺主导地位的战斗中处于拥塞和竞争状态。
实时协作的工作在数据交换中造成了高度的复杂性。先进的传感器、监控系统和通信设备会产生前所未有的数据流，需要高数据速率、低延迟和高安全性的系统。这推动了对带宽的爆炸式增长。
为了满足带宽需求，RF 系统必须更有效地利用 RF 频谱。精确计时有助于实现这种效率：SiTime硅晶振的新型低相位噪声、高稳定性 MEMS Super-TCXO 是成功应对冲突的基石，可在 RF 系统中提供更快、更准确、更可靠和安全的数据传输。
一、时钟是 RF 系统性能的核心
近年来，国防部制定了联合全域指挥与控制 （JADC2） 战略，以使用先进的网络强化技术，实现部队和战略伙伴之间更紧密的协作。该战略致力于提高指挥与控制 （C2） 决策的速度、效率和有效性。这项工作包括一个集成的传感器生态系统，用于全面了解上下文环境。它还解决了网络的传输基础设施问题，以专门提高速度和带宽。该策略支持更好的决策，以及跨域的活动监控，即使电磁频谱退化和争论也是如此。
频率精度是有效信号处理的基石，可确保信号同步、高效频谱使用、干扰抑制、抗干扰和可靠的系统性能。高性能时钟可确保射频系统（例如战术无线电、数据链路、高级传感器和卫星通信用户终端）在所有环境条件下始终如一地提供性能。这确保了整个任务的作战能力。
频率源的鲁棒性是现代射频系统中的关键选择标准。随着互连性扩展到弹药、小型无人机、小型卫星和其他应用，导致各种操作场景，频率参考必须在各种环境中运行。因此，解决方案不仅必须具有良好的频率稳定性和相位噪声，还必须具有整个温度的稳定性、对振动的低敏感性、对冲击的弹性以及更小的尺寸、重量和功率 （SWaP）。
石英 TCXO 和 OCXO 是 RF 系统的传统时序源。虽然它们是适用于许多场景的成熟解决方案，但它们的局限性也是众所周知的：它们可能很脆弱，会因温度或振动而发生频率跳跃，并且可能体积庞大且耗电。这通常会导致更复杂的系统设计，以适应 quartz 振荡器的局限性。或者，它会导致定制的振荡器解决方案，这些解决方案成本高昂，并且开发和采购的准备时间很长。
SiTime 开创了硅 MEMS 计时技术，现在为 RF 系统提供改变游戏规则的低 SWaP-C（尺寸、重量和功率 - 成本）。SiTime 的新型 Endura™ 低噪声 Super-TCXO 是坚固耐用的低相位噪声 MEMS振荡器，可提供：
低近载波相位噪声：10 MHz 载波时 10 kHz 偏移时的相位噪声为 -161 dBc/Hz
低宽带相位噪声：-175 dBc/Hz 宽带相位噪声（10 MHz 载波）
出色的频率稳定性：10 秒时 1E-11 艾伦偏差
无与伦比的 g 灵敏度：1E-11/g
高度坚固的设计：> 20,000 g 的抗冲击能力
石英 OCXO 频率稳定性水平：在整个温度范围内（-40 至 105°C）为 ±0.1 ppm，无温度诱导频率跳跃
极其紧凑和高效：5.0 x 3.5 x 1.2 mm3，< 150 mW，表面贴装封装
Endura Super-TCXO 性能的关键是用作频率源的硅 MEMS 谐振器。MEMS 谐振器比典型的石英谐振器小近 1,000 倍，由封装在超洁净腔中的高强度硅材料制成，消除了导致频率跳跃、老化和故障的污染。这种对高纯度半导体工艺的使用带来了无与伦比的质量和可靠性，具有出色的零件间可重复性、可预测的系统性能和 10 亿小时的平均故障间隔时间 （MTBF）。由于 MEMS谐振器重量轻，并且具有卓越的材料强度和结构设计，因此 Endura Super-TCXO 具有很强的抗冲击性和抗振性。
Endura Super-TCXO 采用 SiTime 的 DualMEMS® 技术，实现了卓越的温度稳定性。由于 MEMS 谐振器尺寸小，DualMEMS 技术可以在同一芯片上将两个 MEMS 谐振器彼此紧密地组合在一起。第一个 MEMS 谐振器 TempFlat® 谐振器旨在实现超低温度系数。第二个 MEMS 谐振器 TempSense 谐振器被特意设计为具有高温系数。两个 MEMS 谐振器之间的频率差提供了极其精确的温度读数 （~30 微开尔文），从而允许精确和快速的温度补偿。
三、低 SWaP-C Super-TCXO，适用于下一代稳健可靠的射频系统
SiTime 的新型 Endura 低相位噪声 Super-TCXO 有望实现以前不可能的新型战术无线电、卫星通信用户终端、数据链和高级传感器的设计。Endura Super-TCXO 提高了通信灵敏度、质量和可靠性，并支持开发具有高速数据速率、低延迟和频谱利用率的系统，以实现实时、数据知情的决策和快速协调，这对运营效率至关重要。
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