Технологии стабилизации частоты Rakon: от истоков телекома к вершинам радионавигации


PDF версия

В статье сделан краткий обзор продукции компании Rakon, рассмотрены основные серии кварцевых генераторов, их особенности, а также ключевые области применения.

Современный рынок кварцевой продукции — микросхем стабилизации опорной частоты — насчитывает более дюжины известных производителей, например Geyer, Jauch, Golledge, Fox, ACT, Statek, Epson Toyocom.
Каждый производитель на данном рынке стремится занять нишу, охватывающую определенные целевые рынки готовой продукции. Так например, ACT (Advanced Crystal Technology) делает ставку на относительно низкие цены и гибкую производственную линейку; FOX позиционируется на рынке, имея производство, которое оптимизировано, в первую очередь, по срокам изготовления; Statek занимается генераторами и резонаторами для ответственных применений по более высокой стоимости. Компания Rakon на этом рынке стоит особняком и подчеркивает свое отличие всей совокупностью критериев подхода к технологии стабилизации частоты. Совокупностью, определяющей в ряде случаев выбор инженеров и компаний в целом.

Введение

Новозеландская компания Rakon, основанная Уорреном Робинсоном (Warren Robinson) в 1967 г., на сегодняшний день является признанным лидером в области технологий стабилизации частоты. С самого начала своего развития компания сделала ставку на обеспечение стабильности параметров опорного сигнала, а также на отличительные методы контроля при выпуске изделия. В 1989 г. компания вышла на рынок сотовой связи, поставляя генераторы для самых ранних моделей сотовых телефонов NEC. С появлением спутниковой навигации Rakon органично вписалась в новую нишу рынка кварцевых изделий, обеспечивая продукцией всех известных производителей GPS-устройств (а впоследствии и других спутниковых стандартов навигации — ГЛОНАСС и т.д.), а также отдельных модулей. В начале 1990-х гг. — в эпоху коммерциализации GPS-стандарта — компании Rakon уже принадлежало более 60% рынка кварцевых генераторов для устройств спутниковой навигации. Rakon активно участвует, занимая лидирующие позиции, и в других программах, например КОСПАС-SARSAT, авиакосмических программах, а также поставляет продукцию для наиболее ответственных применений, например для эталонных устройств отсчета времени и частоты. Отдельно стоит упомянуть и телекоммуникационное направление. Ведущие операторы беспроводной и мобильной связи выбирают в качестве опорных генераторов в базовых станциях именно продукцию Rakon.
В 2007 г. Rakon приобрела подразделение частотных компонентов известной компании C-MAC, специализацией которой также является выпуск кварцевой продукции для различных применений. Таким образом, Rakon имеет уже четыре фабрики, расположенных в Аржантее (Франция), Линкольне и Харлоу (Великобритания) и в Окленде (Новая Зеландия). С четвертого квартала 2007 г. началось строительство новейшей фабрики в Шэньчжэне (Китай), где планируется разместить производственные линии по выпуску наиболее массовых компонентов.

Обзор продукции Rakon

Переходя к отдельным направлениям развития Rakon, можно обратить внимание на спектр решаемых ими задач в разрезе такого параметра как точность частоты.
На рисунке 1 представлена шкала точности, разбитая на области применения различных типов генераторов. Как видно из рисунка, продукция Rakon удовлетворяет всем задачам обеспечения опорного сигнала — от стандартных массовых применений (точность 10–4… 10–5) до эталонных устройств на основе рубидия (точность 10–10…10–11).
Рассмотрим подробнее все типы генераторов Rakon.

Стандартные генераторы и резонаторы

Компания имеет в своей линейке полный спектр недорогих генераторов и резонаторов общего применения, обеспечивает поддержку складов по всему миру по наиболее популярным сериям, а также гарантирует качество и полную техническую поддержку даже в недорогих компонентах.

TCXO, или термокомпенсированные кварцевые генераторы

Среди этой продукции можно выделить высокостабильные TCXO и ультрастабильные TCXO.
К первым относятся термокомпенсированные генераторы для массовых приложений (связь, телеком, персональная навигация и т.д.).
Эти серии характеризуется
– невысокой стоимостью;
– достаточной для данного класса стабильностью до 0,5 ∙ 10–6;
– низким температурным дрейфом частоты;
– малыми габаритными размерами — 2,5 × 2,0 мм; 3,2 × 2,5 мм; 5,0 × 3,2 мм.
Ультрастабильные TCXO разработаны для применений, требующих лучших характеристик по сравнению с обычными TCXO, но не позволяющих применять термостатированные опорные генераторы (OCXO) из-за габаритов и энергопотребления последних. Остановимся подробнее на следующих наиболее перспективных сериях.
Серия Triton™ (CFPO-20) — переходная ступень между TCXO и OCXO, позаимствовавшая лучшее из обоих направлений. В ней используются как термостатирование, так и термостабилизация. Серия обеспечивает стабильность менее 50 ∙ 10–9 в заданном температурном диапазоне и выполнена в корпусе DIP 14.
Серия Pluto™ (CFPT-9000/9300). Серия имеет запатентованную специализированную интегральную микросхему (ASIC), обеспечивающую компенсацию отклонения напряжения подстройки частоты во всем диапазоне –40…85°С. В данных генераторах возможна реализация стабильности до менее чем 10–7. Они изготавливаются в компактных SMD-корпусах 7 × 5, а также 5 × 3 мм.
Серия Barracuda™ (IVT5300D). Недорогая серия генераторов в корпусах 5 × 3 мм обеспечивает низкие фазовые шумы, а также компенсацию отклонения параметров (стабильность ниже 2 ∙ 10–7).

VCXO, или кварцевые генераторы, управляемые напряжением
Rakon представляет самый широкий спектр кварцевых ГУНов, отличительными особенностями которых являются следующие:
– генерируемые частоты до 700 МГц;
– широкий спектр корпусов, включая промышленные стандарты 7 × 5 и 14 × 9 мм;
– выходные сигналы CMOS, PECL, LVDS;
– низкие фазовые шумы;
– коммерческие продукты, такие как генераторы на 27,0 МГц в корпусе 5 × 3,2 мм, а также 7 × 5 мм для видеоприложений.

OCXO — термостатированные кварцевые
резонаторы
В данной категории Rakon производит:
– полную линейку генераторов для коммерческого, промышленного, военного и космического применений;
– разработку генераторов на заказ:
– с более низкими фазовыми шумами;
– в более компактном исполнении;
– повышенной надежности;
– повышенной стабильности.
– Самокалибрующиеся OCXO, которые можно использовать как недорогую альтернативу рубидиевым эталонам среднего класса.
– Серийные OCXO со стабильностью 10–11 в рабочем температурном диапазоне –40…85°С.

Контроль параметров генераторов Rakon
Как было отмечено ранее, компания Rakon делает ставку на высочайший контроль выпускаемой продукции, проводит многоэтапное тестирование, подтверждая параметры генераторов необходимыми документами. Отдельно стоит остановиться на тестировании стабильности частоты в температурном диапазоне.
Уникальной особенностью проверки стабильности генераторов компании Rakon является определение отклонения (10–6) частоты от температуры с шагом 0,2°. Данный режим позволяет полностью отследить любые отклонения генерируемой частоты за счет повышенной градации отсчетов по шкале температур. На рисунке 2 показаны два метода определения стабильности.
Кривая зеленого цвета иллюстрирует график зависимости стабильности от температуры Rakon. Видно, что любой другой производитель (кривая синего цвета), имея в своем распоряжении только стандартные методы контроля, не может полностью гарантировать стабильность во всем диапазоне температур, тогда как Rakon подтверждает этот один из наиболее важных параметров генератора практическими тестами. Для сравнения на графиках приведены интерполяции фактического максимального изменения стабильности для генераторов Rakon (зеленый пунктир) и других производителей (пунктир синего цвета)
И это лишь один из примеров обеспечения качества и гарантии стабильности и воспроизводимости параметров генераторов на производстве Rakon.

Области применения продукции Rakon в разрезе ключевых серий генераторов
В завершении обзора позвольте подробнее остановиться на применении генераторов Rakon и наиболее популярных моделях.
Прежде всего, это генераторы TXCO для применения в составе приемников GPS, ГЛОНАСС, Galileo как коммерческого, так и профессионального класса. Серии IT5300 и IT3200 представлены в компактных корпусах (5 × 3 или 3 × 2 мм), имеют аналоговую цепь компенсации, низкие фазовые шумы. Для данных типов генераторов возможен выпуск как на стандартные частоты, например 16,367667 МГц, так и под заказ.
Дополняют серию VCTCXO генераторы с подстройкой частоты. Они представлены в корпусах 7 × 5, 5 × 3, 3 × 2, а также 2 × 2 мм: IVT7500, IVT5300, IVT3200, IVT2200. Серии IVT имеют высокую температурную стабильность частоты (до 10–6 и выше), характеризуются низкой ценой и выполняются с перестройкой частоты по требованию заказчика.
Эти и другие серии недорогих термокомпенсированных генераторов применяются в настоящий момент в подавляющем большинстве чипсетов для GPS-приемников и навигационных систем. Среди производителей, использующих опорные генераторы Rakon, такие известные компании как SiRF, STMicroelectronics, uBlox, Glonav, uNav, Global Localate, MAXIM, Fujitsu, Atmel.
В связи с бурным развитием программы ГЛОНАСС в России появляются более новые разработки, объединяющие в себе системы GPS-ГЛОНАСС. Наряду с известными российскими производителями навигационного оборудования целью новых проектов является выпуск массового, качественного, компактного оборудования по доступной цене. И в этом отношении компания Rakon предоставляет российским разработчикам широчайший выбор решений под самые различные цели. Rakon видит перспективным будущее GPS-ГЛОНАСС в России и оказывает полную техническую поддержку разработчикам. Наряду с коммерческими приемниками GPS-ГЛОНАСС развивается также и направление прецизионных систем позиционирования на основе GPS-ГЛОНАСС-Galileo. Наибольший интерес в данном направлении представляют термокомпенсированные генераторы с низкими фазовыми шумами, а также с минимальными скачками градиента стабильности частоты в рабочем температурном диапазоне. Этим целям отлично служит генератор серии CFPT-9300, основанной на специализированной ИС Pluto. Его малое энергопотребление (3 В при токе 3,3 мА) также способствует применению в мобильных приложениях.
Не менее важным направлением для Rakon в России и в мире является «Коспас-Сарсат» — спутниковая система, разработанная для оповещения о бедствии и местоположении координат радиобуев, установленных на судах и самолетах в случае аварийных ситуаций. Производители аварийных буев предъявляют высочайшие требования к стабильности и надежности опорных генераторов. От точности установки опорной частоты устройства напрямую зависит достоверность определения координат аварийного буя, а, следовательно, жизни и здоровье людей. И неудивительно, что производители буев системы «Коспас-Сарсат» по всему миру выбрали именно кварцевую продукцию Rakon. Генераторы TCXO на 12,688656 МГц серий E4150LF, E4574LF, E4895LF, E3279LF успешно проходят сертификацию, определяя главные критерии качества и стабильности работы системы.
Для производителей базовых станций мобильной телефонии и беспроводных приложений Rakon предлагает целую линейку высокостабильных термостатированных кварцевых генераторов (OCXO), среди которых можно выделить CFPO-20 — первый в мире термокомпенсированный-термостатированный генератор.
В генераторе использован легко управляемый миниатюрный термостат, изолированный от внешнего пространства и дополненный хорошо известной аналоговой ИС Pluto, обеспечивающей коррекцию остаточной ошибки установки частоты.
Сочетание двух методов стабилизации позволило добиться лучшего соотношения стабильности к энергопотреблению, дополненного коротким временем прогрева термостата.
Другой заслуюивающей внимания серией является CFPO-SC. Это самокалибрующаяся серия термостатированных генераторов, предоставляющая высочайшую стабильность во всем диапазоне температур с крайне низким для данного класса энергопотреблением (менее 3 Вт). Серия CFPO-SC сохраняет рабочую частоту с точностью 1,6 · 10–8 в течение всего срока службы генератора и благодаря этому позволяет избежать необходимости внесения внешних поправок синхронизации (например GPS).

Заключение
Таким образом, на сегодняшний день Rakon сохраняет свое лидерство в производстве высококачественной кварцевой продукции на мировом рынке. Развивая и внедряя передовые технологии производства, совершая прорывы в области миниатюризации, совершенствуя систему контроля параметров, компания Rakon предоставляет непревзойденную гибкость при обеспечении практически всех областей электроники вплоть до выполнения изделий под заказ. Весь спектр продукции Rakon Limited доступен в России и странах СНГ через ее официального дистрибьютора — компанию «Макро Групп».

Литература
1. SPECIFICATION FOR COSPAS-SARSAT 406 MHz DISTRESS BEACONS. C/S T.001 Issue 3 — Revision 8 November 2007.
2. Receiver Frequency Standards. Optimizing Indoor GPS Performance. Larry D. Vittorini and Brent Robinson. «Innovation» — GPS World, 2003.
3. Micro-Jump Screening Station for 6PS User Equiprnent. Lany D. Vittorini. Rochxell International, Collins Avionics & Conunulications Division, Cedar Rapids, Iowa 52498 USA, 1997 IEEE INTERNATIONAL FREQUENCY CONTROL SYMPOSIUM.
4. www.cmac.com/mt/databook.
5. www.rakon.com.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *