1. 背景
近年来，由于基站安装地点的多样化、设备的小型化等变化，晶振产品被安装在容易受到风或冷却风扇等影响的位置，因振动导致特性劣化的问题呈增加趋势。此外，在智能手表等可穿戴设备、智能手机等移动终端中，也出现了因振动或冲击而导致 GPS 功能性能劣化的案例。同时，随着数据容量的增加和通信的高速化，多值调制不断发展，微小的相位偏差即可引起数据错误，因此对振动下特性劣化较小的器件需求不断增长。本文将解说特性劣化的机理及其对装置的影响，并介绍一款大幅抑制特性劣化的 NDK 独有结构的晶体振荡器。

2. 振动导致特性劣化的机理
一般而言，水晶片如图1所示，通过导电性粘着剂被固定在一侧的两个点上。由于这种结构，特别是被施加产品高度方向（Z方向）的振动时，未固定一侧的水晶片会发生弯曲，从而导致频率波动。

图3．施加振动时晶片的弯曲	图4．晶片弯曲与频率变化量的关系

3. 晶体振荡器的特性劣化与 GPS 接收特性劣化实例
＜晶体振荡器自身的特性劣化＞
在晶体振荡器工作时施加振动，与静止状态（图5）相比，如图6所示，其邻近频谱大幅劣化。这意味着相位噪声恶化，可能会对通信设备等造成数据错误，进而影响通信质量。

图5．静止时的频谱	图6．施加振动时的频谱

＜GPS 接收特性评价＞
评估了晶体振荡器在被施加振动时的特性劣化对 GPS 接收特性的影响。以 26MHz 的 TCXO（温度补偿晶体振荡器，以下称 TCXO）作为基准信号源，搭建如图7所示的系统，仅对搭载 TCXO 的电路板施加振动，对静止时和施加振动时的构象（*1）进行了比较评价。(*1) 数字调制信号的信号点分布。

图7．GPS 接收评价系统

当对 TCXO 施加振动时，与静止状态相比，构象图明显紊乱（相位发生旋转）（图8、图9）。
在 GPS 设备中，虽然有通过软件误差校正技术进行补偿，或通过机壳、防振橡胶等进行对策的情况，但一旦超过其极限，仍可能发生 GPS 接收错误。

图8．无施加振动时的构象	图9．施加振动时的构象

此外，近年来广泛使用的多值调制已从传统的 64QAM (*2)、256QAM 发展到 1024QAM 实用化阶段，并有 4096QAM 等超多值调制的研究。在这些通信中，即便极微小的相位偏差也会导致数据错误，因此振动引起的特性劣化已不可忽视。据报道，在 1024QAM 中，1 度相位误差所带来的固定劣化超过 64QAM 的 5 倍以上（图10、图11）。

图10．载波恢复时的相位误差	图11．相位误差对应的固定劣化

(*2) QAM: Quadrature Amplitude Modulation (direct amplitude modulation)

4. 振动下特性劣化的改善
基于上述评价结果，我司开发了在振动下特性劣化更小的晶体振荡器。通过应力分析仿真解析特性劣化机理后，设计出一种能抑制外部振动引起的水晶片应变的独有结构。 结果表明，与传统产品相比，特性劣化改善约 1/10，成功开发出耐振动性能优异的低加速度灵敏度晶体振荡器（Low G-Sensitivity Crystal Oscillator，以下称 Low-G 晶体振荡器）。

图13显示了 Low-G 晶体振荡器在被施加振动时的频谱，相比传统产品（图12），劣化被大幅抑制。

图12．传统产品被施加振动时的频谱	图13．Low-G晶体振荡器被施加振动时的频谱

同时，在图7系统进行的 GPS 接收评价中，构象未出现紊乱，确认了大幅改善（图14、图15）。

图14．传统产品被施加振动时	图15．Low-G晶体振荡器被施加振动时

为了定量地表示晶体振荡器自身的改善程度，计算出了加速度灵敏度 (/g)。加速度灵敏度可通过公式1、公式2，从施加振动时产生的杂散信号中求得。如图16所示，与传统产品相比，在所有施加振动的频率下约为 1/10，即性能提升了 10 倍。

图16．与传统产品的加速度灵敏度比较

5. 总结
传统晶振器件虽因产品差异有所不同，但其结构导致在施加振动时特性会劣化。过去，施加振动时振荡器特性劣化仅在部分特定设备中被关注，但随着通信设备安装环境与通信方式的变化，未来在更多通信设备中可能影响通信质量。通过采用本公司独有结构，该劣化已得到大幅改善，并在 GPS 评价系统中确认了构象的相位偏差得到显著改善。目前，我司已推出两款具备耐振动性能的小型产品（2016 尺寸、3225 尺寸 TCXO），今后将进一步扩展到晶体谐振器、SPXO（封装式晶体振荡器）、VCXO（压控晶体振荡器）的产品阵容。