高穩(wěn)定度低溫藍(lán)寶石微波頻率源設(shè)計(jì)

朱 璽 陳海波 黃 凱 高連山 王 亮

(北京無線電計(jì)量測試研究所，北京 100039)

1 引 言

低溫藍(lán)寶石微波頻率源具有超高的短期穩(wěn)定度及相位噪聲，在航天、軍事等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[1-6]。在基礎(chǔ)物理研究方面，其應(yīng)用范圍包括為原子噴泉頻率標(biāo)準(zhǔn)提供本振、進(jìn)行精密測量、服務(wù)甚長基線干涉測量等。在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，雷達(dá)、導(dǎo)航、深空探測等方面均需利用超穩(wěn)微波頻率源。目前超高穩(wěn)定度微波源的實(shí)現(xiàn)方式主要有3種：1)傳統(tǒng)的通過晶體振蕩器多次倍頻的方法；2)通過極高Q值的微波腔形成正反饋振蕩，并對振蕩信號的相位和幅度進(jìn)行控制，提高其頻率穩(wěn)定度，本實(shí)現(xiàn)方式主要指低溫藍(lán)寶石微波頻率源[7-9]；3)將極窄線寬的激光器鎖定在高Q值光濾波腔上，然后通過光頻梳，得到所需微波信號[10]。其中，采用晶振倍頻方式獲得的高頻段微波源，其穩(wěn)定度和相噪水平一般[11,18]，無法滿足部分應(yīng)用對高性能微波源提出的要求。對于由光頻域獲得的超穩(wěn)微波信號，雖然信號的短期頻率穩(wěn)定度能夠優(yōu)于10-15量級，但由于需要依靠復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，連續(xù)運(yùn)行能力差(最長穩(wěn)定運(yùn)行時間不超過7d)，嚴(yán)重限制了其應(yīng)用范圍。低溫藍(lán)寶石微波源采用氦氣直接制冷，具有短期頻率穩(wěn)定度高、可靠性高、可長期穩(wěn)定運(yùn)行(大于1年)的優(yōu)勢，秒級頻率穩(wěn)定度能夠達(dá)到3.28×10-15，是不二之選。

自20世紀(jì)70年代以來，莫斯科大學(xué)[12,13]、美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)[14]、西澳大利亞大學(xué)[15]、法國國家科學(xué)研究院(CNRS)[16]等研究單位陸續(xù)開展低溫藍(lán)寶石微波頻率源的研究工作。將藍(lán)寶石晶體作為能量儲存介質(zhì)，利用其在低溫下具有極低的介質(zhì)損耗的特點(diǎn)，研制出高Q值藍(lán)寶石微波腔。工作在液氦溫度下的X波段藍(lán)寶石微波腔的Q值能夠達(dá)到109量級。根據(jù)Leeson模型，高Q值能夠顯著降低振蕩器的相位噪聲水平。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前，國際上低溫藍(lán)寶石微波頻率源的短期頻率穩(wěn)定度已進(jìn)入10-16量級[16]。實(shí)用化的低溫藍(lán)寶石微波頻率源已成功應(yīng)用于甚長基線干涉測量、原子噴泉鐘等領(lǐng)域[1-6]。目前，我國尚無相關(guān)研究成果，因此，研制的低溫藍(lán)寶石微波振蕩器，更好的服務(wù)國防、科研具有重要意義。本研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并研制了低溫藍(lán)寶石微波頻率源，為下一步應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

本文設(shè)計(jì)并研制了兩套工作于回音壁模式的高Q值藍(lán)寶石微波腔，輸出頻率分別為9.204GHz和9.205GHz，當(dāng)溫度控制在6.4K，且溫度波動小于1mK時，Q值分別達(dá)到了1.3×108及4.0×108。并根據(jù)POUND電路原理研制了穩(wěn)相電路。在實(shí)現(xiàn)頻率源起振的基礎(chǔ)上，對振蕩頻率信號的相位進(jìn)行穩(wěn)定控制。通過對兩套低溫藍(lán)寶石微波頻率源進(jìn)行互比，得到頻率源秒級頻率穩(wěn)定度為3.28×10-15。

2 高Q值藍(lán)寶石微波腔

高Q值藍(lán)寶石微波腔是整個頻率源的核心。它是將圓柱狀的藍(lán)寶石晶體固定在銅腔內(nèi)，通過兩個探入銅腔內(nèi)的耦合環(huán)對電磁場進(jìn)行輸入輸出耦合，耦合環(huán)在銅腔內(nèi)的高度為藍(lán)寶石介質(zhì)高度的一半。藍(lán)寶石微波腔結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)藍(lán)寶石微波腔工作在回音壁模式時，電磁波沿著晶體柱面內(nèi)壁傳播，即電磁波在藍(lán)寶石晶體內(nèi)發(fā)生全反射，能量被限制在腔內(nèi)傳播，減小了能量損耗，從而獲得較高的Q值。藍(lán)寶石晶體的純度、腔體設(shè)計(jì)及加工精度均會影響微波腔的Q值。

圖1 藍(lán)寶石腔體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic of the sapphire-dielectric resonator

微波腔的具體參數(shù)可以通過理論計(jì)算或軟件仿真確定。使用HFSS高頻仿真軟件調(diào)整藍(lán)寶石晶體及銅腔尺寸，使微波腔工作在回音壁模式下。通過仿真，選定微波腔工作模式為WGH12,0,0模，藍(lán)寶石晶體的直徑為51mm，高度為30mm。

藍(lán)寶石晶體在低溫下具有低損耗的特點(diǎn)，使得藍(lán)寶石微波腔在低溫環(huán)境中具有極高的Q值。為維持高Q值，藍(lán)寶石微波腔需連續(xù)工作在低溫環(huán)境中。我們設(shè)計(jì)并研制了基于液氦的閉循環(huán)制冷裝置，為藍(lán)寶石微波腔提供低溫環(huán)境。為保證諧振頻率的穩(wěn)定性，制冷裝置需具有極高的溫度穩(wěn)定性和極小的機(jī)械振動。作為制冷劑的液氦價格昂貴，而且在制冷裝置工作過程中，液氦不斷吸收熱量汽化，消耗量大。考慮到在應(yīng)用過程中頻率源的維持成本，引入氦氣再液化系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了閉循環(huán)制冷裝置，結(jié)構(gòu)如圖2所示。制冷裝置工作啟動，將氦氣輸入裝置內(nèi)，氦氣再液化系統(tǒng)將氦氣液化。液氦經(jīng)輸液管輸入至低溫杜瓦，對低溫杜瓦內(nèi)的諧振腔進(jìn)行冷卻。吸熱后的液氦汽化，氦氣返回液化裝置進(jìn)行重新液化，從而實(shí)現(xiàn)氦氣循環(huán)利用。在制冷裝置工作過程中，僅需定期補(bǔ)充氦氣即可，維持費(fèi)用低。制冷裝置的溫度通過控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，工作過程為：低溫杜瓦內(nèi)放置銠鐵溫度計(jì)，溫度控制系統(tǒng)采集杜瓦內(nèi)的實(shí)時溫度值，經(jīng)PID控制器處理計(jì)算后將加熱信號傳輸給低溫杜瓦內(nèi)的加熱裝置，從而將微波腔的溫度控制在4.2K至15K之間任一設(shè)定值上，且溫度波動低于1mK。由于機(jī)械振動也會對頻率源的頻率穩(wěn)定度產(chǎn)生影響，因此，在低溫杜瓦外設(shè)置減震裝置，使機(jī)械振動小于1μm。

圖2 閉循環(huán)制冷裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic Diagram of the Closed Cycle Cryocooler

由于低溫藍(lán)寶石微波頻率源的短期頻率穩(wěn)定度較高，目前無法直接測量，為此，我們在低溫裝置內(nèi)設(shè)計(jì)了兩套藍(lán)寶石微波腔，通過互比得到相對頻率穩(wěn)定度。

諧振腔內(nèi)耦合環(huán)的大小、探入腔內(nèi)的深度會影響輸入輸出耦合系數(shù)及Q值，在調(diào)試過程中需仔細(xì)反復(fù)調(diào)試以獲得最佳輸入輸出耦合系數(shù)及Q值。當(dāng)?shù)蜏匮b置溫度控制在6.4K時，實(shí)驗(yàn)測得兩套微波腔的諧振頻率分別為9.204GHz，9.205GHz，如下圖所示。經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析儀測試，Q值分別為1.3×108及4.0×108。

圖3 6.4K溫度下諧振頻率測試結(jié)果曲線圖Fig.3 The results of resonance frequency at 6.4 K

3 電路裝置

基本振蕩環(huán)路包括藍(lán)寶石微波腔、低噪聲微波功率放大器、移相器、窄帶濾波器、環(huán)行器、隔離器，如圖4所示。其中，藍(lán)寶石微波腔起濾波的作用，配合外加的窄帶濾波器，獲得在選定的高Q值模式處的振蕩信號；由于藍(lán)寶石微波腔及環(huán)路中的其它器件、線纜存在一定量的插損，因此，需要低噪聲微波功率放大器對振蕩信號進(jìn)行放大，當(dāng)振蕩環(huán)路增益與衰減相當(dāng)時，滿足頻率源起振的條件之一；由于振蕩電路中的器件及線纜均能引入一定的相移，要保證頻率源能夠起振且振蕩信號功率最大，需使用移相器對振蕩信號增加額外的相移，并通過調(diào)節(jié)相移量使得入腔信號的相位與微波腔內(nèi)信號的相位基本一致。

在基本振蕩環(huán)路的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提高頻率源的頻率穩(wěn)定度，采用POUND電路原理，增加相位控制環(huán)路，使振蕩信號的相位更加穩(wěn)定，如圖4所示。該環(huán)路包括檢波器、鎖相放大器、積分器、壓控移相器。通過壓控移相器對基本振蕩電路中的振蕩信號進(jìn)行頻率調(diào)制，調(diào)制頻率由實(shí)驗(yàn)確定，我們采用70kHz。檢波器將振蕩信號轉(zhuǎn)化為包含調(diào)制頻率信息的電壓信號，通過鎖相放大器及積分器產(chǎn)生反饋信號，反饋控制壓控移相器。

4 頻率穩(wěn)定度測試

圖5 頻率穩(wěn)定度測試原理框圖Fig.5 The schematic diagram of frequency stability measurement

由于低溫藍(lán)寶石微波頻率源的短期頻率穩(wěn)定度較高，無法直接測量。研制的2套低溫藍(lán)寶石微波頻率源，二者共用一套閉循環(huán)制冷裝置，通過互比得到二者的相對頻率穩(wěn)定度，原理如圖5所示。兩套頻率源輸出信號頻率分別為9.204GHz和9.205GHz，兩個輸出信號經(jīng)混頻器，得到頻率為209kHz的低頻信號。利用時間間隔計(jì)數(shù)器(Agilent 53132A)測量該低頻信號的頻率，采樣時間1s，并通過GPIB協(xié)議傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行儲存。使用頻率穩(wěn)定度分析軟件Stable32計(jì)算得到209kHz差頻信號的穩(wěn)定度，結(jié)果如圖6所示。1s頻率穩(wěn)定度測試結(jié)果達(dá)到了2.33×10-10。積分時間在(0～2)s范圍內(nèi)時，穩(wěn)定度與積分時間存在τ-1/2的比例關(guān)系，其中，起主要作用的噪聲類型是調(diào)頻白噪聲。積分時間約在(4～32)s范圍內(nèi)時，穩(wěn)定度與積分時間存在τ的比例關(guān)系，此時影響頻率源性能的主要是頻率隨機(jī)游走噪聲，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是部分幅度噪聲能夠被轉(zhuǎn)化為頻率噪聲，我們將在以后的工作中對此進(jìn)行優(yōu)化。

圖6 頻率穩(wěn)定度測試結(jié)果曲線圖Fig.6 The result of frequency stability

由于使用的是Λ型時間間隔計(jì)數(shù)器，因此計(jì)算所得的兩個信號的相對方差σΛ(τ)不同于實(shí)際的阿倫方差σy(τ)。對于調(diào)頻白噪聲來說，二者存在關(guān)系為[17]

σΛ(τ)≈1.14×σy(τ)

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并研制了兩套工作于WGH12,0,0本征模式的高Q值藍(lán)寶石微波腔，輸出頻率分別為9.204GHz和9.205GHz。在基于液氦的閉循環(huán)制冷裝置為微波腔提供低溫環(huán)境，該裝置具有溫度穩(wěn)定性高、機(jī)械振動小的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)溫度控制在6.4K，且溫度波動小于1mK時，微波腔Q值分別達(dá)到了1.3×108及4.0×108。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)POUND電路原理研制了穩(wěn)相電路。在實(shí)現(xiàn)頻率源起振的基礎(chǔ)上，對振蕩頻率信號的相位進(jìn)行穩(wěn)定控制。通過對兩套低溫藍(lán)寶石微波頻率源進(jìn)行互比，利用時間間隔計(jì)數(shù)器測量差頻信號的頻率，并經(jīng)計(jì)算得到頻率源秒級頻率穩(wěn)定度為3.28×10-15。