高稳定度低温蓝宝石微波频率源设计

发布时间：2021-03-11 03:20

　　利用蓝宝石晶体在低温下具有低损耗的特点,设计并研制了本征模式为WGH_12,0,0的蓝宝石微波腔。当温度稳定在6. 4K时,其Q值能够达到4. 0×10⁸。以此微波腔为基础,形成正反馈振荡回路,并根据POUND电路原理对环路中振荡信号的相位进行控制,提高整机稳定度指标。为满足频率互比测试的需求,采用共用一个低温装置的方案,构建了两台低温蓝宝石微波源,一路输出频率为9. 204GHz,另一路输出频率为9. 205GHz,两路信号混频,并用时间间隔计数器测量差频信号的频率。经计算,低温蓝宝石微波频率源的秒级频率稳定度达到了3. 28×10^-15。 

【文章来源】：宇航计测技术. 2020,40(01)

【文章页数】：5 页

【部分图文】：

蓝宝石腔体结构图

蓝宝石晶体在低温下具有低损耗的特点，使得蓝宝石微波腔在低温环境中具有极高的Q值。为维持高Q值，蓝宝石微波腔需连续工作在低温环境中。我们设计并研制了基于液氦的闭循环制冷装置，为蓝宝石微波腔提供低温环境。为保证谐振频率的稳定性，制冷装置需具有极高的温度稳定性和极小的机械振动。作为制冷剂的液氦价格昂贵，而且在制冷装置工作过程中，液氦不断吸收热量汽化，消耗量大。考虑到在应用过程中频率源的维持成本，引入氦气再液化系统，设计了闭循环制冷装置，结构如图2所示。制冷装置工作启动，将氦气输入装置内，氦气再液化系统将氦气液化。液氦经输液管输入至低温杜瓦，对低温杜瓦内的谐振腔进行冷却。吸热后的液氦汽化，氦气返回液化装置进行重新液化，从而实现氦气循环利用。在制冷装置工作过程中，仅需定期补充氦气即可，维持费用低。制冷装置的温度通过控制系统进行控制，工作过程为：低温杜瓦内放置铑铁温度计，温度控制系统采集杜瓦内的实时温度值，经PID控制器处理计算后将加热信号传输给低温杜瓦内的加热装置，从而将微波腔的温度控制在4.2K至15K之间任一设定值上，且温度波动低于1mK。由于机械振动也会对频率源的频率稳定度产生影响，因此，在低温杜瓦外设置减震装置，使机械振动小于1μm。由于低温蓝宝石微波频率源的短期频率稳定度较高，目前无法直接测量，为此，我们在低温装置内设计了两套蓝宝石微波腔，通过互比得到相对频率稳定度。

谐振腔内耦合环的大小、探入腔内的深度会影响输入输出耦合系数及Q值，在调试过程中需仔细反复调试以获得最佳输入输出耦合系数及Q值。当低温装置温度控制在6.4K时，实验测得两套微波腔的谐振频率分别为9.204GHz,9.205GHz，如下图所示。经网络分析仪测试，Q值分别为1.3×108及4.0×108。3 电路装置

【参考文献】：
期刊论文
[1]移动用恒温石英晶体振荡器设计[J]. 晏敏,曾云,曾健平,高云.  宇航计测技术. 2003(06)



本文编号：3075770