亞皮秒相位穩(wěn)定倍頻器與Oscillator的關(guān)系
　　亞皮秒相位穩(wěn)定倍頻器的開(kāi)發(fā)是受性能要求的推動(dòng),而這些性能要求是進(jìn)一步促進(jìn)線(xiàn)性加速器同步技術(shù)的發(fā)展水平的.現(xiàn)有的乘法器由于溫度變化而導(dǎo)致的相位漂移遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)配電系統(tǒng)的規(guī)格.例如,SLAC2英里直線(xiàn)加速器中使用的現(xiàn)有乘法器在2856MHz(約3900fS/℃)時(shí)的溫度系數(shù)高達(dá)4度/℃[1].下一代線(xiàn)性對(duì)撞機(jī)要求射頻中的相位穩(wěn)定度為100fS左右,該頻率以357MHz的頻率分布在30公里內(nèi),每600米有50個(gè)分布點(diǎn)[2].經(jīng)歷20度環(huán)境溫度變化的單個(gè)此類(lèi)乘法器將引入相移700倍以上,這是可接受的.采用了反饋穩(wěn)定技術(shù)來(lái)減小誤差,但是較低的漂移乘法器會(huì)減小穩(wěn)定波束相位所需的環(huán)路增益,從而增加了穩(wěn)定裕度.
　　對(duì)各種乘法器拓?fù)?聲表面濾波器類(lèi)型和組件進(jìn)行了研究,以開(kāi)發(fā)出一種固有穩(wěn)定的電路,該電路還具有較低的相位噪聲,并且設(shè)計(jì)了一種新型的自舉式烤箱結(jié)構(gòu)來(lái)嚴(yán)格控制電路的溫度.這些發(fā)現(xiàn)被合并到兩個(gè)超出設(shè)計(jì)目標(biāo)的原型單元中.

圖1.Wenzel奇數(shù)階拓?fù)?/span>

　　通用二極管倍頻器電路也傾向于以類(lèi)似方式抑制幅度和溫度引起的相移.其他被拒絕為候選者的乘法器拓?fù)渚哂蟹橇汩撝?這將導(dǎo)致顯著的AM到PM轉(zhuǎn)換,并有望表現(xiàn)出顯著的閾值溫度系數(shù).
雙實(shí)驗(yàn)測(cè)試床
　　大多數(shù)實(shí)驗(yàn)是使用輸出頻率為1500MHz的3X乘法器進(jìn)行的.構(gòu)建了一個(gè)由100MHz低噪聲恒溫石英晶體振蕩器,一個(gè)高電平5X倍頻器,放大器和衰減器組成的500MHz源(圖2).

圖2.500MHz測(cè)試源

　　從一開(kāi)始就意識(shí)到,由于室內(nèi)環(huán)境溫度的變化,測(cè)試臺(tái)部件,測(cè)試設(shè)備和電纜的溫度系數(shù)會(huì)產(chǎn)生重大的測(cè)量問(wèn)題.為了最大程度地減少這些問(wèn)題,對(duì)參考頻率功率分配器,參考乘法器和相位比較混頻器以及低通濾波器進(jìn)行了烘箱處理(圖3).

圖3.參考通道烤箱

　　加熱晶體管安裝在1/4英寸厚的鋁制外殼的所有表面上,以實(shí)現(xiàn)均勻的熱量分布,傳感熱敏電阻位于前連接器板和內(nèi)部安裝板的連接處,以引導(dǎo)內(nèi)部板的溫度.在內(nèi)部板的底部,整個(gè)烤箱結(jié)構(gòu)都被泡沫絕緣材料所包圍,內(nèi)部板的兩側(cè)都有用于所有參考支腳組件的空間,包括功率分配器,混合器和倍增器.初始測(cè)試配置,包括溫度室.
　　僅在室內(nèi)使用兩條半剛性電纜和一條連接的SMA子彈進(jìn)行的初步溫度測(cè)試顯示,相移約為0.7pS,從一次運(yùn)行到下一次運(yùn)行會(huì)有不可預(yù)測(cè)的變化,使得0.1pS分辨率的測(cè)量不切實(shí)際.進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論是,由于腔室的單個(gè)進(jìn)入端口,連接器和電纜設(shè)計(jì)而導(dǎo)致的電纜必要的彎曲都會(huì)導(dǎo)致相位不穩(wěn)定.

圖4.初始測(cè)試臺(tái)

　　Tenney Jr室中沒(méi)有連接器的溫度循環(huán)的Gore Ready Flex.145溫度循環(huán)電纜的單回路表現(xiàn)出約0.1pS的可預(yù)測(cè)相位漂移,但需要提高一個(gè)數(shù)量級(jí).為了使暴露在溫度變化下的電纜量最小化,構(gòu)建了一個(gè)小的熱電溫度室,在其兩端各有一個(gè)用于電纜的孔,以避免彎曲(圖5).使用低相位漂移電纜(Storm產(chǎn)品,PhaseMaster190)和低相位漂移Astrolab＃29485-3SMA子彈進(jìn)行的測(cè)試表明,從20℃~+50℃的相移僅為0.02ps,并且?guī)缀鯖](méi)有磁滯現(xiàn)象.
奇數(shù)乘法器測(cè)試
　　對(duì)Wenzel晶振公司的奇數(shù)倍增器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的兩個(gè)二極管和四個(gè)二極管版本進(jìn)行的快速測(cè)試表明,四個(gè)二極管版本顯示的漂移明顯較小,在20度范圍內(nèi)僅變化5.6pS,約為該器件的相移的1/3.兩個(gè)二極管版本.在四個(gè)二極管版本中,單獨(dú)加熱相反極性的二極管會(huì)產(chǎn)生相反極性的相移,這表明正按預(yù)期進(jìn)行補(bǔ)償.

圖5.熱電箱

　　在30℃~+50℃的新腔室中測(cè)試了標(biāo)準(zhǔn)的四二極管乘以3的500至1500MHz的Bluetop乘法器(帶有集總元件濾波器和MMIC放大器).相位漂移為10pS,重復(fù)性好.四二極管乘法器的另一個(gè)版本在TaconicRF60電路板材料上具有帶螺紋的發(fā)夾式微帶通濾波器,在相同溫度范圍內(nèi)漂移8.6pS(圖6).

圖6.帶微帶濾波器的乘法器

　　在不使用倍增二極管的情況下測(cè)試微帶濾波器會(huì)產(chǎn)生13pS的漂移,這表明倍增器中發(fā)生了一些抵消.構(gòu)造了另一個(gè)陶瓷元件濾波器,并在500MHz下進(jìn)行了測(cè)試,漂移為5.5pS.1.5GHz的集總帶通濾波器表現(xiàn)出約5.0pS的漂移.這兩個(gè)濾波器在實(shí)際的烘箱化范圍內(nèi),需要適度的烘箱增益50才能達(dá)到0.1pS的穩(wěn)定性,并且比微帶濾波器小得多.在20℃~40℃的溫度范圍內(nèi)對(duì)Lark Engineering2.856GHz介質(zhì)濾波器P/N45D2856-50-3CC進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果出色,僅漂移1.7pS,僅需進(jìn)行適度的溫度控制即可穩(wěn)定下來(lái).乘法器奇數(shù)部分的整體性能預(yù)計(jì)小于10pS,需要烤箱增益為100或更高.
自舉烤箱
　　傳統(tǒng)上,當(dāng)需要異常精確的溫度控制時(shí),可使用嵌套的雙烤箱溫度控制器,從而獲得數(shù)千個(gè)熱增益[4].嵌套烤箱控制器會(huì)增加大量的復(fù)雜性,通常需要經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的技術(shù)人員進(jìn)行仔細(xì)的調(diào)整,并且由于內(nèi)部烤箱必須在高于外部烤箱的溫度下運(yùn)行,因此在任何給定的環(huán)境溫度下,內(nèi)部烤箱必須在比單烤箱更高的溫度下運(yùn)行.Wenzel以前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種專(zhuān)有的自舉式烤箱技術(shù),該技術(shù)可達(dá)到雙烤箱的性能,而無(wú)需電路復(fù)雜性或高溫要求.在最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)中,由導(dǎo)熱材料制成的內(nèi)外烤箱罐在某一點(diǎn)或沿等溫線(xiàn)熱連接,并在所有其他點(diǎn)彼此絕緣(圖7).

圖7.自舉烤箱方案

　　傳感器(通常是熱敏電阻)位于此連接點(diǎn)處或附近,以便在電模擬中精確控制其溫度,表示為固定的控制溫度V.(熱敏電阻的最佳位置可能略微靠近環(huán)境,以補(bǔ)償有限的開(kāi)環(huán)增益.)熱量通過(guò)半導(dǎo)體或電阻加熱元件施加到外部烤箱.由于外烤箱的罐子大約是等溫的(與外烤箱的泡沫相比,外烤箱的電阻低)并且溫度與內(nèi)烤箱的罐子幾乎相同,所以幾乎沒(méi)有熱量流過(guò)罐子之間的隔熱層,因此,罐上的熱梯度很小.內(nèi)部烤箱.本質(zhì)上,外部烤箱可以在罐之間引導(dǎo)絕緣泡沫的冷側(cè),從而大大提高其有效的耐熱性.
　　由于絕緣材料的熱阻比烤箱結(jié)構(gòu)的電阻高幾個(gè)數(shù)量級(jí),因此環(huán)境溫度變化的衰減系數(shù)等于烤箱外部結(jié)構(gòu)熱阻與泡沫外部熱阻之比與溫度之間的乘積.內(nèi)部烤箱結(jié)構(gòu)的熱阻與內(nèi)部泡沫的熱阻有關(guān).Wenzel Associates的實(shí)驗(yàn)表明,將一個(gè)簡(jiǎn)單的銅”毯子”包裹在目標(biāo)設(shè)備上并連接到熱敏電阻位置附近的外部烤箱,其系數(shù)提高了50倍.采用由Bergquist Thermal Clad材料制成的PCB作為內(nèi)部烤箱結(jié)構(gòu),高性能烤箱恒溫晶體振蕩器的熱增益超過(guò)500,已實(shí)現(xiàn)了更大的改進(jìn).該P(yáng)CB是0.060實(shí)心銅層,帶有絕緣層并在一側(cè)走線(xiàn).PCB具有三個(gè)安裝點(diǎn),但只有一個(gè)安裝點(diǎn)允許與外部烤箱直接熱接觸,并且控制熱敏電阻位于此點(diǎn).乘法器使用了類(lèi)似的方法,只是將一塊單獨(dú)的銅片回流到PCB的底部.

圖8.乘法器電路和烤箱

　　圖8顯示了烤箱結(jié)構(gòu),其中取下了蓋子,露出了倍增器.奇怪的形狀使RF連接器進(jìn)一步進(jìn)入烤箱環(huán)境,以減少它們對(duì)相位漂移的影響,并減少由于電纜引起的點(diǎn)冷卻.烤箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一塊0.05英寸的銅板,回流焊接到PCB的底部,并且它在控制熱敏電阻附近的一點(diǎn)處與烤箱的外部容器接觸.板上的首次嘗試存在RF接地問(wèn)題,需要添加接地觸點(diǎn).這些接觸往往使自舉失敗,這是不希望的.第二個(gè)版本消除了大部分但不是全部的手指,任何將來(lái)的升級(jí)都將通過(guò)用局部靜電覆蓋層完全屏蔽每個(gè)RF部分來(lái)完全消除它們.圖9顯示了烤箱在絕緣外殼內(nèi).絕大部分的絕緣材料是硬質(zhì)聚氨酯泡沫,但頂部和底部的較高表面積有一個(gè)額外的1/4英寸的柔性氣凝膠毯,編號(hào)為100002,由Aspen Aerogels制造(未顯示).保溫方案是有效的；測(cè)得的烤箱熱阻約為22.6℃/瓦,對(duì)于這種尺寸的烤箱而言較高.

圖9.移除蓋子的乘法器

原型測(cè)試
　　Delta Design MK2300溫度室經(jīng)過(guò)修改,方法是在背面鉆一個(gè)孔,以避免彎曲電纜,并最大程度地減少室內(nèi)的電纜數(shù)量.完成的單元太大,無(wú)法容納原始的自制室.測(cè)試設(shè)置包括一個(gè)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(圖10).

圖10.原型測(cè)試臺(tái)

　　構(gòu)造了兩個(gè)相同的乘法器,以類(lèi)似于圖4所示的技術(shù)進(jìn)行測(cè)試.初步測(cè)試無(wú)法檢測(cè)到歸因于乘法器的任何系統(tǒng)相移,但是由于電纜和暴露在室內(nèi)的組件,測(cè)試系統(tǒng)表現(xiàn)出明顯的漂移和滯后現(xiàn)象周?chē)?已確定,量化乘數(shù)漂移的一種更成功的方法是更改乘數(shù)烤箱的設(shè)定點(diǎn),以產(chǎn)生已知的固定溫度階躍并測(cè)量所產(chǎn)生的相移.然后,通過(guò)測(cè)量烤箱控制器的實(shí)際增益,可以以合理的準(zhǔn)確度推斷出由于環(huán)境溫度變化而引起的相位漂移.一個(gè)裝置的烤箱設(shè)定點(diǎn)以10歐姆的步長(zhǎng)變化,總共變化50歐姆,這導(dǎo)致總設(shè)定點(diǎn)溫度變化1.85℃.
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