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來源：http://www.xlspa.cn 作者：康華爾電子 2020年07月01
亞皮秒相位穩(wěn)定倍頻器與Oscillator的關(guān)系
亞皮秒相位穩(wěn)定倍頻器的開發(fā)是受性能要求的推動,而這些性能要求是進(jìn)一步促進(jìn)線性加速器同步技術(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)超過配電系統(tǒng)的規(guī)格.例如,SLAC2英里直線加速器中使用的現(xiàn)有乘法器在2856MHz(約3900fS/℃)時(shí)的溫度系數(shù)高達(dá)4度/℃[1].下一代線性對撞機(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)來減小誤差,但是較低的漂移乘法器會減小穩(wěn)定波束相位所需的環(huán)路增益,從而增加了穩(wěn)定裕度.
對各種乘法器拓?fù)?聲表面濾波器類型和組件進(jìn)行了研究,以開發(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測試源
從一開始就意識到,由于室內(nèi)環(huán)境溫度的變化,測試臺部件,測試設(shè)備和電纜的溫度系數(shù)會產(chǎn)生重大的測量問題.為了最大程度地減少這些問題,對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)行的初步溫度測試顯示,相移約為0.7pS,從一次運(yùn)行到下一次運(yùn)行會有不可預(yù)測的變化,使得0.1pS分辨率的測量不切實(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導(dǎo)致相位不穩(wěn)定.
圖4.初始測試臺
Tenney Jr室中沒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)測相位漂移,但需要提高一個(gè)數(shù)量級.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)行的測試表明,從20℃~+50℃的相移僅為0.02ps,并且?guī)缀鯖]有磁滯現(xiàn)象.
奇數(shù)乘法器測試
對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試微帶濾波器會產(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Lark Engineering2.856GHz介質(zhì)濾波器P/N45D2856-50-3CC進(jìn)行了測試,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.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].嵌套烤箱控制器會增加大量的復(fù)雜性,通常需要經(jīng)過培訓(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)開發(fā)了一種專有的自舉式烤箱技術(shù),該技術(shù)可達(dá)到雙烤箱的性能,而無需電路復(fù)雜性或高溫要求.在最簡單的實(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)償有限的開環(huán)增益.)熱量通過半導(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,所以幾乎沒有熱量流過罐子之間的隔熱層,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,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.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,任何將來的升級都將通過用局部靜電覆蓋層完全屏蔽每個(gè)RF部分來完全消除它們.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,編號為100002,由Aspen Aerogels制造(未顯示).保溫方案是有效的；測得的烤箱熱阻約為22.6℃/瓦,對于這種尺寸的烤箱而言較高.
圖9.移除蓋子的乘法器
原型測試
Delta Design MK2300溫度室經(jīng)過修改,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,無法容納原始的自制室.測試設(shè)置包括一個(gè)自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(圖10).
圖10.原型測試臺
構(gòu)造了兩個(gè)相同的乘法器,以類似于圖4所示的技術(shù)進(jìn)行測試.初步測試無法檢測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,測試系統(tǒng)表現(xiàn)出明顯的漂移和滯后現(xiàn)象周圍.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量所產(chǎn)生的相移.然后,通過測量烤箱控制器的實(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℃.
亞皮秒相位穩(wěn)定倍頻器與Oscillator的關(guān)系
亞皮秒相位穩(wěn)定倍頻器的開發(fā)是受性能要求的推動,而這些性能要求是進(jìn)一步促進(jìn)線性加速器同步技術(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)超過配電系統(tǒng)的規(guī)格.例如,SLAC2英里直線加速器中使用的現(xiàn)有乘法器在2856MHz(約3900fS/℃)時(shí)的溫度系數(shù)高達(dá)4度/℃[1].下一代線性對撞機(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)來減小誤差,但是較低的漂移乘法器會減小穩(wěn)定波束相位所需的環(huán)路增益,從而增加了穩(wěn)定裕度.
對各種乘法器拓?fù)?聲表面濾波器類型和組件進(jìn)行了研究,以開發(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>
雙實(shí)驗(yàn)測試床
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測試源
圖3.參考通道烤箱
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)行的初步溫度測試顯示,相移約為0.7pS,從一次運(yùn)行到下一次運(yùn)行會有不可預(yù)測的變化,使得0.1pS分辨率的測量不切實(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導(dǎo)致相位不穩(wěn)定.
圖4.初始測試臺
奇數(shù)乘法器測試
對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
圖6.帶微帶濾波器的乘法器
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].嵌套烤箱控制器會增加大量的復(fù)雜性,通常需要經(jīng)過培訓(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)開發(fā)了一種專有的自舉式烤箱技術(shù),該技術(shù)可達(dá)到雙烤箱的性能,而無需電路復(fù)雜性或高溫要求.在最簡單的實(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
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,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.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9.移除蓋子的乘法器
Delta Design MK2300溫度室經(jīng)過修改,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,無法容納原始的自制室.測試設(shè)置包括一個(gè)自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(圖10).
圖10.原型測試臺
亞皮秒相位穩(wěn)定倍頻器與Oscillator的關(guān)系
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