一种多温区蓝宝石微波源系统和控制方法与流程

本申请涉及微波技术领域，尤其涉及一种蓝宝石微波源系统和控制方法。

背景技术：

低温蓝宝石微波源是一种新型的微波源，具有低相噪、高稳定度的优点，被广泛的应用于雷达、通信、航空航天、计量及基础物理研究等领域。目前国内外低温蓝宝石微波源一般采用的都是一个蓝宝石微波腔，也有采用两个微波腔的，但共享一个温度控制区，只能将两个微波腔控制在一个温度点。采用多个微波腔可以获得多路高稳定低相噪的微波信号输出，但共享一个温度控制区只能满足一个微波腔处于最佳状态，而其他个微波腔处于非最佳状态。形成了一路信号指标高，其他路信号指标低的状态。因此需要发明一种能够实现多温区控制的蓝宝石微波源系统。

技术实现要素：

本发明提供一种多温区蓝宝石微波源系统和控制方法，解决了目前有多个微波腔的蓝宝石微波源难以保证每路输出信号都具有高指标的问题。

本发明实施例提供一种多温区蓝宝石微波源系统，包括低温装置、微波腔、热板、温度控制模块和频率计。微波腔与热板位于低温装置内部；温度控制模块和频率计位于低温装置外部。热板为多个，每个热板包含板状部件、加热丝和热敏电阻；加热丝和热敏电阻与板状部件固定接触。微波腔为多个，每个微波腔至少与一个板状部件固定接触。温度控制模块，与热敏电阻和加热丝连接，用于控制微波腔的工作温度。频率计，用于接收微波腔输出的微波信号，测量微波信号的频率。

作为本发明提供的多温区温度控制蓝宝石微波源系统的一种优选方案。制冷装置包括真空罐、氦气液化器、液氦池、液氦导流管。真空罐内部为封闭真空区，液氦导流管从真空罐的顶端穿过并与所述真空罐焊接在一起，一端与氦气液化器连接，另一端与液氦池连接，氦气液化器位于所述真空罐的外部，液氦池位于真空罐的内部，热板固定在液氦池下方，与液氦池有热接触。

进一步地，氦气液化器为制冷量大于2w的gm氦气液化器。

进一步地，多温区蓝宝石微波源系统的低温装置有真空法兰接口，热敏电阻和加热丝通过导线连接到低温装置的真空法兰接口，真空法兰接口通过数据线缆连接至温度控制模块。

优选地，所述多温区温度控制蓝宝石微波源系统，还包括冷屏，冷屏装有热敏电阻，热敏电阻与温度控制模块连接。

作为本发明提供的多温区温度控制蓝宝石微波源系统的一种优选方案，温度控制模块包括pid控制器，用于使微波腔的工作温度快速达到设定值。

进一步，所述温度控制模块还包括上位机软件，用于为pid控制器设置合适的p值、i值及d值。

作为本发明提供的多温区温度控制蓝宝石微波源系统的另一种优选方案微波腔与滤波器、移相器、放大器连接，形成振荡环路，输出微波信号。

进一步地，频率计，还用于输出微波信号的频率与微波腔的标准频率的差值。

本发明还提供一种多温区蓝宝石微波源的控制方法，用于上述任意一项蓝宝石微波源系统，包括以下步骤：启动低温装置制冷，温度达到预定值后，启动温度控制模块；对每一微波腔，分别改变微波腔的工作温度，测量微波信号的频率，计算所述频率与所述微波腔的标准频率的差值；查找差值最小值所对应的工作温度，即为微波腔的温度拐点；保持微波腔的工作温度处于温度拐点。

作为本发明提供的一种多温区蓝宝石微波源的控制方法的优选方案，还包括步骤：根据热敏电阻的阻值设置p值、i值及d值，使用pid控制方法改变微波腔的工作温度。

本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

本发明实施例提供一种多温区蓝宝石微波源系统和温度控制方法，所述系统利用温度控制模块，能够在低温区精确控制每一个微博腔的工作温度，实现每一个蓝宝石微波腔都处于最佳工作温度，输出高指标微波信号。因此，本发明提供的多温区蓝宝石微波源能够满足一个微波源输出的多路微波信号，并且每路信号都具有高指标的要求，具有广泛的经济效益。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为一种多温区蓝宝石微波源系统框图；

图2为一种制冷装置的优选方案框图；

图3为一种多温区蓝宝石微波源系统改进型框图；

图4为一种多温区蓝宝石微波源系统改进型框图；

图5为一种多温区蓝宝石微波源系统改进型框图；

图6为一种多温区蓝宝石微波源系统改进型框图；

图7为一种多温区蓝宝石微波源系统改进型框图；

图8为一种多温区蓝宝石微波源的控制方法流程图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

低温蓝宝石微波频率源具有极低的相位噪声(在x波段，<-160dbc/hz@10khz)和优异的短期稳定度(<1e-15@1s)，其指标远非传统微波源所能达到。其工作的主要原理是：利用蓝宝石在低温时的低损耗正切值，形成高q值的微波，采用正激励的方式使高q值的微波腔选择的频率形成振荡；在外围电路进行该微波频率的相位控制和幅度控制，使整机形成稳定的微波信号输出。当蓝宝石微波腔工作在最佳温度时，蓝宝石微波腔能够产生高q值的微波模式。

图1为一种多温区蓝宝石微波源系统框图。包括低温装置1、至少一个微波腔20,21、至少一个热板3,30、温度控制模块4和频率计5。

微波腔与热板位于低温装置内部；温度控制模块和频率计位于低温装置外部。热板为多个，每个热板包含板状部件、加热丝31、33和热敏电阻32、34；加热丝和热敏电阻与板状部件固定接触。微波腔为多个，每个微波腔至少与一个板状部件固定接触。温度控制模块，与热敏电阻和加热丝连接，用于控制微波腔的工作温度。频率计，接收微波腔输出的微波信号，用于测量微波信号的频率。

由于蓝宝石在生长过程中的缺陷，掺杂离子浓度分布不均及温度形变等综合因素，即使是同一尺寸、同一厂家的蓝宝石材料，蓝宝石微波腔的最佳的工作温度，即温度拐点也不同。一般情况下，蓝宝石微波腔的温度拐点在5k～10k之间。因此，对于当低温装置采用液氦降温达到4.2k时，还不是蓝宝石微波腔的温度拐点，需要使用温度控制模块控制蓝宝石微波腔位于温度拐点。

本实施例中的多温区蓝宝石微波源包含多个蓝宝石微波腔，每个蓝宝石微波腔均与至少一个热板有热接触。温度控制模块与每个热板上的热敏电阻连接，能够监控每个蓝宝石微波腔的工作温度。温度控制模块与每个热板上的加热丝连接，能够根据当前每个蓝宝石微波腔的工作温度，判断是否对热板加热或者停止加热。因此，温度控制模块可以将每个蓝宝石微波腔的工作温度控制在设定值。

每个蓝宝石微波腔输出的微波信号都接入频率计。频率计用于测量每个蓝宝石微波腔输出的微波信号频率，通过比较输出的微波信号频率和该个蓝宝石微波腔的标准频率，判断温度控制模块设置的温度是否为该个蓝宝石微波腔的温度拐点。

需要说明的是，温度控制模块还包括数据接口，还用于设置微波腔工作温度，或者微波腔工作温度的改变间隔和改变范围。作为本发明的一种优选方案，温度控制模块能够按可变温度间隔改变微波腔的工作温度。

需要说明的是，图1中多温区蓝宝石微波源有两个蓝宝石微波腔，两个热板，但本实施例中的多温区蓝宝石微波源可以有多个蓝宝石微波腔，和相应数量以上的热板，不局限于两个，这里不做具体要求。

需要说明的是，所述蓝宝石微波腔可以通过螺钉固定在所述热板上，也可以通过其他方式固定在所述热板上，保证所述蓝宝石微波腔与所述热板有热接触。

图2为一种制冷装置的优选方案框图。制冷装置包括真空罐11、氦气液化器12、液氦池14、液氦导流管13。真空罐内部为封闭真空区，液氦导流管从真空罐的顶端穿过并与所述真空罐焊接在一起，一端与氦气液化器连接，另一端与液氦池连接，氦气液化器位于所述真空罐的外部，液氦池位于真空罐的内部，热板固定在液氦池下方，与液氦池有热接触。

需要说明的是，多温区控制对低温装置的制冷量要求较大，国外采用的脉管制冷机的制冷量在1.5w，如果有两个温区则会产生最大1.5度的温差，会增大制冷设备负担，不一定能够满足对温度稳定性的要求。我们采用的是gm氦气液化器，其峰值功率在2.2w，能够满足多温区的温度梯度产生的热量补偿。其次，多温区控温对整机的体积有较大的要求。国外的结构形式采用双真空，及微波腔部分为一密闭空间，真空罐和此密闭空间之间为另一密闭空间，采用分离温区控制必然会增大内空间的体积，增大了系统漏热，不利于温度控制。本实施例采用的结构与国外不同，液氦池位于真空罐的内部，形成一个低温区，液氦池外为一个真空区，可以很好的解决这一问题。

图3为一种多温区蓝宝石微波源系统改进型框图。包括低温装置1、至少一个微波腔20,21、至少一个热板3,30、温度控制模块4和频率计5。

微波腔与热板位于低温装置内部；温度控制模块和频率计位于低温装置外部。热板为多个，每个热板包含板状部件、加热丝31、33和热敏电阻32、34；加热丝和热敏电阻与板状部件固定接触。微波腔为多个，每个微波腔至少与一个板状部件固定接触。温度控制模块，与热敏电阻和加热丝连接，用于控制微波腔的工作温度。频率计，接收微波腔输出的微波信号，用于测量微波信号的频率。

低温装置有真空法兰接口60，热敏电阻和加热丝通过导线连接到低温装置的真空法兰接口，真空法兰接口通过数据线缆连接至温度控制模块。

低温装置还包括电控真空法兰接口61，频率计的监测线缆通过电控真空法兰接口进入真空低温装置连接蓝宝石微波腔。

需要说明的是，作为连接热敏电阻和加热丝的导线的一种方案是极细的铜丝。

图4为一种多温区蓝宝石微波源系统改进型框图。包括低温装置1、至少一个微波腔20,21、至少一个热板3,30、温度控制模块4和频率计5。

微波腔与热板位于低温装置内部；温度控制模块和频率计位于低温装置外部。热板为多个，每个热板包含板状部件、加热丝31、33和热敏电阻32、34；加热丝和热敏电阻与板状部件固定接触。微波腔为多个，每个微波腔至少与一个板状部件固定接触。温度控制模块，与热敏电阻和加热丝连接，用于控制微波腔的工作温度。频率计，接收微波腔输出的微波信号，用于测量微波信号的频率。低温装置有真空法兰接口60，电控真空法兰接口61。热敏电阻和加热丝通过导线连接到低温装置的真空法兰接口，真空法兰接口通过数据线缆连接至温度控制模块。频率计的监测线缆通过电控真空法兰接口进入真空低温装置连接蓝宝石微波腔。

作为多温区温度控制蓝宝石微波源系统的一种优选方案，还包括冷屏7。冷屏装有热敏电阻35，热敏电阻与温度控制模块连接。

冷屏位于低温装置内，用于防止外部热量传入，保证低温装置内形成稳定的温度分布。冷屏装有热敏电阻，并与温度控制模块连接，使温度控制模块能够通过热敏电阻的阻值监控冷屏的温度。

需要说明的是，对于使用液氦制冷的低温装置来说，冷屏一般固定在液氦导流管上。

图5为一种多温区蓝宝石微波源系统改进型框图。包括低温装置1、至少一个微波腔20,21、至少一个热板3,30、温度控制模块4和频率计5。

微波腔与热板位于低温装置内部；温度控制模块和频率计位于低温装置外部。热板为多个，每个热板包含板状部件、加热丝31、33和热敏电阻32、34；加热丝和热敏电阻与板状部件固定接触。微波腔为多个，每个微波腔至少与一个板状部件固定接触。温度控制模块，与热敏电阻和加热丝连接，用于控制微波腔的工作温度。频率计，接收微波腔输出的微波信号，用于测量微波信号的频率。

低温装置有真空法兰接口60，电控真空法兰接口61。热敏电阻和加热丝通过导线连接到低温装置的真空法兰接口，真空法兰接口通过数据线缆连接至温度控制模块。频率计的监测线缆通过电控真空法兰接口进入真空低温装置连接蓝宝石微波腔。

作为多温区温度控制蓝宝石微波源系统的一种优选方案，温度控制模块包括pid控制器41，用于使微波腔的工作温度快速达到设定值。

需要说明的是，pid控制器由比例单元p、积分单元i和微分单元d组成，是一个广泛应用温度控制器件，有商用的标准器件。它根据pid控制原理对微波腔的温度进行偏差调节，从而使微波腔的实际工作温度与预定值一致。

图6为一种多温区蓝宝石微波源系统改进型框图。包括低温装置1、至少一个微波腔20,21、至少一个热板3,30、温度控制模块4和频率计5。

微波腔与热板位于低温装置内部；温度控制模块和频率计位于低温装置外部。热板为多个，每个热板包含板状部件、加热丝31、33和热敏电阻32、34；加热丝和热敏电阻与板状部件固定接触。微波腔为多个，每个微波腔至少与一个板状部件固定接触。温度控制模块，与热敏电阻和加热丝连接，用于控制微波腔的工作温度。频率计，接收微波腔输出的微波信号，用于测量微波信号的频率。

低温装置有真空法兰接口60，电控真空法兰接口61。热敏电阻和加热丝通过导线连接到低温装置的真空法兰接口，真空法兰接口通过数据线缆连接至温度控制模块。频率计的监测线缆通过电控真空法兰接口进入真空低温装置连接蓝宝石微波腔。

温度控制模块包括pid控制器，用于使微波腔的工作温度快速达到设定值。

温度控制模块还包括上位机软件，用于为pid控制器设置合适的p值、i值及d值。

需要说明的是，上位机软件可以采用labview软件，也可采用其他软件进行编程，这里不做具体要求。上位机提供交互接口，可以人为设置合适的p值、i值及d值。

图7为一种多温区蓝宝石微波源系统改进型框图。包括低温装置1、至少一个微波腔20,21、至少一个热板3,30、温度控制模块4和频率计5。

微波腔与热板位于低温装置内部；温度控制模块和频率计位于低温装置外部。热板为多个，每个热板包含板状部件、加热丝31、33和热敏电阻32、34；加热丝和热敏电阻与板状部件固定接触。微波腔为多个，每个微波腔至少与一个板状部件固定接触。温度控制模块，与热敏电阻和加热丝连接，用于控制微波腔的工作温度。频率计，接收微波腔输出的微波信号，用于测量微波信号的频率。

低温装置有真空法兰接口60，电控真空法兰接口61。热敏电阻和加热丝通过导线连接到低温装置的真空法兰接口，真空法兰接口通过数据线缆连接至温度控制模块。频率计的监测线缆通过电控真空法兰接口进入真空低温装置连接蓝宝石微波腔。

作为本发明提供的多温区温度控制蓝宝石微波源系统的优选方案，微波腔与滤波器50、移相器51、放大器52连接，形成振荡环路，输出微波信号。

滤波器接收并传递蓝宝石微波腔输出的微波信号，所述移相器接收所述滤波器输出的微波信号，并输出移相信号；所述放大器接收所述移相信号，并输出放大后的移相信号给频率计。

需要说明的是，频率计，还用于输出微波信号的频率与微波腔的标准频率的差值。

作为频率计的一种实现方案为，将所述微波信号输入带有外部标准的频率计数器，记录该微波信号的随取样时间的波动；软件分析采样数据，计算出输出微波信号的频率与微波腔的标准频率的差值。

图7为一种多温区蓝宝石微波源的控制方法流程图。用于上述任意一项蓝宝石微波源系统，包括以下步骤：

步骤101：启动低温装置制冷，温度达到预定值后，启动温度控制模块。

在步骤101中，多温区蓝宝石微波源系统安装完毕，启动低温装置开始制冷，温度达到预定值后，启动温度控制模块。

需要说明的是，不同的制冷方式，温度的预定值不一样。例如，使用氦气液化器制冷，预定的低温区为4.2k；适用液氮制冷，预定的低温区为77k。

步骤102：对每一微波腔，分别改变微波腔的工作温度，测量微波信号的频率，计算所述频率与所述微波腔的标准频率的差值。

在步骤102中，多温区蓝宝石微波源系统有多个蓝宝石微波腔需要对其温度拐点进行测试，一般采用逐个测试的流程。选取一个微波腔，同时，关闭对其他微波腔的控制。使用频率计接收微波腔输出的微波信号，测量微波信号的频率，并计算微波信号的频率与微波腔的标准频率的差值。

需要说明的是，作为一种优选方案，将所述微波信号输入带有外部标准的频率计数器，记录该微波信号的随取样时间的波动；软件分析采样数据，计算出输出微波信号的频率与微波腔的标准频率的差值。

需要说明的是，改变微波腔的工作温度是通过温度控制模块，设置微波腔的工作温度的变化区间和温度变化间隔，使微波腔的工作温度依次改变。记录每一微波腔的工作温度对应的频率差值。

需要说明的是，作为一种优选方案，温度控制模块使用pid控制方案，使微波腔的工作温度快速达到设定值。温度控制模块还包括上位机软件，用于为pid控制器设置合适的p值、i值及d值。

步骤103：查找差值最小值所对应的工作温度，即为微波腔的温度拐点。

在步骤103中，温度控制模块完成对微波腔的不同工作温度的设置后，查找记录每一工作温度对应的差值，找到频率差值最小值所对应的工作温度，即为待测微波腔的温度拐点。

步骤104：保持微波腔的工作温度处于温度拐点。

在步骤104中，温度控制模块使用pid控制原理对微波腔的温度进行偏差调节，从而使微波腔的实际工作温度与预定的温度拐点一致。

需要说明的是，对于有多个微波腔的蓝宝石微波源系统，完成对一个微波腔的温度设置后，温度控制模块还要判断有无未进行温度设置的微波腔：如果有，则选择一个待测微波腔，重复温度设置步骤，保持待测微波腔的工作温度处于相应的温度拐点；如果无，则温度控制结束。

进一步说明，温度控制模块完成一个微波腔的温度设置后，对该微博腔标记为完成，然后判断微波源内有无还未进行温度设置的微波腔，若有，从中选择一个待测微波腔，重复温度设置步骤，保持待测微波腔的工作温度处于相应的温度拐点。若无，则完成温度控制。

以图1所示的一个包括9.204ghz和9.205ghz两个蓝宝石微波腔的多温区蓝宝石微波源系统为例，说明微波源系统的使用方法。安装好所述蓝宝石微波源系统的各个部件后，低温装置开始制冷，本实施例中使用的是液氦制冷。当温度到达4.2k后，开启温度控制模块。温度控制模块首先对9.204ghz微波腔进行温度控制，同时关闭9.205ghz微波腔的温度控制。温度控制模块对9.204ghz微波腔的工作温度每次升温0.05k，同时通过频率计测试9.204ghz微波腔输出频率与9.204ghz的频率差值。记录9.205ghz微波腔的工作温度与对应的频率差值。查找频率差值最小值所对应的工作温度，即为待测微波腔的温度拐点。保持9.204ghz微波腔的工作温度处于温度拐点。然后开启9.205ghz的温度控制，利用同样的方式可以找到9.205ghz微波腔的稳点拐点。本案例9.204ghz的温度拐点为6.4k，9.205ghz的温度拐点为5.8k，每个微波腔的温度稳定性能够达到1mk。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。