一种蓝宝石频率源的制作方法

1.本发明涉及电子设备技术领域，特别是涉及一种蓝宝石频率源。


背景技术：

2.低相噪、高稳定度的微波频率源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，获得微波源的传统方式主要有两种：一种 是通过标准晶振(5mhz或10mhz)倍频的方式获得。另一种是通过设计介质 振荡器(dro)的谐振频率后配合外围电路获得。
3.和上述两种传统方式相比，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。chirstophe等人采用低温蓝宝石的方式获得了 5e
‑
16@1s的稳定度，
‑
100dbc/hz@1hz的优秀指标，具体请参见文献
ꢀ“
characterization of the individual short
‑
term frequency stability of cryogenicsapphire oscillators at the 10
‑
16 level，ieee transactions onultrasonics,ferroelectrics,and frequency control,vol. 63,no.6,june 2016”。john等人利用低温蓝宝石的方式获得了1e
‑
15τ
‑
1/2(1s ＜τ＜10s),1hz相噪
‑
97.5dbc/hz的指标，具体请参见文献“ultra
‑
low vibrationpulse
‑
tube cryocooler stabilized cryogenic sapphire oscillator with 10
‑
16 fractionalfrequency stability，ieee trans.on microwave theory andtechniques,vol.10,no.1,december 2010”。上述技术方案为世界低温 蓝宝石微波源的代表，其中用于维持蓝宝石工作温度的低温装置采用脉管氦气 制冷机，对氦气进行液化，为了保证微波腔与氦气的隔离还需要附加的真空室 将微波腔进行封闭。其最大的优点是振动小、体积小，但整机价格昂贵。中国 国内曾采用g
‑
m氦制冷机实现了低温蓝宝石微波源，在其方案中，由制冷机 产生的液氦进入液氦池形成低温区，整个低温系统腔体内，冷屏为片状并沿竖 直方向分布，温度以自然梯度方式分布，其存在漏热较大、控温精度低、整机 体积大(约3
‑
4立方米)、无法移动等缺点。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种蓝宝石频率源。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种蓝宝石频率源，包括：制冷装置、起振/输出装置、微波发生装置和 移动装置；
7.所述制冷装置分别与所述起振/输出装置和所述微波发生装置连接；所述 起振/输出装置与所述微波发生装置连接；所述移动装置套设在所述微波发生 装置上；
8.所述制冷装置用于为所述微波发生装置提供低温环境；所述微波发生装置 用于产生震荡信号；所述起振/输出装置用于为所述微波发生装置提供起振源 信号，并用于输
出频率源；
9.所述移动装置用于带动所述蓝宝石频率源进行移动。
10.优选地，所述制冷装置包括：制冷机、温度控制器、温度传感器组和氦气 腔；
11.所述制冷机和所述温度传感器组均与所述温度控制器电连接；所述制冷机 通过制冷管道与所述氦气腔连接。
12.优选地，所述微波发生装置包括：微波腔、传冷组件、一级冷屏和二级冷 屏；
13.所述微波腔通过所述传冷组件与所述氦气腔机械连接；所述二级冷屏包裹 所述微波腔和所述传冷组件；所述一级冷屏和所述二级冷屏构成真空腔。
14.优选地，所述温度传感器组包括第一温度传感器和第二温度传感器；
15.所述第一温度传感器设置在所述微波腔上，并置于所述二级冷屏中；所述 第二温度传感器设置在所述氦气腔上，并置于所述真空腔中；所述第一温度传 感器和所述第二温度传感器均与所述温度控制器电连接。
16.优选地，所述第一温度传感器和所述第二温度传感器均为铑铁温度传感 器。
17.优选地，所述微波发生装置还包括：真空罩；
18.所述真空罩罩设在所述真空腔外侧；所述真空罩与所述制冷机通过橡胶波 纹管固定连接。
19.优选地，所述移动装置包括：减震组件、移动组件和真空罩支架；
20.所述减震组件通过伸缩杆固定在所述真空罩支架底部；所述移动组件固定 在所述真空罩支架底部；所述真空罩支架顶部与所述真空罩固定连接。
21.优选地，所述减震组件包括多个第一减震器；所述移动组件包括多个万向 轮。
22.优选地，所述制冷装置包括：制冷机支架和第二减震器；
23.所述制冷机支架的顶部与所述制冷机固定连接；所述制冷机支架的底部与 所述第二减震器固定连接。
24.优选地，所述起振/输出装置包括：隔离器、滤波器、定向耦合器、手动 移相器和低相位噪声放大器；
25.所述隔离器的信号输出端与所述滤波器的信号输入端电连接；所述隔离器 的信号输入端与所述微波腔电连接；所述滤波器的信号输出端与所述定向耦合 器的信号输入端电连接；所述定向耦合器的第一信号输出端与所述手动移相器 的信号输入端电连接；所述手动移相器的信号输出端与所述低相位噪声放大器 的信号输入端电连接；所述低相位噪声放大器的的信号输出端与所述微波腔电 连接所述定向耦合器的第二信号输出端为蓝宝石频率源发射端。
26.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
27.本发明提供的蓝宝石频率源，通过采用制冷装置、起振/输出装置、微波 发生装置和移动装置，使整体结构得到简化的同时，能够降低频率源的生产成 本。并且，采用移动装置，进一步能够解决现有技术中频率源不可移动的技术 问题。
28.以上的总体描述和下文中的描述仅是示例性和解释性的，不用于限制本申 请。
附图说明
29.一个或多个实施例通过与之对应的附图进行示例性说明，这些示例性说明 和附
图并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件示为类 似的元件，附图不构成比例限制，并且其中：
30.图1为本发明提供的蓝宝石频率源的结构示意图。
31.附图标记说明：
[0032]1‑
制冷机，2
‑
橡胶波纹管，3
‑
制冷机支架，4
‑
真空罩，5
‑
一级冷屏，6
‑
二级 冷屏，7
‑
传冷组件，8
‑
微波腔，9
‑
真空罩支架，10
‑
第二减震器，11
‑
万向轮， 12
‑
第一减震器，13
‑
氦气腔，14
‑
隔离器，15
‑
滤波器，16
‑
手动移相器，17
‑
低相 位噪声放大器，18
‑
真空法兰，19
‑
温度传感器，20
‑
温度控制器，21
‑
定向耦合 器。
具体实施方式
[0033]
为了能够更加详尽地了解本公开实施例的特点与技术内容，下面结合附图 对本公开实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来 限定本公开实施例。在以下的技术描述中，为方便解释起见，通过多个细节以 提供对所披露实施例的充分理解。然而，在没有这些细节的情况下，一个或多 个实施例仍然可以实施。在其它情况下，为简化附图，熟知的结构和装置可以 简化展示。
[0034]
一种蓝宝石频率源，包括：制冷装置、起振/输出装置、微波发生装置和 移动装置。
[0035]
制冷装置分别与起振/输出装置和微波发生装置连接。起振/输出装置与微 波发生装置连接。移动装置套设在微波发生装置上。
[0036]
制冷装置用于为微波发生装置提供低温环境。微波发生装置用于产生震荡 信号。起振/输出装置用于为微波发生装置提供起振源信号，并用于输出频率 源。
[0037]
移动装置用于带动蓝宝石频率源进行移动。
[0038]
其中，如图1所示，上述制冷装置包括：制冷机1、温度控制器20、温度 传感器组和氦气腔13。
[0039]
制冷机1和温度传感器组均与温度控制器20电连接。制冷机1通过制冷 管道与氦气腔13连接。
[0040]
如图1所示，上述微波发生装置包括：微波腔8、传冷组件7、一级冷屏 5和二级冷屏6。
[0041]
微波腔8通过传冷组件7与氦气腔13机械连接。二级冷屏6包裹微波腔 8和传冷组件7。一级冷屏5和二级冷屏6构成真空腔。
[0042]
温度传感器组优选包括第一温度传感器19和第二温度传感器22。
[0043]
第一温度传感器19设置在微波腔8上，并置于二级冷屏6中。第二温度 传感器22设置在氦气腔13上，并置于真空腔中。第一温度传感器19和第二 温度传感器22均与温度控制器20电连接。为了进一步提高温度检测的准确性， 本发明采用的第一温度传感器19和第二温度传感器22均优选为铑铁温度传感 器。
[0044]
为了进一步提高隔冷性能，上述微波发生装置还优选包括：真空罩4。
[0045]
真空罩4罩设在真空腔外侧。真空罩4与制冷机1通过橡胶波纹管2固定 连接，以进一步增加密封性进而提升隔冷效果。
[0046]
如图1所示，上述移动装置包括：减震组件、移动组件和真空罩支架9。
[0047]
减震组件通过伸缩杆固定在真空罩支架9底部。移动组件固定在真空罩支 架9底
部。真空罩支架9顶部与真空罩4固定连接。
[0048]
其中，减震组件优选包括多个第一减震器12。移动组件包括多个万向轮 11。
[0049]
基于上述设置，为了增加整个频率源的稳定性，上述制冷装置还优选包括： 制冷机支架3和第二减震器10。
[0050]
制冷机支架3的顶部与制冷机1固定连接。制冷机支架3的底部与第二减 震器10固定连接。
[0051]
如图1所示，上述起振/输出装置包括：隔离器14、滤波器15、定向耦合 器21、手动移相器16和低相位噪声放大器17。
[0052]
隔离器14的信号输出端与滤波器15的信号输入端电连接。隔离器14的 信号输入端与微波腔8电连接。滤波器15的信号输出端与定向耦合器21的信 号输入端电连接。定向耦合器21的第一信号输出端与手动移相器16的信号输 入端电连接。手动移相器16的信号输出端与低相位噪声放大器17的信号输入 端电连接。低相位噪声放大器17的的信号输出端与微波腔8电连接。定向耦 合器21的第二信号输出端为蓝宝石频率源发射端。
[0053]
下面提供一个具体实施例对本发明上述提供蓝宝石频率源的优点进行进 一步说明。在本实施例中，以10ghz微波源为例进行说明，在具体应用过程 中，频率源的功率可以依据实际需求设定。
[0054]
上述提供的蓝宝石频率源的具体结构包括：g
‑
m制冷机(制冷机1)、橡 胶波纹管2、制冷机支架3、真空罩4、一级冷屏5、二级冷屏6、传冷组件7、 微波腔8、真空罩支架9、第二减震器10及第一减震器12、万向轮(脚轮) 11、氦气腔13、第一温度传感器19、温度控制器20、真空法兰18、隔离器 14、滤波器15、手动移相器16、低相位噪声放大器17、定向耦合器21和第 二温度传感器22。其中，g
‑
m制冷机作为冷源，将氦气压缩，低温氦气储存 在氦气腔13中，将冷量通过传冷组件7传递给微波腔8。整个系统为一个闭 循环系统，氦气在工作过程中循环使用，整个系统连续运行。g
‑
m制冷机与 真空罩4、微波腔8之间通过橡胶波纹管2进行连接，同时利用低温氦气进行 传冷，制冷机1与微波腔8之间不直接接触，从而实现微波腔8所在位置的超 低振动控制。
[0055]
为了减小漏热，本发明提供的频率源中设置了一级冷屏5及二级冷屏6， 利用多层反射原理建立仿真模型，对一级冷屏5、二级冷屏6的位置、厚度、 大小进行计算，以获得最大热阻。当为10ghz微波源时，一级冷屏尺寸选择 为：直径161mm，壁厚4.2mm，高度142mm，材质为无氧铜。二级冷屏尺寸 选择为：直径149mm，壁厚2.5mm，高度116mm，材质为无氧铜。
[0056]
在工作前，整个真空罩内为真空环境，便于频率源进行氦气置换。在工作 过程中，通过第一温度传感器19和第二温度传感器22探测微波腔8及氦气腔 13处的温度值，并通过线缆将信号经真空法兰18传输至个温度控制器20，温 度控制器20进行高精度温度控制。微波腔8工作在低温环境下，微波腔8的 振荡信号通过微波线缆经真空法兰18连接至隔离器14，隔离器14、滤波器15、手动移相器16、低相位噪声放大器17、定向耦合器21依次连接，之后定 向耦合器21通过微波线缆经18再次与微波腔8相连，构成振荡环路。
[0057]
使用时，首先根据微波腔工作参数进行器件选型，选择对应频段的低相位 噪声器件(隔离器14、滤波器15、手动移相器16、低相位噪声放大器17、定 向耦合器21)。完成微波腔8装配后，对真空罩抽真空，当真空度达到1e
‑
4pa 后，停止抽真空，关闭阀门。打开制冷机1及温度控制器20，在温度控制器 20内设置温度值，制冷机1进行氦气压缩以获得低温氦
气，温度控制器20进 行温度控制，将微波腔8所在位置的温度稳定在设定值附近，该设定值依据所 需频率源的具体功率进行设定。完成隔离器14、滤波器15、手动移相器16、 低相位噪声放大器17、定向耦合器21间的连接及加电后，构成微波信号振荡 环路，当手动移相器16、低相位噪声放大器17参数调节合适时，环路起振， 高指标信号将从定向耦合器21发出。
[0058]
基于上述设置，本发明提供的蓝宝石频率源的整体体积为 500mm
×
500mm
×
900mm。
[0059]
在使用时，按照图1所示连接上述各部件，升起第一减震器12，使之不 与地面接触，通过万向轮11可实现整机移动。移动完成后降下第一减震器12， 使之与地面充分接触。对真空罩4进行抽真空操作，当真空度达到1e
‑
4pa后， 停止抽真空，关闭阀门。打开制冷机1及温度控制器20，在温度控制器20内 设置温度值5.6k，待温度稳定后，微波腔8的温度保持在5.6k。对起振输出 装置进行加电，调节手动移相器至合适值，使频率源起振。经测定，本实施例 提供的10ghz微波源频率的稳定度能够高达8.6e
‑
16@1s。
[0060]
对应于本发明提供的上述蓝宝石频率源，本发明具体说明用于蓝宝石频率 源的控制装置与该蓝宝石频率源的具体连接关系，以进一步对本发明提供的蓝 宝石频率源的优越性进行说明。
[0061]
本发明采用的用于蓝宝石频率源的控制装置，包括：生振模块、辅振模块、 第一定向耦合模块、相位稳定模块、第二定向耦合模块、幅度稳定模块和合路 模块。
[0062]
生振模块包括：第一耦合单元、第二耦合单元、第一微波隔离器、第一带 通滤波器、第一微波放大器、第一定向耦合器、压控衰减器和压控移相器。第 一耦合单元设置于蓝宝石频率源的微波腔8内。第二耦合单元设置在微波腔8 壁上。第一耦合单元包括第一耦合器。第一耦合器与合路模块电连接。合路模 块和第二耦合单元均与辅振门模块电连接。辅振模块和第二定向耦合模块均与 第一定向耦合模块电连接。第二定向耦合模块与幅度稳定模块电连接。相位稳 定模块分别与第一定向耦合模块和第二定向耦合模块电连接。
[0063]
第一耦合单元还包括第二耦合器。第二耦合器、第一微波隔离器、第一带 通滤波器、第一微波放大器、第一定向耦合器、压控衰减器和压控移相器依次 电连接。压控移相器分别与合路模块和相位稳定模块电连接。
[0064]
上述辅振模块包括：第二微波隔离器、第二带通滤波器、第二微波放大器 和移相器。
[0065]
第二微波隔离器与第二耦合单元电连接。第二带通滤波器分别与第二微波 隔离器和第一定向耦合模块电连接。第一定向耦合模块分别与第二定向耦合模 块和第二微波放大器电连接。第二微波放大器与移相器电连接。移相器与合路 模块电连接。其中，第二耦合单元包括第三耦合器。
[0066]
上述第一定向耦合模块包括：第二定向耦合器。第二定向耦合器与第二定 向耦合模块和第二微波放大器电连接。
[0067]
上述相位稳定模块包括：第一检波器和第一锁相放大器。
[0068]
第一检波器分别与第二定向耦合模块和第一锁相放大器18电连接。第一 锁相放大器与压控移相器电连接。
[0069]
上述第二定向耦合模块包括：第三定向耦合器。
[0070]
第三定向耦合器分别与第一定向耦合模块、第一检波器和幅度稳定模块电 连接。
式和参数，根据环路损耗选择合适增益的微波放大器，并按照图1的顺序进行 连接。为实现10ghz的微波源输出，本实施例中选定各微波放大器的增益为 44db。
[0082]
给压控移相器9预加一个控制电压，调节该电压值使主振环路起振。调节 移相器15的参数，使辅振环路起振。调节第一锁相放大器18的参数，使相位 稳定环路锁定。调节第二锁相放大器20的参数，使幅度稳定环路锁定。监控 第一定向耦合器7输出的信号。在本实施例中，偏频1khz以内的杂散低于 110dbm，优于现有水平。
[0083]
以上描述和附图充分地示出了本公开的实施例，以使本领域的技术人员能 够实践它们。其他实施例可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他 的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是 可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施例的部分和特征可以被包括在或 替换其他实施例的部分和特征。本公开实施例的范围包括权利要求书的整个范 围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。当用于本申请中时，虽然术语“第 一”、“第二”等可能会在本申请中使用以描述各元件，但这些元件不应受到这 些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区别开。比如，在不 改变描述的含义的情况下，第一元件可以叫做第二元件，并且同样第，第二元 件可以叫做第一元件，只要所有出现的“第一元件”一致重命名并且所有出现的
ꢀ“
第二元件”一致重命名即可。第一元件和第二元件都是元件，但可以不是相同 的元件。而且，本申请中使用的用词仅用于描述实施例并且不用于限制权利要 求。如在实施例以及权利要求的描述中使用的，除非上下文清楚地表明，否则 单数形式的“一个”(a)、“一个”(an)和
“”
(the)旨在同样包括复数形式。 类似地，如在本申请中所使用的术语“和/或”是指包含一个或一个以上相关联 的列出的任何以及所有可能的组合。另外，当用于本申请中时，术语“包括
”ꢀ
(comprise)及其变型“包括”(comprises)和/或包括(comprising)等指陈述 的特征、整体、步骤、操作、元素，和/或组件的存在，但不排除一个或一个 以上其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或这些的分组的存在或添 加。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 包括要素的过程、方法或者设备中还存在另外的相同要素。本文中，每个实施 例重点说明的可以是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分 可以互相参见。对于实施例公开的方法、产品等而言，如果其与实施例公开的 方法部分相对应，那么相关之处可以参见方法部分的描述。
[0084]
本领域技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的 单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。 这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，可以取决于技术方案的特定应用和 设计约束条件。技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法以实现所描述 的功能，但是这种实现不应认为超出本公开实施例的范围。技术人员可以清楚 地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过 程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0085]
本文所披露的实施例中，所揭露的方法、产品(包括但不限于装置、设备 等)，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意 性的，例如，单元的划分，可以仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有 另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统， 或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直 接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间
接耦合或通信连接， 可以是电性，机械或其它的形式。作为分离部件说明的单元可以是或者也可以 不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即 可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要 选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例。另外，在本公开实施例中的各 功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可 以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
[0086]
附图中的流程图和框图显示了根据本公开实施例的系统、方法和计算机程 序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每 个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，模块、程序段或代码的一 部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换 的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例 如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺 序执行，这可以依所涉及的功能而定。在附图中的流程图和框图所对应的描述 中，不同的方框所对应的操作或步骤也可以以不同于描述中所披露的顺序发 生，有时不同的操作或步骤之间不存在特定的顺序。例如，两个连续的操作或 步骤实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这可以 依所涉及的功能而定。框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图 中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实 现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。