一種多溫區藍寶石微波源系統和控制方法與流程

2023-06-07 15:10:51

本申請涉及微波技術領域，尤其涉及一種藍寶石微波源系統和控制方法。

背景技術：

低溫藍寶石微波源是一種新型的微波源，具有低相噪、高穩定度的優點，被廣泛的應用於雷達、通信、航空航天、計量及基礎物理研究等領域。目前國內外低溫藍寶石微波源一般採用的都是一個藍寶石微波腔，也有採用兩個微波腔的，但共享一個溫度控制區，只能將兩個微波腔控制在一個溫度點。採用多個微波腔可以獲得多路高穩定低相噪的微波信號輸出，但共享一個溫度控制區只能滿足一個微波腔處於最佳狀態，而其他個微波腔處於非最佳狀態。形成了一路信號指標高，其他路信號指標低的狀態。因此需要發明一種能夠實現多溫區控制的藍寶石微波源系統。

技術實現要素：

本發明提供一種多溫區藍寶石微波源系統和控制方法，解決了目前有多個微波腔的藍寶石微波源難以保證每路輸出信號都具有高指標的問題。

本發明實施例提供一種多溫區藍寶石微波源系統，包括低溫裝置、微波腔、熱板、溫度控制模塊和頻率計。微波腔與熱板位於低溫裝置內部；溫度控制模塊和頻率計位於低溫裝置外部。熱板為多個，每個熱板包含板狀部件、加熱絲和熱敏電阻；加熱絲和熱敏電阻與板狀部件固定接觸。微波腔為多個，每個微波腔至少與一個板狀部件固定接觸。溫度控制模塊，與熱敏電阻和加熱絲連接，用於控制微波腔的工作溫度。頻率計，用於接收微波腔輸出的微波信號，測量微波信號的頻率。

作為本發明提供的多溫區溫度控制藍寶石微波源系統的一種優選方案。製冷裝置包括真空罐、氦氣液化器、液氦池、液氦導流管。真空罐內部為封閉真空區，液氦導流管從真空罐的頂端穿過並與所述真空罐焊接在一起，一端與氦氣液化器連接，另一端與液氦池連接，氦氣液化器位於所述真空罐的外部，液氦池位於真空罐的內部，熱板固定在液氦池下方，與液氦池有熱接觸。

進一步地，氦氣液化器為製冷量大於2w的gm氦氣液化器。

進一步地，多溫區藍寶石微波源系統的低溫裝置有真空法蘭接口，熱敏電阻和加熱絲通過導線連接到低溫裝置的真空法蘭接口，真空法蘭接口通過數據線纜連接至溫度控制模塊。

優選地，所述多溫區溫度控制藍寶石微波源系統，還包括冷屏，冷屏裝有熱敏電阻，熱敏電阻與溫度控制模塊連接。

作為本發明提供的多溫區溫度控制藍寶石微波源系統的一種優選方案，溫度控制模塊包括pid控制器，用於使微波腔的工作溫度快速達到設定值。

進一步，所述溫度控制模塊還包括上位機軟體，用於為pid控制器設置合適的p值、i值及d值。

作為本發明提供的多溫區溫度控制藍寶石微波源系統的另一種優選方案微波腔與濾波器、移相器、放大器連接，形成振蕩環路，輸出微波信號。

進一步地，頻率計，還用於輸出微波信號的頻率與微波腔的標準頻率的差值。

本發明還提供一種多溫區藍寶石微波源的控制方法，用於上述任意一項藍寶石微波源系統，包括以下步驟：啟動低溫裝置製冷，溫度達到預定值後，啟動溫度控制模塊；對每一微波腔，分別改變微波腔的工作溫度，測量微波信號的頻率，計算所述頻率與所述微波腔的標準頻率的差值；查找差值最小值所對應的工作溫度，即為微波腔的溫度拐點；保持微波腔的工作溫度處於溫度拐點。

作為本發明提供的一種多溫區藍寶石微波源的控制方法的優選方案，還包括步驟：根據熱敏電阻的阻值設置p值、i值及d值，使用pid控制方法改變微波腔的工作溫度。

本申請實施例採用的上述至少一個技術方案能夠達到以下有益效果：

本發明實施例提供一種多溫區藍寶石微波源系統和溫度控制方法，所述系統利用溫度控制模塊，能夠在低溫區精確控制每一個微博腔的工作溫度，實現每一個藍寶石微波腔都處於最佳工作溫度，輸出高指標微波信號。因此，本發明提供的多溫區藍寶石微波源能夠滿足一個微波源輸出的多路微波信號，並且每路信號都具有高指標的要求，具有廣泛的經濟效益。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本申請的進一步理解，構成本申請的一部分，本申請的示意性實施例及其說明用於解釋本申請，並不構成對本申請的不當限定。在附圖中：

圖1為一種多溫區藍寶石微波源系統框圖；

圖2為一種製冷裝置的優選方案框圖；

圖3為一種多溫區藍寶石微波源系統改進型框圖；

圖4為一種多溫區藍寶石微波源系統改進型框圖；

圖5為一種多溫區藍寶石微波源系統改進型框圖；

圖6為一種多溫區藍寶石微波源系統改進型框圖；

圖7為一種多溫區藍寶石微波源系統改進型框圖；

圖8為一種多溫區藍寶石微波源的控制方法流程圖。

具體實施方式

為使本申請的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本申請具體實施例及相應的附圖對本申請技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅是本申請一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本申請中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本申請保護的範圍。

以下結合附圖，詳細說明本申請各實施例提供的技術方案。

低溫藍寶石微波頻率源具有極低的相位噪聲(在x波段，<-160dbc/hz@10khz)和優異的短期穩定度(<1e-15@1s)，其指標遠非傳統微波源所能達到。其工作的主要原理是：利用藍寶石在低溫時的低損耗正切值，形成高q值的微波，採用正激勵的方式使高q值的微波腔選擇的頻率形成振蕩；在外圍電路進行該微波頻率的相位控制和幅度控制，使整機形成穩定的微波信號輸出。當藍寶石微波腔工作在最佳溫度時，藍寶石微波腔能夠產生高q值的微波模式。

圖1為一種多溫區藍寶石微波源系統框圖。包括低溫裝置1、至少一個微波腔20,21、至少一個熱板3,30、溫度控制模塊4和頻率計5。

微波腔與熱板位於低溫裝置內部；溫度控制模塊和頻率計位於低溫裝置外部。熱板為多個，每個熱板包含板狀部件、加熱絲31、33和熱敏電阻32、34；加熱絲和熱敏電阻與板狀部件固定接觸。微波腔為多個，每個微波腔至少與一個板狀部件固定接觸。溫度控制模塊，與熱敏電阻和加熱絲連接，用於控制微波腔的工作溫度。頻率計，接收微波腔輸出的微波信號，用於測量微波信號的頻率。

由於藍寶石在生長過程中的缺陷，摻雜離子濃度分布不均及溫度形變等綜合因素，即使是同一尺寸、同一廠家的藍寶石材料，藍寶石微波腔的最佳的工作溫度，即溫度拐點也不同。一般情況下，藍寶石微波腔的溫度拐點在5k～10k之間。因此，對於當低溫裝置採用液氦降溫達到4.2k時，還不是藍寶石微波腔的溫度拐點，需要使用溫度控制模塊控制藍寶石微波腔位於溫度拐點。

本實施例中的多溫區藍寶石微波源包含多個藍寶石微波腔，每個藍寶石微波腔均與至少一個熱板有熱接觸。溫度控制模塊與每個熱板上的熱敏電阻連接，能夠監控每個藍寶石微波腔的工作溫度。溫度控制模塊與每個熱板上的加熱絲連接，能夠根據當前每個藍寶石微波腔的工作溫度，判斷是否對熱板加熱或者停止加熱。因此，溫度控制模塊可以將每個藍寶石微波腔的工作溫度控制在設定值。

每個藍寶石微波腔輸出的微波信號都接入頻率計。頻率計用於測量每個藍寶石微波腔輸出的微波信號頻率，通過比較輸出的微波信號頻率和該個藍寶石微波腔的標準頻率，判斷溫度控制模塊設置的溫度是否為該個藍寶石微波腔的溫度拐點。

需要說明的是，溫度控制模塊還包括數據接口，還用於設置微波腔工作溫度，或者微波腔工作溫度的改變間隔和改變範圍。作為本發明的一種優選方案，溫度控制模塊能夠按可變溫度間隔改變微波腔的工作溫度。

需要說明的是，圖1中多溫區藍寶石微波源有兩個藍寶石微波腔，兩個熱板，但本實施例中的多溫區藍寶石微波源可以有多個藍寶石微波腔，和相應數量以上的熱板，不局限於兩個，這裡不做具體要求。

需要說明的是，所述藍寶石微波腔可以通過螺釘固定在所述熱板上，也可以通過其他方式固定在所述熱板上，保證所述藍寶石微波腔與所述熱板有熱接觸。

圖2為一種製冷裝置的優選方案框圖。製冷裝置包括真空罐11、氦氣液化器12、液氦池14、液氦導流管13。真空罐內部為封閉真空區，液氦導流管從真空罐的頂端穿過並與所述真空罐焊接在一起，一端與氦氣液化器連接，另一端與液氦池連接，氦氣液化器位於所述真空罐的外部，液氦池位於真空罐的內部，熱板固定在液氦池下方，與液氦池有熱接觸。

需要說明的是，多溫區控制對低溫裝置的製冷量要求較大，國外採用的脈管制冷機的製冷量在1.5w，如果有兩個溫區則會產生最大1.5度的溫差，會增大製冷設備負擔，不一定能夠滿足對溫度穩定性的要求。我們採用的是gm氦氣液化器，其峰值功率在2.2w，能夠滿足多溫區的溫度梯度產生的熱量補償。其次，多溫區控溫對整機的體積有較大的要求。國外的結構形式採用雙真空，及微波腔部分為一密閉空間，真空罐和此密閉空間之間為另一密閉空間，採用分離溫區控制必然會增大內空間的體積，增大了系統漏熱，不利於溫度控制。本實施例採用的結構與國外不同，液氦池位於真空罐的內部，形成一個低溫區，液氦池外為一個真空區，可以很好的解決這一問題。

圖3為一種多溫區藍寶石微波源系統改進型框圖。包括低溫裝置1、至少一個微波腔20,21、至少一個熱板3,30、溫度控制模塊4和頻率計5。

微波腔與熱板位於低溫裝置內部；溫度控制模塊和頻率計位於低溫裝置外部。熱板為多個，每個熱板包含板狀部件、加熱絲31、33和熱敏電阻32、34；加熱絲和熱敏電阻與板狀部件固定接觸。微波腔為多個，每個微波腔至少與一個板狀部件固定接觸。溫度控制模塊，與熱敏電阻和加熱絲連接，用於控制微波腔的工作溫度。頻率計，接收微波腔輸出的微波信號，用於測量微波信號的頻率。

低溫裝置有真空法蘭接口60，熱敏電阻和加熱絲通過導線連接到低溫裝置的真空法蘭接口，真空法蘭接口通過數據線纜連接至溫度控制模塊。

低溫裝置還包括電控真空法蘭接口61，頻率計的監測線纜通過電控真空法蘭接口進入真空低溫裝置連接藍寶石微波腔。

需要說明的是，作為連接熱敏電阻和加熱絲的導線的一種方案是極細的銅絲。

圖4為一種多溫區藍寶石微波源系統改進型框圖。包括低溫裝置1、至少一個微波腔20,21、至少一個熱板3,30、溫度控制模塊4和頻率計5。

微波腔與熱板位於低溫裝置內部；溫度控制模塊和頻率計位於低溫裝置外部。熱板為多個，每個熱板包含板狀部件、加熱絲31、33和熱敏電阻32、34；加熱絲和熱敏電阻與板狀部件固定接觸。微波腔為多個，每個微波腔至少與一個板狀部件固定接觸。溫度控制模塊，與熱敏電阻和加熱絲連接，用於控制微波腔的工作溫度。頻率計，接收微波腔輸出的微波信號，用於測量微波信號的頻率。低溫裝置有真空法蘭接口60，電控真空法蘭接口61。熱敏電阻和加熱絲通過導線連接到低溫裝置的真空法蘭接口，真空法蘭接口通過數據線纜連接至溫度控制模塊。頻率計的監測線纜通過電控真空法蘭接口進入真空低溫裝置連接藍寶石微波腔。

作為多溫區溫度控制藍寶石微波源系統的一種優選方案，還包括冷屏7。冷屏裝有熱敏電阻35，熱敏電阻與溫度控制模塊連接。

冷屏位於低溫裝置內，用於防止外部熱量傳入，保證低溫裝置內形成穩定的溫度分布。冷屏裝有熱敏電阻，並與溫度控制模塊連接，使溫度控制模塊能夠通過熱敏電阻的阻值監控冷屏的溫度。

需要說明的是，對於使用液氦製冷的低溫裝置來說，冷屏一般固定在液氦導流管上。

圖5為一種多溫區藍寶石微波源系統改進型框圖。包括低溫裝置1、至少一個微波腔20,21、至少一個熱板3,30、溫度控制模塊4和頻率計5。

微波腔與熱板位於低溫裝置內部；溫度控制模塊和頻率計位於低溫裝置外部。熱板為多個，每個熱板包含板狀部件、加熱絲31、33和熱敏電阻32、34；加熱絲和熱敏電阻與板狀部件固定接觸。微波腔為多個，每個微波腔至少與一個板狀部件固定接觸。溫度控制模塊，與熱敏電阻和加熱絲連接，用於控制微波腔的工作溫度。頻率計，接收微波腔輸出的微波信號，用於測量微波信號的頻率。

低溫裝置有真空法蘭接口60，電控真空法蘭接口61。熱敏電阻和加熱絲通過導線連接到低溫裝置的真空法蘭接口，真空法蘭接口通過數據線纜連接至溫度控制模塊。頻率計的監測線纜通過電控真空法蘭接口進入真空低溫裝置連接藍寶石微波腔。

作為多溫區溫度控制藍寶石微波源系統的一種優選方案，溫度控制模塊包括pid控制器41，用於使微波腔的工作溫度快速達到設定值。

需要說明的是，pid控制器由比例單元p、積分單元i和微分單元d組成，是一個廣泛應用溫度控制器件，有商用的標準器件。它根據pid控制原理對微波腔的溫度進行偏差調節，從而使微波腔的實際工作溫度與預定值一致。

圖6為一種多溫區藍寶石微波源系統改進型框圖。包括低溫裝置1、至少一個微波腔20,21、至少一個熱板3,30、溫度控制模塊4和頻率計5。

微波腔與熱板位於低溫裝置內部；溫度控制模塊和頻率計位於低溫裝置外部。熱板為多個，每個熱板包含板狀部件、加熱絲31、33和熱敏電阻32、34；加熱絲和熱敏電阻與板狀部件固定接觸。微波腔為多個，每個微波腔至少與一個板狀部件固定接觸。溫度控制模塊，與熱敏電阻和加熱絲連接，用於控制微波腔的工作溫度。頻率計，接收微波腔輸出的微波信號，用於測量微波信號的頻率。

低溫裝置有真空法蘭接口60，電控真空法蘭接口61。熱敏電阻和加熱絲通過導線連接到低溫裝置的真空法蘭接口，真空法蘭接口通過數據線纜連接至溫度控制模塊。頻率計的監測線纜通過電控真空法蘭接口進入真空低溫裝置連接藍寶石微波腔。

溫度控制模塊包括pid控制器，用於使微波腔的工作溫度快速達到設定值。

溫度控制模塊還包括上位機軟體，用於為pid控制器設置合適的p值、i值及d值。

需要說明的是，上位機軟體可以採用labview軟體，也可採用其他軟體進行編程，這裡不做具體要求。上位機提供交互接口，可以人為設置合適的p值、i值及d值。

圖7為一種多溫區藍寶石微波源系統改進型框圖。包括低溫裝置1、至少一個微波腔20,21、至少一個熱板3,30、溫度控制模塊4和頻率計5。

微波腔與熱板位於低溫裝置內部；溫度控制模塊和頻率計位於低溫裝置外部。熱板為多個，每個熱板包含板狀部件、加熱絲31、33和熱敏電阻32、34；加熱絲和熱敏電阻與板狀部件固定接觸。微波腔為多個，每個微波腔至少與一個板狀部件固定接觸。溫度控制模塊，與熱敏電阻和加熱絲連接，用於控制微波腔的工作溫度。頻率計，接收微波腔輸出的微波信號，用於測量微波信號的頻率。

低溫裝置有真空法蘭接口60，電控真空法蘭接口61。熱敏電阻和加熱絲通過導線連接到低溫裝置的真空法蘭接口，真空法蘭接口通過數據線纜連接至溫度控制模塊。頻率計的監測線纜通過電控真空法蘭接口進入真空低溫裝置連接藍寶石微波腔。

作為本發明提供的多溫區溫度控制藍寶石微波源系統的優選方案，微波腔與濾波器50、移相器51、放大器52連接，形成振蕩環路，輸出微波信號。

濾波器接收並傳遞藍寶石微波腔輸出的微波信號，所述移相器接收所述濾波器輸出的微波信號，並輸出移相信號；所述放大器接收所述移相信號，並輸出放大後的移相信號給頻率計。

需要說明的是，頻率計，還用於輸出微波信號的頻率與微波腔的標準頻率的差值。

作為頻率計的一種實現方案為，將所述微波信號輸入帶有外部標準的頻率計數器，記錄該微波信號的隨取樣時間的波動；軟體分析採樣數據，計算出輸出微波信號的頻率與微波腔的標準頻率的差值。

圖7為一種多溫區藍寶石微波源的控制方法流程圖。用於上述任意一項藍寶石微波源系統，包括以下步驟：

步驟101：啟動低溫裝置製冷，溫度達到預定值後，啟動溫度控制模塊。

在步驟101中，多溫區藍寶石微波源系統安裝完畢，啟動低溫裝置開始製冷，溫度達到預定值後，啟動溫度控制模塊。

需要說明的是，不同的製冷方式，溫度的預定值不一樣。例如，使用氦氣液化器製冷，預定的低溫區為4.2k；適用液氮製冷，預定的低溫區為77k。

步驟102：對每一微波腔，分別改變微波腔的工作溫度，測量微波信號的頻率，計算所述頻率與所述微波腔的標準頻率的差值。

在步驟102中，多溫區藍寶石微波源系統有多個藍寶石微波腔需要對其溫度拐點進行測試，一般採用逐個測試的流程。選取一個微波腔，同時，關閉對其他微波腔的控制。使用頻率計接收微波腔輸出的微波信號，測量微波信號的頻率，並計算微波信號的頻率與微波腔的標準頻率的差值。

需要說明的是，作為一種優選方案，將所述微波信號輸入帶有外部標準的頻率計數器，記錄該微波信號的隨取樣時間的波動；軟體分析採樣數據，計算出輸出微波信號的頻率與微波腔的標準頻率的差值。

需要說明的是，改變微波腔的工作溫度是通過溫度控制模塊，設置微波腔的工作溫度的變化區間和溫度變化間隔，使微波腔的工作溫度依次改變。記錄每一微波腔的工作溫度對應的頻率差值。

需要說明的是，作為一種優選方案，溫度控制模塊使用pid控制方案，使微波腔的工作溫度快速達到設定值。溫度控制模塊還包括上位機軟體，用於為pid控制器設置合適的p值、i值及d值。

步驟103：查找差值最小值所對應的工作溫度，即為微波腔的溫度拐點。

在步驟103中，溫度控制模塊完成對微波腔的不同工作溫度的設置後，查找記錄每一工作溫度對應的差值，找到頻率差值最小值所對應的工作溫度，即為待測微波腔的溫度拐點。

步驟104：保持微波腔的工作溫度處於溫度拐點。

在步驟104中，溫度控制模塊使用pid控制原理對微波腔的溫度進行偏差調節，從而使微波腔的實際工作溫度與預定的溫度拐點一致。

需要說明的是，對於有多個微波腔的藍寶石微波源系統，完成對一個微波腔的溫度設置後，溫度控制模塊還要判斷有無未進行溫度設置的微波腔：如果有，則選擇一個待測微波腔，重複溫度設置步驟，保持待測微波腔的工作溫度處於相應的溫度拐點；如果無，則溫度控制結束。

進一步說明，溫度控制模塊完成一個微波腔的溫度設置後，對該微博腔標記為完成，然後判斷微波源內有無還未進行溫度設置的微波腔，若有，從中選擇一個待測微波腔，重複溫度設置步驟，保持待測微波腔的工作溫度處於相應的溫度拐點。若無，則完成溫度控制。

以圖1所示的一個包括9.204ghz和9.205ghz兩個藍寶石微波腔的多溫區藍寶石微波源系統為例，說明微波源系統的使用方法。安裝好所述藍寶石微波源系統的各個部件後，低溫裝置開始製冷，本實施例中使用的是液氦製冷。當溫度到達4.2k後，開啟溫度控制模塊。溫度控制模塊首先對9.204ghz微波腔進行溫度控制，同時關閉9.205ghz微波腔的溫度控制。溫度控制模塊對9.204ghz微波腔的工作溫度每次升溫0.05k，同時通過頻率計測試9.204ghz微波腔輸出頻率與9.204ghz的頻率差值。記錄9.205ghz微波腔的工作溫度與對應的頻率差值。查找頻率差值最小值所對應的工作溫度，即為待測微波腔的溫度拐點。保持9.204ghz微波腔的工作溫度處於溫度拐點。然後開啟9.205ghz的溫度控制，利用同樣的方式可以找到9.205ghz微波腔的穩點拐點。本案例9.204ghz的溫度拐點為6.4k，9.205ghz的溫度拐點為5.8k，每個微波腔的溫度穩定性能夠達到1mk。

還需要說明的是，術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、商品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、商品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個……」限定的要素，並不排除在包括所述要素的過程、方法、商品或者設備中還存在另外的相同要素。

以上所述僅為本申請的實施例而已，並不用於限制本申請。對於本領域技術人員來說，本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原理之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本申請的權利要求範圍之內。