超导稳频振荡器的研究

王暖让， 年 丰， 高连山， 冯克明

（北京无线电计量测试研究所计量与校准技术重点实验室，北京100854）

超导稳频振荡器的研究

王暖让， 年 丰， 高连山， 冯克明

（北京无线电计量测试研究所计量与校准技术重点实验室，北京100854）

基于理论分析和计算机仿真，得到了超导稳频振荡器的设计方案，主要包括高Q超导腔、低温环境及锁相环电路等组件的设计。通过实验验证，超导腔的Q值达到2×109，低温环境温度达到1.8 K，温度的稳定度优于0.001 K。根据实验结果优化设计后进行系统联调，得到了初步实验结果，超导稳频振荡器的1 s频率稳定度达到10-13量级。

计量学；超导稳频振荡器；频率标准；微波腔；品质因数

1 引 言

超导稳频振荡器（SCSO）具有极高的Q值（107～1010）及非常小的温度系数，因而其短期频率稳定度远远超过了传统原子钟（氢钟、铷钟、铯钟等），最高可以达到10-15～10-16／τ（1 s＜τ＜1 000 s）［1，2］，是当前最高的中短稳（1 s＜τ＜100 s）标准。随着微波技术和高稳定检温学的发展，目前已可以达到10-17～10-18／τ。其包含以下技术：超高Q值的微波腔以减少腔内损耗，高稳定控温技术以减少温度对频率的牵引，高稳定频率控制技术以提供正反馈，振动隔离以防止外界的振动影响。

SCSO主要包括超导腔、低温组件、锁相环等。为了得到更高的频率稳定度，超导腔一般由大晶粒铌材加工而成［3］，铌材加工方法在文献［4～6］中有详细阐述，而超导腔的研究一般集中在高能物理领域，主要用来做线加速器，主要研究如何实现消除Q降、提高加速性能。因此，有关用于频率标准超导腔设计的文献较少，一般集中在美国斯坦福大学、日本无线电研究所和美国加州理工大学。这些研究机构从20世纪60年代就开始了对超导腔的研究，并取得很大进展。美国斯坦福大学Buchman等人利用频率8.6 GHz的铌腔，电子束焊接而成，并经高温高真空退火、化学处理，工作模式为TM010，工作温度为1.2 K的环境下进行测试，得到的短期频率稳定度最高可达10-16／τ（30 s＜τ＜1 000 s）［7］。

低温组件是为超导腔提供高稳定度的低温环境，工作温度一般在2 K以下，而液氦温度为4.2 K，需要通过减压降温实现温度下降，得到2 K的工作温度，传统低温系统使用浸泡式，即把超导腔装置直接放置在液氦中，但此种方式容易受液氦蒸发的干扰，以致超导腔的温度和压力会有所变化。近年来，随着制冷技术发展，杜瓦发展也越来越快，目前国外最新制冷设备如下：液氦灌注在杜瓦外层，内层采用3级冷台，利用电路实现控温。这种方式的优点是内部低温环境的温度及压力稳定性较好，据报道温度稳定度可以达到 nK量级［8］，但是相比而言价格比较昂贵。由于温度的稳定度达到nK，所以一般的测、控温手段无法使用，因而利用超导量子干涉器（SQUID）来达到测、控温的目的。

为了测量和稳定超导腔的频率，必须采用锁相环技术（PLL）。利用低噪声频综与超导腔腔频进行比较，得到的反馈误差电压来调整低噪声频综，腔频就可以稳定到更高的量级，也必须采用一个高稳定性的参考源。

国内也曾开展过SCSO的研究工作，但没有得到满意结果，主要原因是超导腔的Q值不高，国外超导腔的Q值一般在109以上，国内超导腔的Q值一般低于108，很难达到109。西南交通大学超导研究中心曾在低温铌超导微波谐振腔系统和低温铌超导微波表面电阻方面展开过研究工作，测试结果不甚理想。航天科工集团二院二○三所“十一五”开始从事SCSO的研究，目前已取得较大进展，得到了Q值为109的超导腔，目前正进行系统联调等方面的工作。此外，国内很多机构如中科院高能所及北京大学等单位，利用超导腔进行粒子加速器的研究，此类超导腔频率较低，一般在1 GHz以下［9～11］。目前，为了满足国内时间频率计量的需求，需要建立更为稳定的短稳标准，而超导稳频振荡器无疑是目前最佳选择。

2 系统设计

2.1 超导腔设计

超导腔的示意图如图1所示。其设计需要考虑的因素包括：频率、Q值、工作模式、工作温度。其中Q值尤为重要，其直接影响超导腔稳频器的短期稳定度，通过理论计算得到影响Q值的主要因素，提高Q值的方法就是降低工作温度、处理超导腔内表面；根据材料的超导电性及其机械强度特性，选择纯铌作为超导腔体的制作材料，RRR越大铌材的导热性越好，这样可以避免超导腔过早地由于热量堆积而失超，但是RRR值越大机械性能会变差，容易变形，所以RRR值一般选择300；而频率选择决定了微波腔尺寸，进而影响所选用杜瓦尺寸；低温超导下模式选择一般是TM010模式，由于此模式为基模，比较稳定；工作温度一般选择低于液氦温度（4.2 K）；由于所用模式为TM010模式，耦合方式采用探针耦合。

经仿真计算，得到超导腔参数如下：频率为4.4 GHz，l＝26.4 mm，D＝50 mm，r1＝18 mm，l1＝50 mm，r2＝10 mm，l2＝50 mm，输入天线的插入深度为31.5 mm时，Qin为109，此时βin＝1；输出天线的插入深度为13 mm时，Qt为1×1011，此时βt＝0.01。

2.2 低温环境设计

由于液氦温度为4.2 K，而根据计算只有在温度达到2 K时超导腔的Q值才能达到109，这就需要对实验杜瓦进行减压降温。原理图如图2所示，利用两个8 L干泵并联、针阀与真空阀并联对杜瓦进行抽气减压。由于减压降温过程中大量的低温氦气被抽出，为了防止机械泵被冻坏，通过计算及调研选择波纹管主管道为6 m。通过控制机械泵及两个阀门，保证杜瓦内气压线形平稳下降，这样可以减少液氦的浪费及提高减压效率。

减压降温系统最大难点就是抽气量及温度控制，抽速过快会导致液氦大量气化。拟采用大口径真空阀与针阀门并联来实现流量的精确控制。

为了降低减压降温系统对超导腔的影响，需要设计一个真空空间。此空间需要放得下3个超导腔。这种方式下减压降温系统引起的温度压力变化对超导腔几乎没有什么影响，但是存在缺点就是达到温度平衡所需时间较长。

2.3 锁相环电路设计

电路主要完成出入腔信号的频差检测，并使用经超导腔检测出的误差信号来控制晶振，形成反馈控制环路，电路设计方案如图3所示。

图2 减压降温系统示意图

图3 超导稳频振荡器频率标准电路部分框图

具体电路工作原理如下：电路部分整体为一个锁频环路，将10 MHz晶振产生的频率锁在超导腔的谐振频率上。其中又包含一个锁相环路，将DRO锁在10 MHz晶振上，以获得激励超导腔所需要的4.42 GHz微波信号。

10 MHz晶体振荡器输出的基准信号通过一高隔离度放大器分配出3路，其中一路输出信号经过80 000次分频，用以生成125 Hz的调制信号。另一路经过440次的倍频，产生4.4 GHz的微波信号用以与DRO（介质振荡器）鉴相，压控DRO，使DRO锁在10 MHz晶振上。第3路10 MHz信号为DDS提供时钟信号。

使用DDS生成20 MHz带有125 Hz的方波调频信号，并将其与DRO生成信号进行混频，以产生4.42 GHz的微波调频信号，此信号经过衰减器后，通过耦合环馈进超导腔。

该微波信号经过超导腔鉴频后，调频波转变为调幅波，经过微波谐振腔的另一个耦合环，此调幅波被送入前置LNA。随后，放大后的微波信号经检波器检出的125 Hz信号幅度包络。此幅度包络信号与10 MHz晶振分频产生的125 Hz调频信号进行同步检波，并将同步检波后的误差信号经滤波和积分后，生成直流信号用以控制10 MHz，实现环路锁定。

2.4 系统分析

影响频率稳定度最重要的环境因素包括：温度稳定度、压力稳定度、地磁场。其中影响温度的因素主要包括：超导腔的表面电阻及热膨胀。解决该问题拟采用办法包括：增加超导腔壁厚减小温度影响，超导腔放置在真空容器中以隔离减压降温对温度的影响，采用温控系统。杜瓦内的压力影响超导腔的频率，拟采用办法是保持超导腔工作在一个高真空环境里。解决地磁场对频率影响的办法是利用高屏蔽因子的磁屏蔽，保证工作环境的稳定性。

影响频率稳定度的因素较多，热噪声引起的频率起伏如式（1）所示：

式中，τ为测量时间，Q为谐振腔的品质因数，P为功率，kTN为热噪声能量。

功率变化引起电磁场的变化而导致的频率起伏如式（2）所示：

式中，h为普朗克常数。

根据式（1）和式（2），经理论计算可以得到最小频率起伏为：

式中，An＝kTN／（fh），对于SCSO，的值约为-10-6J-1。根据上述公式进行估算，SCSO最小频率起伏10-16，因此其秒稳理论上可以达到10-15量级。

3 实验研究

超导腔组装完毕后抽真空，同时进行低温烘烤，当真空度达到10-6Pa量级时，抽真空结束即可进行实验系统组装并进行液氦灌注，根据差压计的指示进行灌注，灌满所用时间为4 h。此时杜瓦内温度为4.2 K，利用矢量网络分析仪进行测试，得到的参数为：f＝4.42 GHz，Q＝2.9×107。测试完毕即进行减压降温，首先开一个干泵，利用针阀调节抽气速度，根据压力表的读数，使杜瓦内压力平稳下降。随着压力下降，温度逐渐下降，但是速度越来越慢，打开另外一个干泵使两个干泵并联抽气，控制针阀及真空阀，使杜瓦内最后温度平稳在1.8 K，然后进行测试，得到参数如下：f＝4.42 GHz，Q＝2×109。

随后进行系统联调，系统框图如图4所示。低相噪频综输出一个与超导腔频率相近的调制微波信号，调制频率为125 kHz，调制频偏为10 Hz，输入到超导腔，经过耦合输出信号，进入检波器进行包络检波，得到的信号进入锁相放大器，同时低相噪频综输出一个与调制信号同相位的信号作为锁相放大器的参考，通过调节相位、放大倍数等参数，输出一个误差电压压控低相噪频综的晶振，实现环路锁定。

图4 超导稳频振荡器系统框图

环路锁定后进行指标测试，输出的10 MHz信号与参考的10 MHz信号同时输入到频率稳定度测试仪，得出测试结果，1 s频率稳定度最高可达到5×10-13。

4 结 论

SCSO具有广泛应用前景，我们从“十一五”开始从事这方面工作，目前正在进行整个系统的联调，已取得较大进展。但是，目前存在问题还比较多，需要进行优化。下一步工作重点主要有两个方面：一是降低超导腔的频率温度系数，初步拟通过消除超导腔应力、提高温度稳定度等进行优化；二是环路优化设计，通过降低电路噪声、参数优化等手段来进行。预期通过系统优化设计，可使SCSO的秒稳进入10-14量级。

］

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Study on a Superconducting Cavity Stabilized Oscillator

WANG Nuan-rang， NIAN Feng， GAO Lian-shan， FENG Ke-ming
（Beijing Institute of Radio Metrology＆Measurement National Key Laboratory of Metrology and Calibration Technology，Beijing 100854，China）

The design of a superconducting cavity stabilized oscillator（SCSO）is achieved based on theory analysis and computer simulation.It includes the design of superconducting cavity with high quality factor，cryogenic environment，PLL and so on.The quality factor of cavity reaches 2×109and the temperature is 1.8K and the temperature stability is better than 0.001K in experiment.The experiment result is achieved through system debug and optimization that the stability of1s reaches 10-13.

Metrology；Superconducting cavity stabilized oscillator；Frequency standard；Microwave cavity；Quality factor

TB939

：A

：1000-1158（2015）03-0324-04

10.3969／j.issn.1000-1158.2015.03.21

2013-07-02；

：2013-12-23

国防军工计量科研项目（J042011C001）

王暖让（1980-），男，山东青岛人，北京无线电计量测试研究所高级工程师，博士，主要从事原子频标的研究。lorious＠163.com