亚皮秒相位稳定倍频器与Oscillator的关系
　　亚皮秒相位稳定倍频器的开发是受性能要求的推动,而这些性能要求是进一步促进线性加速器同步技术的发展水平的.现有的乘法器由于温度变化而导致的相位漂移远远超过配电系统的规格.例如,SLAC2英里直线加速器中使用的现有乘法器在2856MHz(约3900fS/℃)时的温度系数高达4度/℃[1].下一代线性对撞机要求射频中的相位稳定度为100fS左右,该频率以357MHz的频率分布在30公里内,每600米有50个分布点[2].经历20度环境温度变化的单个此类乘法器将引入相移700倍以上,这是可接受的.采用了反馈稳定技术来减小误差,但是较低的漂移乘法器会减小稳定波束相位所需的环路增益,从而增加了稳定裕度.
　　对各种乘法器拓扑,声表面滤波器类型和组件进行了研究,以开发出一种固有稳定的电路,该电路还具有较低的相位噪声,并且设计了一种新型的自举式烤箱结构来严格控制电路的温度.这些发现被合并到两个超出设计目标的原型单元中.

图1.Wenzel奇数阶拓扑

　　通用二极管倍频器电路也倾向于以类似方式抑制幅度和温度引起的相移.其他被拒绝为候选者的乘法器拓扑具有非零阈值,这将导致显着的AM到PM转换,并有望表现出显着的阈值温度系数.
双实验测试床
　　大多数实验是使用输出频率为1500MHz的3X乘法器进行的.构建了一个由100MHz低噪声恒温石英晶体振荡器,一个高电平5X倍频器,放大器和衰减器组成的500MHz源(图2).

图2.500MHz测试源

　　从一开始就意识到,由于室内环境温度的变化,测试台部件,测试设备和电缆的温度系数会产生重大的测量问题.为了最大程度地减少这些问题,对参考频率功率分配器,参考乘法器和相位比较混频器以及低通滤波器进行了烘箱处理(图3).

图3.参考通道烤箱

　　加热晶体管安装在1/4英寸厚的铝制外壳的所有表面上,以实现均匀的热量分布,传感热敏电阻位于前连接器板和内部安装板的连接处,以引导内部板的温度.在内部板的底部,整个烤箱结构都被泡沫绝缘材料所包围,内部板的两侧都有用于所有参考支脚组件的空间,包括功率分配器,混合器和倍增器.初始测试配置,包括温度室.
　　仅在室内使用两条半刚性电缆和一条连接的SMA子弹进行的初步温度测试显示,相移约为0.7pS,从一次运行到下一次运行会有不可预测的变化,使得0.1pS分辨率的测量不切实际.进一步的实验得出的结论是,由于腔室的单个进入端口,连接器和电缆设计而导致的电缆必要的弯曲都会导致相位不稳定.

图4.初始测试台

　　Tenney Jr室中没有连接器的温度循环的Gore Ready Flex.145温度循环电缆的单回路表现出约0.1pS的可预测相位漂移,但需要提高一个数量级.为了使暴露在温度变化下的电缆量最小化,构建了一个小的热电温度室,在其两端各有一个用于电缆的孔,以避免弯曲(图5).使用低相位漂移电缆(Storm产品,PhaseMaster190)和低相位漂移Astrolab＃29485-3SMA子弹进行的测试表明,从20℃~+50℃的相移仅为0.02ps,并且几乎没有磁滞现象.
奇数乘法器测试
　　对Wenzel晶振公司的奇数倍增器拓扑结构的两个二极管和四个二极管版本进行的快速测试表明,四个二极管版本显示的漂移明显较小,在20度范围内仅变化5.6pS,约为该器件的相移的1/3.两个二极管版本.在四个二极管版本中,单独加热相反极性的二极管会产生相反极性的相移,这表明正按预期进行补偿.

图5.热电箱

　　在30℃~+50℃的新腔室中测试了标准的四二极管乘以3的500至1500MHz的Bluetop乘法器(带有集总元件滤波器和MMIC放大器).相位漂移为10pS,重复性好.四二极管乘法器的另一个版本在TaconicRF60电路板材料上具有带螺纹的发夹式微带通滤波器,在相同温度范围内漂移8.6pS(图6).

图6.带微带滤波器的乘法器

　　在不使用倍增二极管的情况下测试微带滤波器会产生13pS的漂移,这表明倍增器中发生了一些抵消.构造了另一个陶瓷元件滤波器,并在500MHz下进行了测试,漂移为5.5pS.1.5GHz的集总带通滤波器表现出约5.0pS的漂移.这两个滤波器在实际的烘箱化范围内,需要适度的烘箱增益50才能达到0.1pS的稳定性,并且比微带滤波器小得多.在20℃~40℃的温度范围内对Lark Engineering2.856GHz介质滤波器P/N45D2856-50-3CC进行了测试,结果出色,仅漂移1.7pS,仅需进行适度的温度控制即可稳定下来.乘法器奇数部分的整体性能预计小于10pS,需要烤箱增益为100或更高.
自举烤箱
　　传统上,当需要异常精确的温度控制时,可使用嵌套的双烤箱温度控制器,从而获得数千个热增益[4].嵌套烤箱控制器会增加大量的复杂性,通常需要经过培训的技术人员进行仔细的调整,并且由于内部烤箱必须在高于外部烤箱的温度下运行,因此在任何给定的环境温度下,内部烤箱必须在比单烤箱更高的温度下运行.Wenzel以前已经开发了一种专有的自举式烤箱技术,该技术可达到双烤箱的性能,而无需电路复杂性或高温要求.在最简单的实现中,由导热材料制成的内外烤箱罐在某一点或沿等温线热连接,并在所有其他点彼此绝缘(图7).

图7.自举烤箱方案

　　传感器(通常是热敏电阻)位于此连接点处或附近,以便在电模拟中精确控制其温度,表示为固定的控制温度V.(热敏电阻的最佳位置可能略微靠近环境,以补偿有限的开环增益.)热量通过半导体或电阻加热元件施加到外部烤箱.由于外烤箱的罐子大约是等温的(与外烤箱的泡沫相比,外烤箱的电阻低)并且温度与内烤箱的罐子几乎相同,所以几乎没有热量流过罐子之间的隔热层,因此,罐上的热梯度很小.内部烤箱.本质上,外部烤箱可以在罐之间引导绝缘泡沫的冷侧,从而大大提高其有效的耐热性.
　　由于绝缘材料的热阻比烤箱结构的电阻高几个数量级,因此环境温度变化的衰减系数等于烤箱外部结构热阻与泡沫外部热阻之比与温度之间的乘积.内部烤箱结构的热阻与内部泡沫的热阻有关.Wenzel Associates的实验表明,将一个简单的铜”毯子”包裹在目标设备上并连接到热敏电阻位置附近的外部烤箱,其系数提高了50倍.采用由Bergquist Thermal Clad材料制成的PCB作为内部烤箱结构,高性能烤箱恒温晶体振荡器的热增益超过500,已实现了更大的改进.该PCB是0.060实心铜层,带有绝缘层并在一侧走线.PCB具有三个安装点,但只有一个安装点允许与外部烤箱直接热接触,并且控制热敏电阻位于此点.乘法器使用了类似的方法,只是将一块单独的铜片回流到PCB的底部.

图8.乘法器电路和烤箱

　　图8显示了烤箱结构,其中取下了盖子,露出了倍增器.奇怪的形状使RF连接器进一步进入烤箱环境,以减少它们对相位漂移的影响,并减少由于电缆引起的点冷却.烤箱的内部结构是一块0.05英寸的铜板,回流焊接到PCB的底部,并且它在控制热敏电阻附近的一点处与烤箱的外部容器接触.板上的首次尝试存在RF接地问题,需要添加接地触点.这些接触往往使自举失败,这是不希望的.第二个版本消除了大部分但不是全部的手指,任何将来的升级都将通过用局部静电覆盖层完全屏蔽每个RF部分来完全消除它们.图9显示了烤箱在绝缘外壳内.绝大部分的绝缘材料是硬质聚氨酯泡沫,但顶部和底部的较高表面积有一个额外的1/4英寸的柔性气凝胶毯,编号为100002,由Aspen Aerogels制造(未显示).保温方案是有效的；测得的烤箱热阻约为22.6℃/瓦,对于这种尺寸的烤箱而言较高.

图9.移除盖子的乘法器

原型测试
　　Delta Design MK2300温度室经过修改,方法是在背面钻一个孔,以避免弯曲电缆,并最大程度地减少室内的电缆数量.完成的单元太大,无法容纳原始的自制室.测试设置包括一个自动数据采集系统(图10).

图10.原型测试台

　　构造了两个相同的乘法器,以类似于图4所示的技术进行测试.初步测试无法检测到归因于乘法器的任何系统相移,但是由于电缆和暴露在室内的组件,测试系统表现出明显的漂移和滞后现象周围.已确定,量化乘数漂移的一种更成功的方法是更改乘数烤箱的设定点,以产生已知的固定温度阶跃并测量所产生的相移.然后,通过测量烤箱控制器的实际增益,可以以合理的准确度推断出由于环境温度变化而引起的相位漂移.一个装置的烤箱设定点以10欧姆的步长变化,总共变化50欧姆,这导致总设定点温度变化1.85℃.
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