一种微波频率源的制作方法

本发明属于微波技术领域，尤其涉及一种微波频率源。

背景技术：

低温蓝宝石微波源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，但由于蓝宝石自身的温度频率系数较大，使得输出的微波信号漂移率较大。

技术实现要素：

本发明提供一种微波频率源，解决了现有低温蓝宝石微波频率源输出的微波信号漂移率大、频率稳定度低和相位噪声差的问题。

一种微波频率源，包括低温蓝宝石微波源、铯束管、伺服控制电路、变频模块；所述低温蓝宝石微波源，用于产生微波输出信号；所述变频模块，用于采集一部分微波输出信号功率、进行变频处理、产生扫频信号；所述铯束管，用于接收所述扫频信号，产生ramsey干涉条纹；所述伺服控制电路，用于根据所述ramsey干涉条纹峰值输出压控信号；所述低温蓝宝石微波源包含压控移相器；所述压控信号用于控制所述压控移相器，改变所述低温蓝宝石微波源的微波输出信号频率。所述变频模块包括功分器、直接数字合成器、混频器、滤波器；所述功分器，用于把所述微波输出信号分为两路；所述直接数字合成器，用于接收一路微波输出信号，产生中频信号；所述中频信号频率，为所述微波输出信号频率标准值和所述铯束管工作频率标准值的差值；所述混频器，用于将另一路微波输出信号和所述中频信号进行混频；所述滤波器，用于从混频后的信号中选择所述扫频信号。

进一步地，所述变频模块包括功分器、直接数字合成器、混频器、滤波器、分频器；所述功分器，用于把所述微波输出信号分为两路；所述分频器，用于接收所述功分器输出的微波频率源信号并进行分频，输出时钟信号；所述直接数字合成器接收所述时钟信号，输出中频信号；所述中频信号频率，为所述微波输出信号频率标准值和所述铯束管工作频率标准值的差值；所述混频器，用于将另一路微波输出信号和所述中频信号进行混频；所述滤波器，用于从混频后的信号中选择所述扫频信号。

优选地，所述低温蓝宝石微波源还包括真空罐、氦气液化器、液氦池、液氦导流管、热板、蓝宝石微波腔、输入微波接口、输出微波接口；所述真空罐内部为封闭真空区；所述液氦导流管从所述真空罐的顶端穿过并与所述真空罐焊接在一起，一端与所述氦气液化器连接，另一端与所述液氦池连接；所述氦气液化器位于所述真空罐的外部；所述液氦池位于所述真空罐的内部；所述氦气液化器、液氦池、液氦导流管形成封闭空间；所述热板固定在所述液氦池下方，与所述液氦池有热接触；所述蓝宝石微波腔固定在所述热板下方，与所述热板有热接触，所述蓝宝石微波腔用于产生谐振信号；所述输入、输出微波接口分别固定于所述蓝宝石微波腔两端，用于输入和输出信号；所述电控真空法兰接口固定在所述真空罐外壁上，且保持所述真空罐的密封性，所述真空罐内部与外部电控线缆通过所述电控真空法兰接口连接，所述电控真空法兰接口上设有出腔埠、入腔埠，分别用于输出、输入信号。

优选地，所述低温蓝宝石微波源还包括冷屏、温控真空法兰接口和温度监控模块；所述热板内部开槽，槽内装有加热丝和热敏电阻；所述冷屏位于所述真空罐内部，固定在所述液氦导流管上，与所述液氦导流管有热接触，所述冷屏上装有热敏电阻；所述温控真空法兰接口固定在所述真空罐外壁上，且保持所述真空罐的密封性，通过温控线缆与所述热板内的热敏电阻、加热丝，所述冷屏上的热敏电阻连接；所述温度监控模块，用于监视和控制所述热板和冷屏的温度，与所述温控真空法兰接口连接。

进一步地，所述低温蓝宝石微波源包括液氮容器、真空室、真空室密封盖、真空抽气阀门、蓝宝石微波腔、输入微波接口、输出微波接口；所述液氮容器为u型开口容器；所述真空室顶端开口，放置在所述液氮容器内；所述真空室密封盖位于所述液氮容器内，固定在所述真空室顶端，且与所述真空室形成封闭空间，所述真空室密封盖上设有通孔；所述真空抽气阀门位于所述真空室外，固定在所述真空室密封盖上，且覆盖所述真空室密封盖上的通孔；所述蓝宝石微波腔固定在所述真空室内部，且与所述真空室有热接触，所述蓝宝石微波腔用于产生谐振信号；所述输入、输出微波接口分别固定于所述蓝宝石微波腔两端，用于输入和输出信号；所述电控真空法兰接口固定在所述真空室密封盖上，且保持所述真空室的密封性，所述真空室内部与外部线缆通过所述电控真空法兰接口连接，所述电控真空法兰接口上设有出腔埠、入腔埠，分别用于输出、输入信号。

进一步地，所述低温蓝宝石微波源包括隔离器、滤波器、手动移相器、放大器、外部定向耦合器、压控衰减器；所述隔离器用于传递所述蓝宝石微波腔产生的谐振信号；所述滤波器用于从所述隔离器输出的谐振信号中滤波；所述压控移相器接收滤波后的谐振信号；所述手动移相器接收所述压控移相器输出的信号；所述放大器用于对所述手动移相器输出的信号进行幅度放大；所述外部定向耦合器接收所述放大器输出的信号，并输出所述微波输出信号；所述压控衰减器接收所述外部定向耦合器输出的信号；所述压控衰减器输出的信号通过所述输入微波接口传递给所述蓝宝石微波腔。

进一步地，所述低温蓝宝石微波源还包括，相位锁定端口、微波环形器、相位功率探测器、信号发生器、锁相电路模块、积分器电路模块；所述微波环形器用于接收所述压控衰减器输出的信号，并输出两路信号，其中一路通过所述输入微波接口传递给所述蓝宝石微波腔；所述相位功率探测器用于根据所述另一路微波环形器输出的信号输出相位功率信号；所述信号发生器用于产生两路相同的调制信号，分别为移相调制信号、锁相调制信号；所述锁相电路模块用于对所述锁相调制信号和所述相位功率信号鉴相，输出鉴相信号；所述相位锁定端口位于所述电控真空法兰接口上，用于输出所述相位功率信号；所述积分器电路模块用于根据所述鉴相信号输出积分信号；所述压控移相器用于根据所述移相调制信号、所述积分信号，对所述压控移相器输出的所述压控移相信号进行相位调节。

进一步地，所述低温蓝宝石微波源还包括，幅度稳定端口、内部定向耦合器、幅度功率探测器、幅度控制电路模块；所述幅度稳定端口位于所述电控真空法兰接口上；所述内部定向耦合器用于把所述压控衰减器输出的所述压控衰减信号，输出两路信号，其中一路通过所述输入微波接口传递给所述蓝宝石微波腔；所述幅度功率探测器用于根据所述内部定向耦合器输出的另一路压控衰减信号，输出幅度功率信号；所述幅度控制电路模块用于根据所述幅度功率信号，输出所述幅度控制信号；通过所述幅度稳定端口位于所述电控真空法兰接口上，用于输出所述幅度控制信号；所述压控衰减器用于根据所述幅度控制信号，对输出的所述压控衰减信号进行幅度调节。

优选地，所述微波输出信号标准值为9.204ghz；所述中频信号频率为5mhz。

本发明有益效果包括：本发明利用铯束管的ramsey干涉条纹，对低温蓝宝石微波源进行了频率锁定，使其输出的频率源信号漂移率大幅减小，具有低漂移优点，同时利用外围电路对微波腔进行激励和相位、幅度控制，形成高稳定度的低相位噪声的微波输出。与现有蓝宝石微波源相比，本发明输出的微波信号频率低漂移、稳定度高、相噪低，且结构简单、性价比高。

附图说明

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

图1为一种微波频率源实施例；

图2为一种变频模块具体化的微波频率源实施例；

图3为一种变频模块包含分频器的微波频率源实施例；

图4为一种包含谐振控制电路且液氦制冷的微波源实施例；

图5为一种包含谐振控制电路的变频模块包含分频器的液氦制冷的微波源实施例；

图6为一种包含幅度、相位控制电路且液氦制冷的微波频率源实施例；

图7为一种包含电控、温控且液氦制冷的微波频率源实施例；

图8为一种包含幅度、相位控制电路且液氮制冷的微波频率源实施例。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。

图1为一种微波频率源实施例。本实施例通过的一种微波频率源，包括低温蓝宝石微波源1、铯束管2、伺服控制电路3、变频模块4、压控移相器5。

所述低温蓝宝石微波源，用于产生微波输出信号；所述变频模块，用于采集一部分微波输出信号功率、进行变频处理、产生扫频信号；所述铯束管，用于接收所述扫频信号，产生ramsey干涉条纹；所述伺服控制电路，用于根据所述ramsey干涉条纹峰值输出压控信号；所述低温蓝宝石微波源包含压控移相器；所述压控信号用于控制所述压控移相器，改变所述低温蓝宝石微波源的微波输出信号频率。

进一步地，所述铯束管为铯原子钟的关键部件，所述铯束管包含铯炉、选态磁铁、u型腔、磁屏蔽、离化器、电子倍增器。

需要说明的是，所述铯束管产生ramsey干涉条纹是由铯原子与标准频率9.19ghz的微波相互作用形成的，所述ramsey干涉条纹具有长期稳定度高和漂移小的优点。

进一步地，所述伺服控制电路根据所述ramsey干涉条纹的花样谱线中主峰的3db带宽处的幅度值进行比较，当所述扫频信号的频率为9.19ghz时，所述ramsey干涉条纹的花样谱线中主峰的3db带宽处的幅度是相等的，所述伺服控制电路输出的所述压控信号的电压值偏小；当所述扫频信号的频率与标准频率值9.19ghz有偏差时，所述ramsey干涉条纹的花样谱线中主峰的3db带宽处的幅度是不相等的，所述伺服控制电路输出的所述压控信号的电压值偏大。所述压控信号控制所述压控移相器，改变所述低温蓝宝石微波源的微波输出信号频率，直至所述微波输出信号频率经过变频模块后输出的扫频信号频率稳定在标准频率值9.19ghz。

本发明利用铯束管的ramsey干涉条纹，对低温蓝宝石微波源进行了频率锁定，使其输出的频率源信号漂移率大幅减小，具有低漂移优点。

图2为一种变频模块具体化的微波频率源实施例。本实施例提供的一种微波频率源，包括低温蓝宝石微波源1、铯束管2、伺服控制电路3、变频模块4、压控移相器5；所述变频模块包括功分器6、直接数字合成器7、混频器8、滤波器9。

所述功分器，用于把所述微波输出信号分为两路；所述直接数字合成器，用于接收一路微波输出信号，产生中频信号；所述中频信号频率，为所述微波输出信号频率标准值和所述铯束管工作频率标准值的差值；所述混频器，用于将另一路微波输出信号和所述中频信号进行混频；所述滤波器，用于从混频后的信号中选择所述扫频信号。

需要说明的是，本发明所述微波输出信号标准值位于x波段内，且大小可以设定，可以是本发明设定的9.204ghz，也可以是x波段其他频率值，这里不做特别限定；所述中频信号频率值可以设定，可以是本发明设定的5mhz，也可以是其他频率值。

图3为一种变频模块包含分频器的微波频率源实施例。本实施例提供的一种微波频率源，包括低温蓝宝石微波源1、铯束管2、伺服控制电路3、变频模块4、压控移相器5；所述变频模块包括功分器6、直接数字合成器7、混频器8、滤波器9、分频器10。

所述功分器，用于把所述微波输出信号分为两路；所述分频器，用于接收所述功分器输出的微波频率源信号并进行分频，输出时钟信号；所述直接数字合成器接收所述时钟信号，输出中频信号；所述中频信号频率，为所述微波输出信号频率标准值和所述铯束管工作频率标准值的差值；所述混频器，用于将另一路微波输出信号和所述中频信号进行混频；所述滤波器，用于从混频后的信号中选择所述扫频信号。

需要说明的是，所述功分器输出的微波输出信号的频率位于x波段内、频率值较高，本发明变频模块包含的分频器可以降低所述功分器输出的微波输出信号的频率，即所述时钟信号的频率低于所述微波输出信号，有利于扩大所述直接数字合成器的器件选择范围，使所述微波频率源更具有通用性。

图4为一种包含谐振控制电路且液氦制冷的微波源实施例。本实施例提供的一种微波频率源，包括低温蓝宝石微波源1、铯束管2、伺服控制电路3、变频模块4、压控移相器5、氦气液化器11、液氦池12、液氦导流管13、真空罐14、热板15、蓝宝石微波腔16、输入微波接口17、输出微波接口18、电控真空法兰接口19、出腔埠20、入腔埠21、隔离器22、滤波器23、手动移相器24、放大器25、外部定向耦合器26、压控衰减器27。

所述真空罐内部为封闭真空区；所述液氦导流管从所述真空罐的顶端穿过并与所述真空罐焊接在一起，一端与所述氦气液化器连接，另一端与所述液氦池连接；所述氦气液化器位于所述真空罐的外部；所述液氦池位于所述真空罐的内部；所述氦气液化器、液氦池、液氦导流管形成封闭空间；所述热板固定在所述液氦池下方，与所述液氦池有热接触；所述蓝宝石微波腔固定在所述热板下方，与所述热板有热接触，所述蓝宝石微波腔用于产生谐振信号；所述输入、输出微波接口分别固定于所述蓝宝石微波腔两端，用于输入和输出信号；所述电控真空法兰接口固定在所述真空罐外壁上，且保持所述真空罐的密封性，所述真空罐内部与外部电控线缆通过所述电控真空法兰接口连接，所述电控真空法兰接口上设有出腔埠、入腔埠，分别用于输出、输入信号；所述隔离器用于传递所述蓝宝石微波腔产生的谐振信号；所述滤波器用于从所述隔离器输出的谐振信号中滤波；所述压控移相器接收滤波后的谐振信号；所述手动移相器接收所述压控移相器输出的信号；所述放大器用于对所述手动移相器输出的信号进行幅度放大；所述外部定向耦合器接收所述放大器输出的信号，并输出所述微波输出信号；所述压控衰减器接收所述外部定向耦合器输出的信号；所述压控衰减器输出的信号通过所述输入微波接口传递给所述蓝宝石微波腔。

需要说明的是，所述微波输出信号通过所述外部定向耦合器输出给所述变频模块。

本发明利用低温时蓝宝石微波腔的低损耗正切，通过外围谐振电路对蓝宝石微波腔进行正激励，能够获得极高的q值频率源信号，具有结构简单、操作容易、性价比高的优点。

图5为一种包含谐振控制电路的变频模块包含分频器的液氦制冷的微波源实施例。本实施例提供的一种微波频率源，包括低温蓝宝石微波源1、铯束管2、伺服控制电路3、变频模块4、压控移相器5、功分器6、直接数字合成器7、混频器8、滤波器9、分频器10、氦气液化器11、液氦池12、液氦导流管13、真空罐14、热板15、蓝宝石微波腔16、输入微波接口17、输出微波接口18、电控真空法兰接口19、出腔埠20、入腔埠21、隔离器22、滤波器23、手动移相器24、放大器25、外部定向耦合器26、压控衰减器27。

在本实施例中，所述变频模块的所述功分器接收所述外部定向耦合器输出所述微波输出信号。

所述微波输出信号、所述中频信号的频率均可以设定，所述微波输出信号频率值与所述中频信号频率值的差值为9.19ghz，以所述微波输出信号频率9.204ghz为例，所述中频信号频率值应为5mhz。

需要说明的是，本发明实施例中所述低温蓝宝石微波源采用液氦制冷，本发明低温蓝宝石微波源也可以采用其他制冷方式，这里不做限定。

本发明输出的所述微波输出信号频率稳定，频漂低、相噪指标高，以所述微波输出信号9.2ghz为例，所述微波输出信号频率稳定度为1～1000s优于1e-15，漂移率达到了3e-15，相噪指标为-90dbc/hz@1hz、-160dbc/hz@1khz，-165dbc/hz@10khz，达到了国际领先水平。

图6为一种包含幅度、相位控制电路且液氦制冷的微波频率源实施例。本实施例提供的一种微波频率源，包括低温蓝宝石微波源1、铯束管2、伺服控制电路3、变频模块4、压控移相器5、功分器6、直接数字合成器7、混频器8、滤波器9、分频器10、氦气液化器11、液氦池12、液氦导流管13、真空罐14、热板15、蓝宝石微波腔16、输入微波接口17、输出微波接口18、电控真空法兰接口19、出腔埠20、入腔埠21、隔离器22、滤波器23、手动移相器24、放大器25、外部定向耦合器26、压控衰减器27、相位锁定端口28、微波环形器29、相位功率探测器30、信号发生器31、锁相电路模块32、积分器电路模块33、幅度稳定端口34、内部定向耦合器35、幅度功率探测器36、幅度控制电路模块37。

所述低温蓝宝石微波源还包括，相位锁定端口、微波环形器、相位功率探测器、信号发生器、锁相电路模块、积分器电路模块；所述微波环形器用于接收所述压控衰减器输出的信号，并输出两路信号，其中一路通过所述输入微波接口传递给所述蓝宝石微波腔；所述相位功率探测器用于根据所述另一路微波环形器输出的信号输出相位功率信号；所述信号发生器用于产生两路相同的调制信号，分别为移相调制信号、锁相调制信号；所述锁相电路模块用于对所述锁相调制信号和所述相位功率信号鉴相，输出鉴相信号；所述相位锁定端口位于所述电控真空法兰接口上，用于输出所述相位功率信号；所述积分器电路模块用于根据所述鉴相信号输出积分信号；所述压控移相器用于根据所述移相调制信号、所述积分信号，对所述压控移相器输出的所述压控移相信号进行相位调节。

所述低温蓝宝石微波源还包括，幅度稳定端口、内部定向耦合器、幅度功率探测器、幅度控制电路模块；所述幅度稳定端口位于所述电控真空法兰接口上；所述内部定向耦合器用于把所述压控衰减器输出的所述压控衰减信号，输出两路信号，其中一路通过所述输入微波接口传递给所述蓝宝石微波腔；所述幅度功率探测器用于根据所述内部定向耦合器输出的另一路压控衰减信号，输出幅度功率信号；所述幅度控制电路模块用于根据所述幅度功率信号，输出所述幅度控制信号；通过所述幅度稳定端口位于所述电控真空法兰接口上，用于输出所述幅度控制信号；所述压控衰减器用于根据所述幅度控制信号，对输出的所述压控衰减信号进行幅度调节。

本发明中低温蓝宝石微波源设有幅度和相位控制电路，对所述蓝宝石微波频率源由于外部温度引起的幅度波动和相位波动实现了误差回调，使整个系统的输出功率波动极小，减小幅度噪声向相位噪声的转换，提升了所述微波源的频率稳定度。

图7为一种包含电控、温控且液氦制冷的微波频率源实施例。本实施例提供的一种微波频率源，包括低温蓝宝石微波源1、铯束管2、伺服控制电路3、变频模块4、压控移相器5、功分器6、直接数字合成器7、混频器8、滤波器9、分频器10、氦气液化器11、液氦池12、液氦导流管13、真空罐14、热板15、蓝宝石微波腔16、输入微波接口17、输出微波接口18、电控真空法兰接口19、出腔埠20、入腔埠21、隔离器22、滤波器23、手动移相器24、放大器25、外部定向耦合器26、压控衰减器27、相位锁定端口28、微波环形器29、相位功率探测器30、信号发生器31、锁相电路模块32、积分器电路模块33、幅度稳定端口34、内部定向耦合器35、幅度功率探测器36、幅度控制电路模块37、冷屏38，温控真空法兰接口39、温度监控模块40、热敏电阻41、加热丝42。

所述低温蓝宝石微波源还包括冷屏、温控真空法兰接口和温度监控模块；所述热板内部开槽，槽内装有加热丝和热敏电阻；所述冷屏位于所述真空罐内部，固定在所述液氦导流管上，与所述液氦导流管有热接触，所述冷屏上装有热敏电阻；所述温控真空法兰接口固定在所述真空罐外壁上，且保持所述真空罐的密封性，通过温控线缆与所述热板内的热敏电阻、加热丝，所述冷屏上的热敏电阻连接；所述温度监控模块，用于监视和控制所述热板和冷屏的温度，与所述温控真空法兰接口连接。

需要说明的是，本发明中所述低温蓝宝石微波源中的所述冷屏个数可以是1个，也可以是多个，这里不做具体数量的限定。

本发明中所述低温蓝宝石微波源增加了温度控制功能，能够对真空罐内的温度进行调节，使真空罐内温度保持在蓝宝石微波腔谐振温度附近，提高了所述蓝宝石微波源微波输出信号的稳定度。

图8为一种包含幅度、相位控制电路且液氮制冷的微波频率源实施例。本实施例提供的一种微波频率源，包括低温蓝宝石微波源1、铯束管2、伺服控制电路3、变频模块4、压控移相器5、功分器6、直接数字合成器7、混频器8、滤波器9、分频器10、液氮容器43、真空室44、真空室密封盖45、真空抽气阀门46、蓝宝石微波腔16、输入微波接口17、输出微波接口18、电控真空法兰接口19、出腔埠20、入腔埠21、隔离器22、滤波器23、手动移相器24、放大器25、外部定向耦合器26、压控衰减器27、相位锁定端口28、微波环形器29、相位功率探测器30、信号发生器31、锁相电路模块32、积分器电路模块33、幅度稳定端口34、内部定向耦合器35、幅度功率探测器36、幅度控制电路模块37。

所述液氮容器为u型开口容器；所述真空室顶端开口，放置在所述液氮容器内；所述真空室密封盖位于所述液氮容器内，固定在所述真空室顶端，且与所述真空室形成封闭空间，所述真空室密封盖上设有通孔；所述真空抽气阀门位于所述真空室外，固定在所述真空室密封盖上，且覆盖所述真空室密封盖上的通孔；所述蓝宝石微波腔固定在所述真空室内部，且与所述真空室有热接触，所述蓝宝石微波腔用于产生谐振信号；所述输入、输出微波接口分别固定于所述蓝宝石微波腔两端，用于输入和输出信号；所述电控真空法兰接口固定在所述真空室密封盖上，且保持所述真空室的密封性，所述真空室内部与外部线缆通过所述电控真空法兰接口连接，所述电控真空法兰接口上设有出腔埠、入腔埠，分别用于输出、输入信号。

需要说明的是，本发明实施例中所述低温蓝宝石微波源采用液氮制冷，本发明低温蓝宝石微波源也可以采用其他制冷方式，这里不做限定。

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。

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