超稳和超低相位噪声低温蓝宝石振荡器的研究

摘要

在精密测量实验中，频率作为准确度最高的物理量，带动了现代基础测量、高速通信系统、导航和雷达系统等领域的发展。低温蓝宝石振荡器由于具有超高短期稳定性和极低相位噪声，使其可用于深空探测、基础物理研究等对频率源精度有着苛刻要求的场合。当前拥有世界纪录的低温蓝宝石振荡器的最高频率稳定度在积分时间为32s时可实现2.4×10-16，相位噪声高达-100dBc/Hz（载波为10GHz，偏置频率1Hz）。而其频率稳定度的预测值在10-104s积分时间段内可实现3×10-18。该性能与光钟的水平相当，但系统结构更加牢靠、更易搭建且费用更低。为探究和突破当前低温蓝宝石振荡器性能的限制，本人主要负责搭建系统，同时探究不同限制因素对系统性能的影响水平。该论文主要讨论了用于维持蓝宝石振荡器振荡的外围电子链路部分。
　　室温蓝宝石振荡器的搭建为低温实验进行了预热，帮助熟悉搭建整个流程并训练核心技能。实验室搭建的带有反馈控制的室温蓝宝石振荡器在外界温度较高和湿度较大的条件下，稳定度在积分时间为0.2s时为6×10-11，仅次于西澳大利亚大学在1995年所得实验结果的4倍。若对实验环境进行稳定和控制，采用相同的设计，其性能将进一步提高。与室温下相比，低温蓝宝石振荡器的Q值可提高至少三个量级，这使得蓝宝石谐振腔温度和入射到腔体的微波功率更易于进行反馈控制，且便于实施Pound锁频系统。但因受限于测量系统中超低相噪信号源（参考源）的本底噪声水平，搭建的低温蓝宝石振荡器在0.03-1s的积分时间内，频率稳定度仅为1×10-12；相位噪声在1Hz偏置频率处为-48dBc/Hz。
　　为促使低温蓝宝石振荡器的性能实现预测值，需要寻找和研究新的限制因素。通常，低温蓝宝石振荡器包括两种：一种是基于液氦系统，另外一种是无液氦系统。研究表明，采用不同的低温系统冷却同一个蓝宝石谐振腔会对低温蓝宝石振荡器的性能产生影响。受此启发，来自无液氦制冷机的机械振动可能是新的限制因素。采用高精度的有限元分析方法，验证了这一猜想。为降低机械振动带来的本底噪声，可降低源头的机械振动水平，实验室采购的无液氦制冷机与世界上性能最高的低温蓝宝石振荡器所采用的无液氦制冷机相比，其机械振动水平要小于后者一个量级；或者设计新的蓝宝石谐振腔体，提高其抗机械振动的能力。结合这两种方法，有望将目前的低温蓝宝石振荡器的性能提高至少一个量级。对于该分析的实验验证，需在实验室搭建频率稳定度至少为10-15量级的低温蓝宝石振荡器。

目录

声明

1 绪论

1.1 背景介绍

1.2 章节安排

2 频率稳定度和相位噪声

2.1 频率稳定度

2.2 相位噪声

2.3 噪声的来源

2.4 本章小结

3 室温蓝宝石振荡器

3.1 自由运转的室温蓝宝石振荡器

3.2 带有负反馈控制系统的室温蓝宝石振荡器

3.3 本章小结

4 低温蓝宝石振荡器

4.1 低温蓝宝石谐振腔

4.2 低温蓝宝石振荡器电子环路

4.3 低温蓝宝石振荡器系统的搭建

4.4 系统限制因素分析

4.5 低温蓝宝石振荡器实验结果

4.6 本章小结

5 低温蓝宝石振荡器系统的潜在限制因素的分析

5.1 频率-机械振动敏感度分析

5.2 相位-机械振动敏感度分析

5.3 降低机械振动对低温蓝宝石振荡器的影响

5.4 本章小结

6 总结与展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间的论文

附录2 攻读学位期间投稿论文