一种氢脉泽蓝宝石谐振腔的频率温度补偿方法

摘要

本发明公开了一种氢脉泽蓝宝石谐振腔的频率温度补偿方法，氢脉泽蓝宝石谐振腔包括：谐振腔底盖(1)、谐振腔筒(2)、蓝宝石(3)、活塞(4)、谐振腔顶盖(5)、弹簧(6)、钛酸锶晶体片(7)。通过确定钛酸锶晶体片(7)，设计钛酸锶晶体片(7)的直径、厚度、片数，组装谐振腔，将钛酸锶晶体片(7)均匀分布在蓝宝石(3)上下表面，并且测定蓝宝石(3)谐振腔温度系数，最后完成补偿谐振腔的频率温度系数的方法。本发明的优点是代替机械温度补偿方法，大幅度降低蓝宝石谐振腔的温度系数，实现氢频标的小型化。

说明书

技术领域

本发明涉及一种频率温度补偿方法，特别是一种氢脉泽蓝宝石谐振腔的频率温度补偿方法。

背景技术

随着氢脉泽应用的不断推广，其小型化迫在眉睫。谐振腔是氢频标的重要组成部分，其尺寸直接决定了整钟尺寸。为了缩小尺寸，采用了介质负载腔——以蓝宝石为填充介质的圆柱形谐振腔，从而提高了Q值，在谐振频率不变、不损失准确度和稳定度的情况下，缩小了腔体尺寸。但是随着金属谐振腔尺寸变小，要想得到同样频率，金属腔内的蓝宝石填充介质增多，这样的结果将导致微波腔的温度系数变大，温度系数增大后加大了温控的难度。目前控温水平很难达到如此高的要求，从而导致整钟指标难以提高。

减小温度系数需要采用温度补偿技术，但是过去一般采用机械补偿，即采用大的合金，例如镁铝合金做成环支撑。当氢脉泽谐振腔尺寸随温度升高而增大时，环高也同时伸长，从而使实际谐振腔尺寸反而变小，达到温度补偿的效果。但是此方法比较粗糙，合金环的高度难以设计，随着温度的变化难以精确控制频率，谐振腔的频率受环境影响比较大。

发明内容

本发明目的在于提供一种氢脉泽蓝宝石谐振腔的频率温度补偿方法，解决机械温度补偿方法难以有效降低氢脉泽谐振腔温度系数的问题。

一种氢脉泽蓝宝石谐振腔的频率温度补偿方法的具体步骤为：

第一步确定钛酸锶晶体片

蓝宝石是单轴各向异性晶体，垂直于光轴和平行于光轴的相对介电常数分别为9.4和11.6，在47℃时其垂直于光轴方向的损耗角正切值为1×10^-5。钛酸锶晶体片是各向异性晶体，相对介电常数为300，在47℃时其损耗角正切值为8×10^-4。钛酸锶晶体片的相对介电常数为是蓝宝石相对介电常数的30倍，而钛酸锶晶体片为负温度系数晶体，其介电常数随着温度的升高而降低，与蓝宝石介电常数的变化相反。当温度变化时，钛酸锶晶体片就可以补偿蓝宝石介电常数的变化而引起的谐振腔频率的变化，因此选择钛酸锶晶体片作为频率温度补偿。

第二步设计钛酸锶晶体片的直径、厚度、片数

钛酸锶晶体片为圆柱型，由于晶体生长能力所限，直径最大为17mm，选择钛酸锶晶体片直径为10mm～17mm。然后选择不同的厚度和个数来计算谐振腔的频率温度系数，根据计算结果选择钛酸锶晶体片的最优尺寸。

首先根据公式求解当蓝宝石及钛酸锶晶体片的介电常数、蓝宝石厚度、蓝宝石高度、谐振腔高度和半径有微小量变化Δε_t1、Δε_t2、Δd、Δh₂、Δh₁和Δa时，相应的带来谐振频率的量变Δf，由此得到系数A。

$A_{r1}=\frac{{ϵ}_{t1}}{f}\frac{\mathrm{\Delta f}}{{\mathrm{\Delta ϵ}}_{t1}}---\left(1\right)$

公式(1)求解当蓝宝石的介电常数有微小变化时，相应带来谐振频率的量变系数A_r1，其中ε_t1为蓝宝石的介电常数。

$A_{r2}=\frac{{ϵ}_{t2}}{f}\frac{\mathrm{\Delta f}}{{\mathrm{\Delta ϵ}}_{t2}}---\left(2\right)$

公式(2)求解当钛酸锶晶体片的介电常数有微小变化时，相应带来谐振频率的量变系数A_r2，其中ε_t2为钛酸锶晶体片的介电常数。

$A_d=\frac{d}{f}\frac{\mathrm{\Delta f}}{\mathrm{\Delta d}}---\left(3\right)$

公式(3)求解当蓝宝石的厚度发生微小变化时，相应带来谐振频率的量变系数A_d，其中d为蓝宝石的厚度。

$A_a=\frac{a}{f}\frac{\mathrm{\Delta f}}{\mathrm{\Delta a}}---\left(4\right)$

公式(4)求解当谐振腔的半径发生微小变化时，相应的带来的谐振频率的量变系数A_a，其中a为谐振腔的半径。

$A_{h1}=\frac{h_1}{f}\frac{\mathrm{\Delta f}}{\Delta h_1}---\left(5\right)$

公式(5)求解当谐振腔的高度发生微小变化时，相应的带来的谐振频率的量变系数A_h1，其中h₁为谐振腔的高度。

$A_{h2}=\frac{h_2}{f}\frac{\mathrm{\Delta f}}{\Delta h_2}---\left(6\right)$

公式(6)求解当蓝宝石的高度发生微小变化时，相应的带来的谐振频率的量变系数A_h1，其中h₂为蓝宝石的高度。

由于钛酸锶晶体片的高度和厚度相对于谐振腔很小，其由于温度变化引起的热膨胀可以忽略。

求解蓝宝石相对介电常数、钛酸锶晶体片相对介电常数、蓝宝石的径向和轴向及谐振腔的温度系数。

然后根据谐振腔频率温度系数的计算公式：

$\frac{\partial f}{\partial T}=[\frac{\partial f}{{\partial ϵ}_t}\frac{{\partial ϵ}_t}{\partial T}+\frac{\partial f}{\partial d}\frac{\partial d}{\partial T}+\frac{\partial f}{\partial h_1}\frac{{\partial h}_1}{\partial T}+\frac{\partial f}{\partial a}\frac{\partial a}{\partial T}+\frac{\partial f}{{\partial h}_2}\frac{{\partial h}_2}{\partial T}]---\left(7\right)$

在实际计算时，把近似替换成Δf/Δε_t，其它的偏导数也按照同样的方法进行替换，由此可推出公式(8)：

τ_f＝(A_r1τ_r1+A_r2τ_r2+A_dτ_α1+A_h1τ_α2+A_aτ_c+A_h2τ_c)(8)

其中：τ_f谐振频率f的温度系数，τ_r1、τ_r2、τ_α1、τ_α2、τ_c都为常数，分别为蓝宝石相对介电常数温度系数、钛酸锶晶体片相对介电常数温度系数、蓝宝石的径向和轴向热膨胀系数、谐振腔的热膨胀系数。

把钛酸锶晶体片的厚度和高度代入上述公式计算得到谐振腔的频率温度系数，根据计算结果进行选择，确定钛酸锶晶体片厚度为5mm～7mm。钛酸锶晶体片为8～32片，且为偶数片。

第三步组装谐振腔

钛酸锶晶体片均匀粘接在蓝宝石的上、下表面，且上、下表面片数相同，上、下表面的钛酸锶晶体片各组成正多边形。蓝宝石螺纹固定在谐振腔底盖，谐振腔筒与谐振腔底盖螺孔固定。活塞置于蓝宝石顶部，弹簧置于活塞上的凹槽中，六个弹簧组成正六边形，谐振腔顶盖置于弹簧上，谐振腔顶盖与谐振腔筒螺钉固定。

第四步补偿谐振腔的频率温度系数

当工作温度升高时，谐振腔体积增大，蓝宝石的介电常数变大，根据公式(4)、(5)和(1)，A_a、A_h1及A_r1变大，并且计算结果为正数。根据公式(8)，谐振腔的频率温度系数增大。由于钛酸锶晶体片为负温度系数晶体，因此公式(2)的结果为负数。根据公式(8)，钛酸锶晶体片介电常数是蓝宝石介电常数的30倍，抵消谐振腔由于蓝宝石介电常数变化引起的频率变化。当工作温度降低时，谐振腔体积减小，蓝宝石的介电常数变小，钛酸锶晶体片的介电常数变大，降低谐振腔的频率温度系数。

第五步测定蓝宝石谐振腔温度系数

进行蓝宝石谐振腔温度系数的测量，把整个谐振腔放入高低温箱中，设定温度T₁，6个小时后整个谐振腔达到温度平衡，测得当前频率为f₁。设定第二个温度T₂，谐振腔温度平衡后测得频率为f₂。以此测量多次，利用差值计算公式，得到谐振腔频率的温度系数：

$f{\tau }_f=\frac{\underset{i=2}{\overset{n}{\Sigma }}[(f_i-f_{i-1})/(T_i-T_{i-1})]}{n-1}---\left(9\right)$

代入测试数据，经计算得到谐振腔的温度系数为-9.7kHz/℃，低于目前的-60kHz/℃。

本发明的优点是通过设计钛酸锶晶体片，将钛酸锶晶体片均匀分布在蓝宝石上下表面。从而代替机械温度补偿方法，大幅度降低蓝宝石谐振腔的温度系数，实现氢频标的小型化。

附图说明

图1一种氢脉泽蓝宝石谐振腔的频率温度补偿方法的装置示意图。

1.谐振腔底盖 2.谐振腔筒 3.蓝宝石 4.活塞 5.谐振腔顶盖 6.弹簧7.钛酸锶晶体片

具体实施方式

一种氢脉泽蓝宝石谐振腔的频率温度补偿方法的具体步骤为：

第一步确定钛酸锶晶体片7

蓝宝石3是单轴各向异性晶体，垂直于光轴和平行于光轴的相对介电常数分别为9.4和11.6，在47℃时其垂直于光轴方向的损耗角正切值为1×10^-5。钛酸锶晶体片7是各向异性晶体，相对介电常数为300，在47℃时其损耗角正切值为8×10^-4。钛酸锶晶体片7的相对介电常数为是蓝宝石3相对介电常数的30倍，而钛酸锶晶体片7为负温度系数晶体，其介电常数随着温度的升高而降低，与蓝宝石3介电常数的变化相反。当温度变化时，钛酸锶晶体片7就可以补偿蓝宝石3介电常数的变化而引起的谐振腔频率的变化，因此选择钛酸锶晶体片7作为频率温度补偿。

第二步设计钛酸锶晶体片7的直径、厚度、片数

钛酸锶晶体片7为圆柱型，由于晶体生长能力所限，选择钛酸锶晶体片7直径为10mm。然后选择不同的厚度和个数来计算谐振腔的频率温度系数，根据计算结果选择钛酸锶晶体片7的最优尺寸。

首先根据公式求解当蓝宝石3及钛酸锶晶体片7的介电常数、蓝宝石3厚度、蓝宝石3高度、谐振腔高度和半径有微小量变化Δε_t1、Δε_t2、Δd、Δh₂、Δh₁和Δa时，相应的带来谐振频率的量变Δf，由此得到系数A。

$A_{r1}=\frac{{ϵ}_{t1}}{f}\frac{\mathrm{\Delta f}}{{\mathrm{\Delta ϵ}}_{t1}}---\left(1\right)$

公式(1)求解当蓝宝石3的介电常数有微小变化时，相应带来谐振频率的量变系数A_r1，

其中ε_t1为蓝宝石3的介电常数。

$A_{r2}=\frac{{ϵ}_{t2}}{f}\frac{\mathrm{\Delta f}}{{\mathrm{\Delta ϵ}}_{t2}}---\left(2\right)$

公式(2)求解当钛酸锶晶体片7的介电常数有微小变化时，相应带来谐振频率的量变系数A_r2，其中ε_t2为钛酸锶晶体片7的介电常数。

$A_d=\frac{d}{f}\frac{\mathrm{\Delta f}}{\mathrm{\Delta d}}---\left(3\right)$

公式(3)求解当蓝宝石3的厚度发生微小变化时，相应带来谐振频率的量变系数A_d，其中d为蓝宝石3的厚度。

$A_a=\frac{a}{f}\frac{\mathrm{\Delta f}}{\mathrm{\Delta a}}---\left(4\right)$

公式(4)求解当谐振腔的半径发生微小变化时，相应的带来的谐振频率的量变系数A_a，其中a为谐振腔的半径。

$A_{h1}=\frac{h_1}{f}\frac{\mathrm{\Delta f}}{\Delta h_1}---\left(5\right)$

公式(5)求解当谐振腔的高度发生微小变化时，相应的带来的谐振频率的量变系数A_h1，其中h₁为谐振腔的高度。

$A_{h2}=\frac{h_2}{f}\frac{\mathrm{\Delta f}}{\Delta h_2}---\left(6\right)$

公式(6)求解当蓝宝石3的高度发生微小变化时，相应的带来的谐振频率的量变系数A_h1，其中h₂为蓝宝石3的高度。

由于钛酸锶晶体片7的高度和厚度相对于谐振腔很小，其由于温度变化引起的热膨胀可以忽略。

求解蓝宝石3相对介电常数、钛酸锶晶体片7相对介电常数、蓝宝石3的径向和轴向及谐振腔的温度系数。

然后根据谐振腔频率温度系数的计算公式：

$\frac{\partial f}{\partial T}=[\frac{\partial f}{{\partial ϵ}_t}\frac{{\partial ϵ}_t}{\partial T}+\frac{\partial f}{\partial d}\frac{\partial d}{\partial T}+\frac{\partial f}{\partial h_1}\frac{{\partial h}_1}{\partial T}+\frac{\partial f}{\partial a}\frac{\partial a}{\partial T}+\frac{\partial f}{{\partial h}_2}\frac{{\partial h}_2}{\partial T}]---\left(7\right)$

在实际计算时，把近似替换成Δf/Δε_t，其它的偏导数也按照同样的方法进行替换，由此可推出公式(8)：

τ_f＝(A_r1τ_r1+A_r2τ_r2+A_dτ_α1+A_h1τ_α2+A_aα_c+A_h2α_c)(8)

其中：τ_f谐振频率f的温度系数，τ_r1、τ_r2、τ_α1、τ_α2、τ_c都为常数，分别为蓝宝石3相对介电常数温度系数、钛酸锶晶体片7相对介电常数温度系数、蓝宝石3的径向和轴向热膨胀系数、谐振腔的热膨胀系数。

把钛酸锶晶体片7的厚度和高度代入上述公式计算得到谐振腔的频率温度系数，根据计算结果进行选择，确定钛酸锶晶体片7厚度为5mm。钛酸锶晶体片7为8片。

第三步组装谐振腔

将8片钛酸锶晶体片7均匀粘接在蓝宝石3的上、下表面，且上、下表面各4片，上、下表面的钛酸锶晶体片7各组成正方形。蓝宝石3螺纹固定在谐振腔底盖1，谐振腔筒2与谐振腔底盖1螺孔固定。活塞4置于蓝宝石3顶部，弹簧6置于活塞4上的凹槽中，六个弹簧6组成正六边形，谐振腔顶盖5置于弹簧6上，谐振腔顶盖5与谐振腔筒2螺钉固定。

第四步补偿谐振腔的频率温度系数

当工作温度升高时，谐振腔体积增大，蓝宝石3的介电常数变大，根据公式(4)、(5)和(1)，A_a、A_h1及A_r1变大，并且计算结果为正数。根据公式(8)，谐振腔的频率温度系数增大。由于钛酸锶晶体片7为负温度系数晶体，因此公式(2)的结果为负数。根据公式(8)，钛酸锶晶体片7介电常数是蓝宝石3介电常数的30倍，抵消谐振腔由于蓝宝石3介电常数变化引起的频率变化。当工作温度降低时，谐振腔体积减小，蓝宝石3的介电常数变小，钛酸锶晶体片7的介电常数变大，降低谐振腔的频率温度系数。

第五步测定蓝宝石3谐振腔温度系数

进行蓝宝石3谐振腔温度系数的测量，把整个谐振腔放入高低温箱中，设定温度T₁，6个小时后整个谐振腔达到温度平衡，测得当前频率为f₁。设定第二个温度T₂，谐振腔温度平衡后测得频率为f₂。以此测量多次，利用差值计算公式，得到谐振腔频率的温度系数：

$f{\tau }_f=\frac{\underset{i=2}{\overset{n}{\Sigma }}[(f_i-f_{i-1})/(T_i-T_{i-1})]}{n-1}---\left(9\right)$

代入测试数据，经计算得到谐振腔的温度系数为-9.7kHz/℃，低于目前的-60kHz/℃。