一种基于RF-SQUID应用的高稳定频率自动控制器

摘要

本发明公开了一种基于RF‑SQUID应用的高稳定频率自动控制器，包括频率跟踪单元和相位补偿单元，所述频率跟踪单元和相位补偿单元电性连接，所述频率跟踪单元，用于捕获和跟踪RF‑SQUID应用中LC电路的谐振频率；所述相位补偿单元，用于补偿因RF‑SQUID应用中电缆长度不同而引起的相位差。本发明的有益效果是，采用了自动频率控制代替了常规的开环控制，而自动频率控制具有输出频率稳定、不受外界环境影响的特点，同时设计中增加了相位补偿电路，因此本申请的高稳定频率自动控制器具有应用环境更为广泛、测试精度更高的优势，将在地磁探测、物理原理验证、无损检测、低频远程通信等领域发挥有益效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于RF-SQUID应用，以消除射频频率热漂移影响为目的的高稳定频率自动控制器，特别是一种基于RF-SQUID应用的高稳定频率自动控制器。

背景技术

超导量子干涉仪(以下简称为“SQUID”)是磁场检测领域灵敏度最高的测量仪器，目前SQUID的主要应用领域是磁场检测，在其它领域的应用效果同样令人期待。电磁波由电场分量和磁场分量组成，通过接收并检测磁场分量同样可以实现电磁波的用途，由此，将SQUID用作传感器，辅以射频前端和常规处理电路可实现电磁波的检测功效。

在过去的二十年中，基于RF-SQUID应用的装置被广泛使用，如：YBCO制成的高TcRF-SQUID，微波谐振器制成的RF-SQUID，等。在这些装置中的射频RF电路为开环，开环性质决定了为RF-SQUID提供电流的压控振荡器具有频率随温度变化而漂移的特性，从而导致频率的长期稳定度差，如在户外这种环境温度变化强烈条件下的应用。即使在实验室条件下应用，也需要使装置达到热平衡，而这个过程需要花费几分钟的时间，效率差。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种基于RF-SQUID应用的高稳定频率自动控制器。

实现上述目的本发明的技术方案为，一种基于RF-SQUID应用的高稳定频率自动控制器，包括频率跟踪单元和相位补偿单元，所述频率跟踪单元和相位补偿单元电性连接，

所述频率跟踪单元，用于捕获和跟踪LC谐振频率；

所述相位补偿单元，用于补偿因RF-SQUID电缆长度不同而引起的相位差。

作为优选，所述频率跟踪单元包括功率分配模块Ⅰ、功率分配模块Ⅱ、信号放大模块Ⅰ、信号放大模块Ⅱ、乘法模块、频率控制模块、功率检波模块和电源转换模块，其中，

所述功率分配模块Ⅰ、信号放大模块Ⅰ、乘法模块、信号放大模块Ⅱ和功率检波模块依次电性连接；

所述频率控制模块、功率分配模块Ⅱ、移相模块和乘法模块依次电性连接；

所述频率控制模块、功率分配模块Ⅱ和功率分配模块Ⅰ依次电性连接；

作为优选，相位补偿单元包括移相模块，所述移相模块的移相范围为0°～360°，用于补偿因RF-SQUID电缆长度不同而引起的相位差。

作为优选，所述频率控制模块，用于接收上位机的控制指令，并在该控制指令的控制下输出不同频率的信号；

所述功率分配模块Ⅱ，用于接收频率控制模块输出的频率信号，将经过功率分配后的信号输送至功率分配模块Ⅰ；

所述功率分配模块Ⅰ，用于接收功率分配模块Ⅱ发出的信号，将经过功率分配的信号输送至信号放大模块Ⅰ；

所述信号放大模块Ⅰ，用于接收功率分配模块Ⅰ发出的信号，将经过放大处理的信号输送至乘法模块；

所述乘法模块，用于接收频率控制模块输出的频率与信号放大模块输出的频率，并将频率控制模块输出的频率与信号放大模块输出的频率进行信号相乘得到大动态频率信号，并将该大动态频率信号输送至信号放大模块Ⅱ；

所述信号放大模块Ⅱ，用于接收乘法模块发出的大动态频率信号，并将该大动态频率信号进行放大处理并输出至功率检波模块；

所述功率检波模块，用于接收信号放大模块Ⅱ输出的信号，将经过功率检波后的信号输送至SQUID。

作为优选，所述频率控制模块，用于接收上位机的控制指令，并在该控制指令的控制下输出频率信号，该频率信号为输出频率f范围500MHz～600MHz、步进1KHz、稳定度0.5ppm的信号。

作为优选，所述功率分配模块Ⅰ的隔离度为30dB。

作为优选，所述信号放大模块Ⅰ对-110dBm信号具有可检测能力，该信号放大模块Ⅰ的噪声系数为NF0.5dB。

作为优选，所述电源转换模块，用于为各模块提供所需的工作电源。

作为优选，所述移相模块用于根据RF-SQUID中所用的不同电缆长度对频率控制模块输出频率进行相位调整，调整值作为信号解调参考。

一种装配有基于RF-SQUID应用的高稳定频率自动控制器的RF-SQUID系统，该系统包括LC谐振电路模块和高稳定频率自动控制器，所述LC谐振电路模块和高稳定频率自动控制器电性连接，其中，

高稳定频率自动控制器，用于捕获和跟踪LC谐振频率，高稳定频率自动控制器输出端信号由耦合线圈反馈到RF-SQUID，该信号与RF-SQUID所测量的磁通量成正比。

利用本发明的技术方案制作的基于RF-SQUID应用的高稳定频率自动控制器，采用了自动频率控制代替了常规的开环控制，而自动频率控制具有输出频率稳定、不受外界环境影响的特点，同时设计中增加了相位补偿电路，因此本申请的高稳定频率自动控制器具有应用环境更为广泛、测试精度更高的优势，将在地磁探测、物理原理验证、无损检测、低频远程通信等领域发挥有益效果，通过在RF-SQUID的应用装置中加入高稳定频率自动控制器，使其输出频率的长期稳定度达到0.5ppm，与常规的开环电路相比，频率长期稳定度可以提高4个数量级及以上。

附图说明

图1是本发明所述基于RF-SQUID应用的高稳定频率自动控制器的电路原理图；

图2是本发明所述基于RF-SQUID应用的高稳定频率自动控制器的机械结构图；

图3是本发明所述RF-SQUID磁通锁定环路原理图；

图中，1-功率分配模块Ⅰ；2-功率分配模块Ⅱ；

3-信号放大模块Ⅰ； 4-信号放大模块Ⅱ；

5-乘法模块；6-移相模块；

7-频率控制模块；8-功率检波模块；

9-电源转换模块；10-LC谐振电路模块；

11-高稳定频率自动控制器。

具体实施方式

现有技术的不足：

如图3(a)所示，RF-SQUID由一个超导环LS构成，该超导环通过一定的耦合系数M耦合到LC谐振电路上。

在RF-SQUID应用过程中，为实现对磁通量测试的真实性，原则上LC谐振电路两端的电压幅度VC是外加磁通量这一变量的一元函数，但是目前LC谐振电路中的电感L和电容C在制造过程中不能对其谐振频率实现准确设计，这就导致LC谐振电路两端的电压幅度VC是外加磁通量和自身谐振频率这两个变量的二元函数，即VC不能真实反应出被测磁通量的大小，从而造成了测试误差。

由于VC值非常小，为实现对VC测试的准确性，必须采用信号幅度放大的方式实现VC值的可靠检测，常规的信号幅度放大方式为开环放大，该方式对信号进行放大的同时容易引入干扰和噪声等。

为解决上述LC谐振电路和开环电路所带来的问题，如图3(b)所示，本申请采用高稳定频率自动控制器实现对LC谐振频率的捕获和跟踪。高稳定频率自动控制器的发明既降低了磁通锁定电路的复杂性又提高了频率的长期稳定性，下面结合附图对本发明进行具体描述，如图1所示，一种基于RF-SQUID应用的高稳定频率自动控制器，包括频率跟踪单元和相位补偿单元，所述频率跟踪单元和相位补偿单元电性连接，所述频率跟踪单元，用于捕获和跟踪LC谐振频率；所述相位补偿单元，用于补偿因RF-SQUID电缆长度不同而引起的相位差；所述频率跟踪单元包括功率分配模块Ⅰ1、功率分配模块Ⅱ2、信号放大模块Ⅰ3、信号放大模块Ⅱ4、乘法模块5、频率控制模块7、功率检波模块8和电源转换模块9，其中，所述功率分配模块Ⅰ1、信号放大模块Ⅰ3、乘法模块5、信号放大模块Ⅱ4和功率检波模块8依次电性连接；所述频率控制模块7、功率分配模块Ⅱ2、移相模块6和乘法模块5依次电性连接；所述频率控制模块7、功率分配模块Ⅱ2和功率分配模块Ⅰ1依次电性连接；相位补偿单元包括移相模块6，所述移相模块6的移相范围为0°～360°，用于补偿因RF-SQUID电缆长度不同而引起的相位差；所述频率控制模块7，用于接收上位机的控制指令，并在该控制指令的控制下输出频率信号；所述功率分配模块Ⅱ2，用于接收频率控制模块输出的频率信号，将经过功率分配后的信号输送至功率分配模块Ⅰ1；所述功率分配模块Ⅰ1，用于接收功率分配模块Ⅱ2发出的信号，将经过功率分配的信号输送至信号放大模块Ⅰ3；所述信号放大模块Ⅰ3，用于接收功率分配模块Ⅰ1发出的信号，将经过放大处理的信号输送至乘法模块5；所述乘法模块5，用于接收频率控制模块输出的频率与信号放大模块输出的频率，并将频率控制模块输出的频率与信号放大模块输出的频率进行信号相乘得到大动态频率信号，并将该大动态频率信号输送至信号放大模块Ⅱ4；所述信号放大模块Ⅱ4，用于接收乘法模块发出的大动态频率信号，并将该大动态频率信号进行放大处理并输出至功率检波模块8；所述功率检波模块8，用于接收信号放大模块Ⅱ输出的信号，将经过功率检波后的信号输送至SQUID；所述频率控制模块7，用于接收上位机的控制指令，并在该控制指令的控制下输出频率信号，该频率信号为输出频率f范围500MHz～600MHz、步进1KHz、稳定度0.5ppm的信号；所述功率分配模块Ⅰ1的隔离度为30dB；所述信号放大模块Ⅰ3对-110dBm信号具有可检测能力，信号放大模块Ⅰ的噪声系数为NF0.5dB；所述电源转换模块9，用于为各模块提供所需的工作电源；所述移相模块6用于根据RF-SQUID中所用的不同电缆长度对频率控制模块输出频率进行相位调整，调整值作为信号解调参考；该系统包括LC谐振电路模块10和高稳定频率自动控制器11，所述LC谐振电路模块和高稳定频率自动控制器电性连接，其中，高稳定频率自动控制器11，用于捕获和跟踪LC谐振频率，高稳定频率自动控制器输出端信号由耦合线圈反馈到RF-SQUID，该信号与RF-SQUID所测量的磁通量成正比。

本技术方案的特点为，采用了自动频率控制代替了常规的开环控制，而自动频率控制具有输出频率稳定、不受外界环境影响的特点，同时设计中增加了相位补偿电路。

在本技术方案中，频率控制模块1通过上位机的控制指令实现输出频率f范围500MHz～600MHz、步进1KHz、稳定度0.5ppm的信号；该频率信号f经过隔离度为30dB的功率分配模块Ⅰ1后进入SQUID；SQUID输出信号经过增益G 110dB、噪声系数NF 0.5dB、动态范围D40dB的信号放大模块Ⅰ3后输出至乘法模块5；乘法模块5将频率控制模块1输出的频率与信号放大模块Ⅰ3输出的频率进行信号相乘，输出功率检波模块8可以处理的大动态频率信号；移相模块6作为应用的拓展，可根据RF-SQUID中所用的不同电缆长度对频率控制模块输出频率进行相位调整，调整值作为信号解调参考；电源转换模块9实现为各模块提供所需的工作电源。

在本技术方案中，本申请的基于RF-SQUID应用的高稳定频率自动控制器中的频率跟踪单元的输入端通过低损耗、耐腐蚀的射频连接器与RF-SQUID相连接；本申请的基于RF-SQUID应用的高稳定频率自动控制器中的频率跟踪单元的输出端通过输出及控制装置与RF-SQUID相连接，该输出及控制装置由航空线缆和耐腐蚀的微矩形连接器组成。

在本技术方案中，高稳定频率自动控制器输出端信号由耦合线圈反馈到RF-SQUID，该信号与RF-SQUID所测量的磁通量成正比。因此，RF-SQUID可以保持在恒定的磁通量状态下，即磁通锁定。

在本技术方案中，设计时严格确保电路对信号的不失真传输，基于RF-SQUID应用，要求高稳定频率自动控制器的动态范围为40dB，并对-110dBm信号具有可检测能力，反馈信号的最大输出电压由功率检波模块8决定，该电路输出电压范围为-5V～+5V。

在本技术方案中，为减小RF-SQUID传感器高谐振阻抗对闭环电路工作的影响，高稳定频率自动控制器的输入级采用高隔离度的功率分配模块Ⅰ1，因此允许在RF-SQUID传感器设计中采用高Q值的LC谐振器。

在本技术方案中，频率控制模块1采用中电科十三所的MPLL型高速跳频表贴微型频率合成器，集成了锁相环芯片，环路滤波器，压控振荡器，缓冲放大器及外围元器件；该型频率合成器所需的参考信号采用中电科十三所的OXM25型标贴恒温晶体振荡器，频率长期稳定度在±0.05～±0.5ppm范围，相噪偏离载频1KHz处小于-145dBc/Hz；通过优化环路滤波带宽，满足跳频时间、环路稳定和相噪的要求，跳频时间小于25uS，相噪偏离载频1KHz处小于-130dBc/Hz；频率控制模块1通过3线串行控制接口设置工作频率；由RF-SQUID信号调制的RF信号通过功率分配模块Ⅰ1进入信号放大模块Ⅰ3，为保证电路的线性度和信噪比，信号放大模块Ⅰ3将RF信号按一定增益放大，放大后的信号被引导至乘法模块5。

在本技术方案中，信号放大模块Ⅰ2采用MACOMD的MAAL型放大器。

在本技术方案中，移相模块6采用中电科十三所的NC3229S-107PD型移相器，移相范围0°～360°，该移相范围足以补偿因RF-SQUID电缆长度不同而引起的相位差。

在本技术方案中，功率检波模块8中的元器件电容C和电阻R的值均可调。电阻R决定电路动态范围，电阻R和电容C值决定电路带宽。动态范围随着电阻R值的减小而增加，同时随着电阻R值的减小会引起电路输出噪声，动态范围受到限制。带宽随着电容C和电阻R值的增加而减小。通过选择电容最小值Cmin和电阻最小值Rmin可以得到最大的转换速率、最大带宽和动态范围，同时选择电容最小值Cmin和电阻最小值Rmin，会导致磁通锁定环路的不稳定。因此，电容C和电阻R值的选择应该在性能和稳定性之间折中优化。

在本技术方案中，本申请中的基于RF-SQUID应用的高稳定频率自动控制器的参数，如工作频率、相位可以实现远程控制操作。所有设置和功能可以通过简单的串行命令进行设置和查询，如命令“Fre：550.000”表示“将工作频率设置为550.000MHz”，命令“DF”表示“查询当前正在工作的频率”，命令“PS：180.00”表示“移相补偿设置为180.00°”。

在本技术方案中，本申请的基于RF-SQUID应用的高稳定频率自动控制器的小信号检测能力测试和频率长期稳定度测试，采用Agilent N5181A信号发生器提供宽带的-110dBm信号来测量，将频率控制模块1设置为同信号发生器相同的输出频率，利用MSO5204B示波器在高稳定频率自动控制器的输出端测量信号的幅度和频率。示波器采集到的信号频率小于250Hz，可说明频率稳定度在0.5ppm范围内。

在本技术方案中，本申请的基于RF-SQUID应用的高稳定频率自动控制器的机械结构采取了以下工艺措施：

第一，接口选择不锈钢材质，表面钝化处理，提高防腐等级；

第二，紧固件选材为奥氏体不锈钢，防盐雾腐蚀；

第三，电路结构表面彩色导电氧化，并涂覆固体薄膜保护剂；

第四，电路板表面喷涂三防漆，电缆接头涂覆固体薄膜保护剂；

第五，电路结构内部的各组成电路，采用分腔设计，设计较密集的螺钉紧固PCB、隔条和盖板，保证PCB的接地和模块腔体的电连续性。

上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。