超导稳频振荡器微波腔的优化设计

早在 1961年，国外研究人员把铜腔置于超低温环境下，得到腔的 Q值为 10 ，比常温环境下高 3收稿日期：2012-04-12基金项目：国防技术基雌研资助项目(A0420060773)作者简介：王暖让，男，博士研究生，工程师，主要从事微波频标研究。

10 时间频率学报 总36卷个数量级，这引起了超导腔的研究热潮Ⅲ。1967年，在铜腔内表面镀上 100 m厚的铌层，在超低温环境下得到的Q值约为 10m口 。从 20世纪60年代开始，超导腔开始用于高能物理学中的粒子加速器；70年代开始用作高稳定、窄谱线的微波频率源。后来随着工艺的改进，直接利用铌腔经过复杂的技术处理后获得高质量的内表面，并最终应用于时间频率标准的研制 ，也就是现在的超导稳频振荡器(superconducting cavity stabilized oscilator，SCSO o目前 SCSO的短期频率稳定度最高可达到 10 ～10 ，比传统原子钟 (如氢钟或铯钟 )高-到两个数量级，所以 SCSO可以在氢钟或铯钟的检定校准中作为参考源使用。SCSO主要由铌超导腔、高增益低噪声锁频环路、减压降温系统等构成。国外从20世纪70年代开展低温超导稳频振荡器研究工作至今已取得较大进展。斯坦福大学 Turneaure教授等研制的实验装置频率稳定度最高可达到 3×10 /(1～1 ks)，工作频率为 8.6 GHz。现代微波技术和高分辨率的温度测定方法的发展，以及无源振动隔离、压电倾斜校正技术使 SCSO的频率稳定度达到了10 ～10 。的水平。此外，国外还开展了蓝宝石介质谐振器 (SLOSC)的研究。西澳大利亚大学研究的 SLOSC的频率稳定度可达到 6×10 4/lO S，谐振腔的品质因数 Q 为 3.8×10st 。Turneaure教授等也开展了低温蓝宝石介质谐振器的研究，其短期频率稳定度在l0 10 的量级 。

国内也曾开展过SCSO的研究工作，但是没有得到满意的结果，其主要原因是超导腔的p值不高，国外超导腔的Q值-般在 10 以上，国内的超导腔的Q值-般低于 10 ，很难达到 10 。西南交通大学超导研究中心曾在低温铌超导微波谐振腔系统和低温铌超导微波表面电阻方面展开过研究工作，测试结果不甚理想；中国科学院理化技术研究所曾做过这方面的研究，重点在低温系统的研制；航天科工集团二。三所 十-五” 期间开始从事 SCSO的研究，目前已取得较大进展，得到了 Q值为 1O 的超导腔 ；此外国内很多机构利用超导腔进行粒子加速器的研究，此类超导腔频率大多较低，-般在 1 GHz以下。

1 腔体的优化设计超导腔是SCSO中很重要的-部分，其指标直接影响超导腔稳频器的短期稳定度。超导腔设计需要考虑的因素主要包括：频率、Q值、工作模式、工作温度。

图l为目前我们研制的椭圆超导腔的1，4结构尺寸示意图 (对称结构截面之 1/4)，其主要由2部分组成：椭球腔体和束管，束管是为了提供输入输出能量的耦合。尺寸如下：腔的直径(内径 )D60 am，腔的高度L。29 mm，束管的半径R 10 mm，束管的长度Lb50 mm，椭圆形渐变参数为：a2.5 mm，b4 mm，R。10 mm， 10。，腔的厚度为3 mm，材料为铌。利用矢量网络分析仪Agilent E4407B进行测试，数据如图2所示：微波腔谐振频率.厂为4.4GHZ，模式为TM。。，当温度为2K时，Q值为 1.9×10 。

、图 1 超导腔结构尺寸示意图 (对称结构截面之 1，4)第 1期 王暖让等：超导稳频振荡器微波腔的优化设计通过软件仿真优化，可以得到：当束管直径为 10mm时，束管内的电磁场已基本影响不到腔内的电磁常图6为此时束管内的电磁场分布示意图。由图6可见束管为 10 mm时，束管内的电磁场不会影响微波腔的模式。

(a) 电场分布示意图 (b) 磁场分布示意图图6 圆柱腔束管 (束管直径为 10mm)内电磁场分布示意图束管的长度对谐振频率的影响如图7所示。由图7可以看出，束管长度的变化引起腔频的变化最大为600 kHz，与耦合探针伸人束管内长度引起的腔频变化 (最大可达几百兆赫兹)相比，影响不大，因此束管长度的选择主要根据输人输出耦合探针伸入束管内长度的设计。

值为墨槲30 40 50束管长度 1/mm图7 腔频随束管长度的变化曲线根据所设计的束管直径进行束管长度的设计。对于-个两端口的腔，根据定义，输入端的外部 Q，式 (2)中， 为腔的谐振角频率， 为腔的储能， 为输入耦合器输人的功率。根据定义，外部Q值为，、 coU三了 。

t(2)输出端的(3)似m m渤 螂m5 4 4 4 3 3 3 2 2 2 l ： 9 6 3 5 瓣% 黼遴 躐缝 麟 1 O 6 6 2 2 7 7 4 4 14 时间频率学报 36卷式 (3)中， 为输人耦合器输出的功率。根据定义，输入、输出端的耦合系数分别为n Qo-，和 屈三 。

(4)(5)对于我们要设计的超导腔，要求 (无载Q值)为10 ，根据输入端耦合匹配原则即层 1，因此Qi为 10 。对于输出端，要求其尽量不影响腔本身的电磁场，因此-般选择屈在0.01-0.001之间，即要求Qt在 10110惶之间即可口 。通过计算机仿真我们得到了图8和图9的曲线，通过该两曲线我们可确定输入、输出端探针插入深度。

2×、-/箍磐-<簿输入端探针插入深度l/ram图8 输入端探针插入深度与输入端外部Qi 的关系输出端探针插入深度llmm图9 输出端探针插入深度与输出端外部QI的关系∞ 加 ∞ 舳 ∞ ∞ 加 O-。l0I×- 聒 裴习第 1期 王暖让等：超导稳频振荡器微波腔的优化设计根据图8我们可以得到，当探针的插入深度为 24.5 mlTl时， 为 10 ，此时 1；根据图9我们可以得到，当探针的插入深度为 19.5 mm时，Qt为 1×10，此时屈0.01，符合设计要求。根据理论计算及仿真结果可以得到束管的长度为50 mm，直径为 10 mm。 ·3 结论超导腔是 SCSO中关键的-部分，其结构直接影响SCSO的最终性能指标。根据分析及计算机仿真，我们得到了优化后的超导腔设计，为下-步研制高稳定超导稳频振荡器研究打下了坚实的基矗