CN117908080A - 超导加速器低电平探测通路相位漂移抑制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超导加速器低电平探测通路相位漂移的抑制装置及方法，包括：电长度探测系统，参考跟随系统，具备慢飘抑制控制功能的低电平系统，电控时序分配系统；本发明通过布置一套与腔体pickup信号采集线缆相同长度，质地及位置布局的同轴线缆，并输入与参考信号同源同相的射频信号。将电长度探测线缆的全反射信号与参考信号进行相位对比，并根据其相位差对低电平探测信号进行补偿。最终达到抑制超导加速器低电平探测通路相位漂移的作用。结构简单，反馈速度快，实践效果好，可以有效的提高低电平系统的相位探测准确度以及自由电子激光装置的长期稳定性。

Description

超导加速器低电平探测通路相位漂移抑制装置及方法

技术领域

本发明属于加速器射频低电平领域，具体说是一种超导加速器低电平探测通路相位漂移抑制装置及方法。

背景技术

目前对电子束诸如发射的，能散，流强等品质都有较高的要求。因此要求超导加速器内射频系统幅度相位稳定性由于0.01％和0.01°。传统射频低电平系统的设计架构中，探测通路中探测线缆会因温度及湿度变化导致的电长度发生变化，从而对被测信号的相位测量引入一定的误差。在传统加速器领域该误差较小，不会对测试结果造成影响。但是在超导自由电子激光装置中，由于对超导腔内射频信号的稳定性有着更高的要求,相应的，任何低频测量噪声，通过反馈回路都会影响腔场，从而对束流造成影响。因此必须对此误差进行补偿，不然系统性能将无法达到需求指标。

因此有必要提供一种可以抑制及补偿的系统和方法，使得采集到的超导腔内射频信号与实际腔内的射频场保持极小的误差，将低频的漂移尽可能补偿掉，以达到需要的实验目的。

发明内容

本发明专利发明了一种连续波超导加速器射频低电平系统探测通路探测相位的慢漂补偿装置及方法。可以有效的补偿因温度和湿度造成的探测线缆引入的探测相位的慢漂。并且可以推广到相关的加速器中。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

超导加速器低电平探测通路相位漂移抑制装置，包括：电控时序分配系统以及分别与其相连的电长度探测系统、参考跟随系统和低电平系统，所述参考跟随系统还分别与电长度探测系统以及低电平系统相连。

所述电长度探测系统包括：顺次连接的参考信号补正放大器、电长度探测信号耦合器以及电长度探测线缆，所述电长度探测线缆远离电长度探测信号耦合器的一端通过短路器短路，所述参考信号补正放大器的输入端连接参考跟随系统，所述电长度探测信号耦合器的耦合端连接电控时序分配系统。

所述参考跟随系统包括：参考信号一级功分器以及参考信号二级功分器，所述参考信号一级功分器的输入端连接参考信号，第一输出端连接低电平系统，第二输出端连接参考信号二级功分器的输入端，参考信号二级功分器的第一输出端连接电控时序分配系统，第二输出端连接电长度探测系统中的参考信号补正放大器的输入端。

所述低电平系统包括：超导加速器低电平装置、激励功率输出线缆、低电平探测线缆、探测信号采集耦合器、固态放大器，其中，所述超导加速器低电平装置依次通过激励功率输出线缆和固态放大器连接超导加速腔体；所述超导加速腔体连接探测信号采集耦合器的输入端，所述探测信号采集耦合器的耦合端通过低电平探测线缆连接超导加速器低电平装置，所述超导加速器低电平装置还与电控时序分配系统相连。

所述电控时序分配系统包括：电控开关和定时触发系统，所述电控开关分别与电长度探测系统中电长度探测信号耦合器的耦合端、参考跟随系统中参考信号二级功分器的第二输出端以及低电平系统中超导加速器低电平装置相连，所述定时触发系统分别与电控开关和低电平系统中超导加速器低电平装置相连。

所述电长度探测线缆和低电平探测线缆的长度和型号均相同且将电长度探测线缆的短路端放置在探测信号采集耦合器耦合端的阈值范围内，并对电长度探测线缆的短路端进行电磁屏蔽处理。

超导加速器低电平探测通路相位漂移抑制方法，包括以下步骤：

通过参考信号一级功分器将参考信号功分成两路，一路发送到超导加速器低电平装置，另一路发送到参考信号二级功分器，参考信号二级功分器再次对输入的参考信号功分成两路，一路发送到电控开关，另一路依次通过参考信号补正放大器和电长度探测信号耦合器传输到电长度探测线缆上；

电长度探测信号耦合器将电长度探测线缆反射回来的参考信号，通过耦合端发送到电控开关，作为电长度探测信号；

定时触发系统控制电控开关的高电平in1导通，低电平in2截止，此时超导加速器低电平装置采集参考信号，完成参考信号幅度相位检测以及参考跟随；

定时信号来到后，定时触发系统控制电控开关的低电平in2导通，高电平in1截止，此时超导加速器低电平装置采集电长度探测信号，并对其解调，将该信号与参考信号的相位进行对比，得到相位变化量，对其进行处理，完成对目标对被测信号即腔体pickup信号的探测通路相位漂移的校准补偿。

所述参考信号的参考跟随为：通过对参考信号的幅相检测，得到测量通路的探测噪声：

本振信号相位与参考信号相位的关系为：

其中，f_Lo为本振频率，f_ref为参考频率，为本振引入噪声；

低电平采样时钟信号相位与参考信号相位的关系为：

其中，f_CLK为时钟频率，f_ref为参考频率；为时钟引入噪声；

被测参考信号相位为：

其中，为探测噪声，f_IF为中频信号，为信号线缆、接头或衰减器引入的噪声，为信号下变频引入的噪声，为ADC引入的噪声。

对相位变化量进行处理具体为：

将相位变化量乘以即为电长度探测线缆的温度漂移变化量，使用该变化量对实际被测信号进行探测通路相位漂移的校准补偿。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明通过测量与探测通路电长度变化量一致的线缆全反射信号的相位，并与初始参考相位对比，倍的被测相位差作为补偿值对探测线缆电长度的变化量进行校准补偿，可以有效的补偿因温度和湿度造成的探测线缆引入的探测相位的慢漂。

2.本发明结构简单，反馈速度快，实践效果好。通过对电控开关的时序控制，可使用一组ADC同时进行相位漂移补偿以及参考跟随功能。可有效降低系统复杂度，节约成本。

3.传统加速器漂移校准需要将参考信号引至腔体pickup端口附近，此操作难度大，成本高，且容易引入额外的噪声。本发明利用传输线短路会发生信号全反射的原理，将参考信号置于低电平机柜内，降低了漂移校准功能的实施难度以及成本。

附图说明

图1为本发明的结构图；

图2为本发明的方法流程图；

图中：1、电长度探测线缆；2、低电平探测线缆；3、电控开关；4、参考信号；5、电长度探测信号耦合器；6、参考跟随功能信号；7、低电平系统；8、参考信号补正放大器；9、定时触发系统；10、电控开关输出信号；11、射频功率输出线缆；12、探测信号采集耦合器；13、超导加速腔体；14、参考信号二级功分器；15、参考信号一级功分器，16，固态放大器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，超导加速器低电平探测通路相位漂移的抑制装置，包括：电长度探测系统，参考跟随系统，具备慢飘抑制控制功能的低电平系统(7)，电控时序分配系统；

电长度探测系统包括：电长度探测线缆(1)，优选VSWR小于1.10,使用N型转接口，电长度探测信号耦合器(5)，参考信号补正放大器，优选低噪声放大器，建议性能：典型NF在0.5dB，静态工作点增益15dB。参考信号，优选1.3GHz下相位噪声40fsec以下参考信号(4)及具备相位比较及补偿功能的超导加速器低电平系统(7)。

参考跟随系统包括：参考信号，优选1.3GHz下相位噪声40fsec以下射频信号，参考信号一级功分器，(15)，参考信号二级功分器(14)，具备参考跟随功能的低电平系统,；

具备慢飘抑制及参考跟随功能的低电平系统包括：超导加速器低电平系统，(7)，射频功率输出线缆，优选VSWR小于1.10的射频线缆(11),低电平探测线缆，优选VSWR小于1.10的低电平探测线缆(2),探测信号采集耦合器(12)，定时触发系统(9)；

电控时序分配系统包括：使用定时触发作为使能的电控开关，优选PIN二极管射频开关(3)，定时触发系统(9)，腔体pickup信号探测通路；

上述超导加速器低电平系统(7)包括：可采集多路射频信号以及输出矢量调制信号的模拟板卡，搭载FPGA以及多路ADC的数字处理板卡。功能主要包括，激励信号生成及调节，射频信号采集及模数转换，腔体调谐功能和对超导腔内微波场进行前馈，反馈，相位补偿等功能。优选上海应用物理研究所制造的低电平系统,基于zynq系列SoC，具备16位ADC采集功能，将被测射频信号下变频至中频进行模数转换采集数据，并具有一定的BRAM内存空间用于缓存被测数据；具有DA输出及模拟上变频通道，生成可调节的微波激励信号，并配有带通滤波器以滤除DAC数模转换过程中所产生的谐波。需配有与腔体pickup功率探测通路配置完全相同的测量通路，采用同型号ADC,相同的模拟信号传输信道工艺以及同源本振信号，用于实现参考跟踪功能，消除探测通路噪声。

定时触发系统(9)包括：输出给超导低电平的使能信号，或脉冲触发信号(加速器脉冲工作模式下)，固态放大器触发信号(加速器脉冲工作模式下)，以及参考跟随与漂移补偿功能的使能信号。优选具备市电过零点锁定的定时触发系统，并且定时系统所使用的时钟需要进行分频处理，使用：(定时系统时钟周期与低电平采样时钟周期的最小公倍数/定时系统时钟周期)倍分频，以避免与低电平系统时序相对相位不稳定。

如图2所示，抑制方法包括以下步骤：

第一步：使用一个和低电平探测线缆(2)型号相同，长度相同的线缆作为“电长度探测线缆(1)”，优选VSWR小于1.10的射频线缆，接口采用N型接口。

第二步：将低电平探测线缆(2)与电长度探测线缆(1)一起进行布线。两个线缆在布线的时候，需布置在相同的路径上电长度探测线缆(1)的隧道端尽量与Pickup接头布置在一起。以确保两个线缆所遇到的温度变化和机械震动情况类似。使得两个线缆电长度变化量一致。电长度探测线缆(1)末端进行电磁屏蔽处理，以避免环境场对其造成影响。

第三步：将参考信号使用功分器功分一路出来，并且将信号低噪声放大，并传输到电长度探测电缆(1)上。电长度探测线缆(1)的另外一端在电子枪pickup探针附近，并且处于短路状态。因此信号会全反射回到低电平机柜。在低电平机柜外，靠近机柜的位置有一个定向耦合器可以将反射波耦合出来，并送入射频开关。

第四步：射频开关由定时信号控制。平时射频开关in1导通，in2截止。此时低电平对参考信号(6)进行采集，实现参考信号幅度相位检测以及参考跟随的功能。所述参考跟随功能原理为：通过对参考信号的幅相检测，可直接得到测量通路的探测噪声。

通过定时触发系统设置一路定时信号用作电控开关使能，此定时信号给出2Hz脉宽10ms的脉冲点平信号。高电平in1导通，采集射频参考信号。低电平in2导通，采集电长度探测信号。

本振信号相位与参考信号相位的关系为：

f_LO为本振频率，f_ref为参考频率。为本振引入噪声。

低电平采样时钟信号与参考信号的关系为：

f_CLK为时钟频率，f_ref为参考频率。为时钟引入噪声。

被测参考信号相位为：

为探测噪声,，f_IF为中频信号(参考信号与本振信号进行混频后低通滤波得到的中频信号，将被测高频信号下变频后所得。目的是使其频率降至可被频率为fclk的ADC采集到完整信息的范围)，为信号线缆，接头，衰减器等(conditioner)部分引入的噪声，为信号下变频引入的噪声，为ADC引入的噪声。

由此可得，通过以同一信号作为参考的低电平，直接测其参考信号，所得到的相位噪声即为低电平的探测噪声。可将此探测信号的相位作为补偿值，对腔体被测信号进行补偿，此功能即为参考跟随功能。

第五步：定时信号来到后，射频开关in2导通，in1截止。此时低电平对电长度探测信号进行采集，并解调。将该信号与之前参考信号的相位进行对比，由于只需要补偿信号单向传输的漂移，而采集到的相位变化量为全反射的双向传输相位变化量，所以需将其变化量乘以即为电长度线缆(1)的温度漂移变化量。此量等效于探测线缆电长度的变化量，可依此对实际被测信号进行探测通路相位漂移的校准补偿。

所述定时信号给出2Hz脉宽10ms的脉冲点平信号。高电平in1导通，采集射频参考信号。低电平in2导通，采集电长度探测信号。

探测线缆电长度的变化量跟温度有关，因此是一个慢变化。而由于固件算法较快，对电长度变化的探测和比较使用的时间小于2us。而主要影响探测的时间应该是消除射频开关切换引起信号调制所需要的时间。估计大约10us左右。如果开关切换的频率是10Hz或者更低则不会影响对参考信号的探测和相位跟随功能。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.超导加速器低电平探测通路相位漂移抑制装置，其特征在于，包括：电控时序分配系统以及分别与其相连的电长度探测系统、参考跟随系统和低电平系统，所述参考跟随系统还分别与电长度探测系统以及低电平系统相连。

2.根据权利要求1所述的超导加速器低电平探测通路相位漂移抑制装置，其特征在于，所述电长度探测系统包括：顺次连接的参考信号补正放大器、电长度探测信号耦合器以及电长度探测线缆，所述电长度探测线缆远离电长度探测信号耦合器的一端通过短路器短路，所述参考信号补正放大器的输入端连接参考跟随系统，所述电长度探测信号耦合器的耦合端连接电控时序分配系统。

3.根据权利要求1所述的超导加速器低电平探测通路相位漂移抑制装置，其特征在于，所述参考跟随系统包括：参考信号一级功分器以及参考信号二级功分器，所述参考信号一级功分器的输入端连接参考信号，第一输出端连接低电平系统，第二输出端连接参考信号二级功分器的输入端，参考信号二级功分器的第一输出端连接电控时序分配系统，第二输出端连接电长度探测系统中的参考信号补正放大器的输入端。

4.根据权利要求1所述的超导加速器低电平探测通路相位漂移抑制装置，其特征在于，所述低电平系统包括：超导加速器低电平装置、激励功率输出线缆、低电平探测线缆、探测信号采集耦合器、固态放大器，其中，所述超导加速器低电平装置依次通过激励功率输出线缆和固态放大器连接超导加速腔体；所述超导加速腔体连接探测信号采集耦合器的输入端，所述探测信号采集耦合器的耦合端通过低电平探测线缆连接超导加速器低电平装置，所述超导加速器低电平装置还与电控时序分配系统相连。

5.根据权利要求1所述的超导加速器低电平探测通路相位漂移抑制装置，其特征在于，所述电控时序分配系统包括：电控开关和定时触发系统，所述电控开关分别与电长度探测系统中电长度探测信号耦合器的耦合端、参考跟随系统中参考信号二级功分器的第二输出端以及低电平系统中超导加速器低电平装置相连，所述定时触发系统分别与电控开关和低电平系统中超导加速器低电平装置相连。

6.根据权利要求2或4所述的超导加速器低电平探测通路相位漂移抑制装置，其特征在于，所述电长度探测线缆和低电平探测线缆的长度和型号均相同且将电长度探测线缆的短路端放置在探测信号采集耦合器耦合端的阈值范围内，并对电长度探测线缆的短路端进行电磁屏蔽处理。

7.超导加速器低电平探测通路相位漂移抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过参考信号一级功分器将参考信号功分成两路，一路发送到超导加速器低电平装置，另一路发送到参考信号二级功分器，参考信号二级功分器再次对输入的参考信号功分成两路，一路发送到电控开关，另一路依次通过参考信号补正放大器和电长度探测信号耦合器传输到电长度探测线缆上；

电长度探测信号耦合器将电长度探测线缆反射回来的参考信号，通过耦合端发送到电控开关，作为电长度探测信号；

定时触发系统控制电控开关的高电平in1导通，低电平in2截止，此时超导加速器低电平装置采集参考信号，完成参考信号幅度相位检测以及参考跟随；

定时信号来到后，定时触发系统控制电控开关的低电平in2导通，高电平in1截止，此时超导加速器低电平装置采集电长度探测信号，并对其解调，将该信号与参考信号的相位进行对比，得到相位变化量，对其进行处理，完成对目标对被测信号即腔体pickup信号的探测通路相位漂移的校准补偿。

8.根据权利要求7所述的超导加速器低电平探测通路相位漂移抑制方法，其特征在于，所述参考信号的参考跟随为：通过对参考信号的幅相检测，得到测量通路的探测噪声：

本振信号相位与参考信号相位的关系为：

其中，f_LO为本振频率，f_ref为参考频率，为本振引入噪声；

低电平采样时钟信号相位与参考信号相位的关系为：

其中，f_CLK为时钟频率，f_ref为参考频率；为时钟引入噪声；

被测参考信号相位为：

其中，为探测噪声，f_IF为中频信号，为信号线缆、接头或衰减器引入的噪声，为信号下变频引入的噪声，为ADC引入的噪声。

9.根据权利要求7所述的超导加速器低电平探测通路相位漂移抑制方法，其特征在于，对相位变化量进行处理具体为：

将相位变化量乘以即为电长度探测线缆的温度漂移变化量，使用该变化量对实际被测信号进行探测通路相位漂移的校准补偿。