电子顺磁共振谱仪中基于相频关系的自动频率控制系统的设计-王皓.docx

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1、+S科 蠓 在 桌 大 硕士学位论文 电子顺磁共振谱仪中基于 相频吳素的 S 勗频 4丨空制 系统的设 作者姓名： 王皓 学科专业： 物理电子学专业 导师姓名： 荣星研宄员 完成时间： 二一七年二月 万方数据 University of Science and Technology of China A dissertation for masters degree Design of Automatic Frequency Control System based on Phase-Frequency Relation in Electron Paramagnetic Resonance S

2、pectrometer Author: Speciality: Supervisor: Finished Time 万方数据 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研宄工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰 写过的研宄成果。与我一同工作的同志 对本研宄所做的贡献均已在论文中作了 明确的说明。 作者签名 ： 玉说 签 字 日 期 ： 冷 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机

3、构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入 中国学位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的 内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 W公开 保密 _ 年 签字日期： U) j i Q签字日期 ： /od 万方数据 摘要 摘要 在电子顺磁共振实验中，由于样品与谐振腔耦合以及受热膨胀、振动等外 界因素影响，腔的谐振频率会发生变化。为避免电子顺磁共振谱线的失真，需 要使微波波源的频率实时跟踪腔的谐振频率。通常我们在电子顺磁共振谱仪中 加入自动频率控制系统达到上述要求。目前

4、自动频率控制系统主要有两种类型 : 无扫频自动频率控制系统和有扫频自动频率控制系统。无扫频自动频率控制系 统未引入低频微波信号，其反馈信号为直流信号；有扫频自动频率控制系统引 入一个低频微波信号，其反馈信号调制于微波信号中。我们在电子顺磁共振谱 仪中设计了基于相频关系的无扫频自动频率控制系统，使微波波源频率跟踪腔 的谐振频率，避免了电子顺磁共振谱线的失真。此系统与有扫频的自动频率控 制系统相比，具有稳态 误差更小、谱仪分辨率高等一系列特点。 本文分为三部分。第一部分介绍电子顺磁共振原理和电子顺磁共振谱仪， 以及自动频率控制系统在电子顺磁共振谱仪中的应用。第二部分介绍了基于相 频关系的自动频率控

5、制系统的设计，并在理论上分析自动频率控制系统中器件 的参数对系统性能的影响。第三部分对论文进行总结和展望。 关键词： 电子顺磁共振，自动频率控制，相频关系 万方数据 ABSTRACT ABSTRACT In the experiments of electron paramagnetic resonance (EPR), the resonant jfre- quency of the cavity will change due to the coupling between the sample and the cavity, thermal expansion and vibration

6、 of the cavity, and other external factors. It is required for the microwave frequency to track the resonant frequency of the cavity to avoid the distortion of the EPR spectrum. An automatic frequency control (AFC) system is generally included in aa EPR spectrometer to meet this requirement. There a

7、re two types of AFC systems, named no-frequency-scanning AFC system and frequency-scanning AFC system. For the frequency-scanning AFC system, an extra low-frequency oscillating field is required and the feedback signal is modulated into the microwave signal. For the no-frequency-scanning AFC system,

8、 the low-frequency oscillating field is not required and a dc signal is the feedback. In this thesis, an AFC system is designed for the EPR spectrometer based on the relationship between microwave phase and frequency. The AFC system enables the microwave frequency to track the resonant frequency of

9、the cavity, which is beneficial for avoiding the distortion of the EPR spectrum. Compared with the frequency-scanning AFC system, tins system will be with lower Steady-state deviation and enable title spectrometer to be with higher resolution. This thesis contains three parts. In chapter 1, we intro

10、duce the principle of EPR and the EPR spectrometer. In chapter 2, we propose an AFC system based on tiie relationship between phase and frequency, and analyze theoretically how the parameters influence the perfonnance of the system. The chapter 3 is summary and scope. Keywords: electron paramagnetic

11、 resonance (EPR), automatic frequency control (AFC), phase-frequency relationship 万方数据 m m . i ABSTRACT . in 录 . V 表格索引 . VII 插图索引 . IX 第一章绪论 . 1 1.1电子顺磁共振简介 . 1 1.2自动频率控制技术在电子顺磁共振谱仪中的应用 . 5 1.3不同类型的自动频率控制系统的比较 . 11 第二章基于相频关系的自动频率控制系统的设计与仿真 . 13 2.1电子顺磁共振谱仪中的自动频率控制系统的需求分析及系统设计 13 2.2自动频率控制系统的参数分析及仿真

12、结果 . 23 第三章总结与展望 . 37 第四章参考文献 . 39 第五章致谢 . 41 第六章在读期间发表的学术论文与取得的研宄成果 . 43 万方数据 V 表格索引 表格索引 2.1电子顺磁共振实验中常用的样品和对应的横向弛豫时间典型值、 频率差 Af关系 171 . 16 万方数据 vn 插图索引 插图索引 1.1未成对电子自旋能级分裂图。电子自旋在外磁场作用下能级劈 裂，能级差与外磁场成正比。 . 1 1.2连续波电子顺磁共振谱仪原理图，谱仪主要由谐振腔、微波桥、 调制场、电磁场四个系统模块组成。图中标号： 1.微波源， 2.定 向耦合器， 3.前置放大器， 4.压控衰减器， 5.环

13、行器， 6.定向耦 合器， 7.低噪声放大器， 8.检波器， 9.移相器， 10.电磁铁， 11. 谐振腔， 12.电流放大器， 13.调制场振荡器， 14.锁相放大器， 15.计算机 w。 . 2 1.3谐振腔和微波源相连时的等效 RLC电路模型， L是电感、 C是电 容、 1是电阻， R 是微波源内阻。 . 3 1.4直流型自动频率控制系统原理图，压控振荡器产生的信号由定向 耦合器分成两部分，一部分信号经谐振腔反射得到含有腔谐振频 率相关的信息，另一部分信号通过移相器作为参考信号。这两部 分信号经过鉴频处理，得到校正信号，反馈给波源实现自动频率 控制功能 18。1.压控振荡器， 2.定向耦

14、合器， 3.环行器， 4.谐 振腔， 5.魔 T， 6.检波二极管 D1, 7.检波二极管 D2， 8.加法 器， 9.衰减器， 10.移相器，11.直流放大器。 . 6 1.5频率调制型自动频率控制系统原理图，内部低频振荡器产生的信 号调制于高频的微波载波信号中，调频信号通过谐振腔转变为调 幅信号，调幅信号再和低频内部振荡信号进行鉴频，得到含有频 率校正信息的校正信号，反馈给压控振荡器，实现自动频率控制 功能。图中标号： 1.内部低频振荡器， 2.加法器， 3.移相器， 4. PI控制器， 5.低通滤波器， 6.混频器， 7.移相器， 8.压控振荡 器， 9.环行器， 10.低噪声放大器，

15、11.检波器， 12.锁相放大器， 13.功率放大器， 14 谐振腔。 . 7 1.6频率调制信号进入谐振腔，低频信号 Vm(t)经过谐振腔的处理后 幅度被改变，输出信号为 Kt)。 当压控振荡器频率匕等于腔谐 振频率时，输出信号 VJt)频率为 2fm。当压控振荡器频率 fs不 等于腔谐振频率时，输出信号 Vjt)频率为 fm。 . 7 万方数据 IX 插图索引 1.7超外差自动频率控制系统原理图，腔反射信号和参考信号通过检 波二极管 Dl、 D2和相敏检测器的二次解调得到直流校正信号， 实现频率控制的功能。图中标号： 1.压控振荡器， 2.定向耦合 器， 3.谐振腔，4.环行器， 5.调制

16、器， 6.低频振荡器， 7.相敏检 测器， 8.交流放大器， 9.移相器， 10.魔 T, 11.检波二极管 D1， 12.检波二极管 D2， 13.直流放大器 18。 . 9 1.8 Pound型自动频率控制系统原理图。波源信号 Vs经过魔 T分成 两部分，一部分 Vc进入谐振腔，另一部分作为参考信号 VB， 实 际的信号传播方向为魔 T中虚线所示。腔反射的微波信号与低频 振荡器 Vm在调制器 D2处进行调制，调制信号 VD2返回魔 T到 达检波二极管 D1与参考信号 VB 起经过 D1解调，得到一个低 频校正信号 VeTT)T， VeTrt3r在相敏检测器 9处第二次解调得到直 流的校正信

17、号 Vfeedback，反馈给压控振荡器，实现自动频率控 制功能。图中标号： 1.压控振荡器， 2.隔离器， 3.魔 T，4.移相 器， 5.谐振腔， 6.检波二极管 D1， 7.调制器 D2， 8.交流放大 器， 9.相敏检测器， 10.低频振荡器 . 9 1.9加入自动频率控制系统以降低相噪的耿氏振荡器的结构图，通过 对耿氏振荡器波源加入一个基于相频关系的自动频率控制装置， 实现降低耿氏振荡器的相位噪声的功能。图中标号： 1.耿氏振荡 器，2.隔离器， 3.定向耦合器， 4. 90度混合网络， 5.环行器， 6. 谐振腔， 7.混频器， 8.运算放大器 . 11 2.1谱线中 （ D-A)

18、/A比值分别为 1%、 5%、 10%、 15%、 20%时，归 一化谱线的失真情况。此图以 T2* = l叫为例。 . 16 2.2基于相频关系的自动频率控制系统的设计。微波信号 Vs分成有 用信号和参考信号，经过混频器等进行鉴频，再通过低通滤波器 和 PI控制器进行校正信号的处理，反馈给虚线模块，实现微波 频率的校正。图中标号： 1.频率综合器， 2.混频器， 3.隔离器， 4.带通滤波器， 5.低噪声放大器， 6.隔离器， 7.隔离器， 8.介 质振荡器， 9. 90度混合网络， 10.环行器， 11.谐振腔， 12.定向 耦合器，13.锁相放大器， 14.低噪声放大器， 15.移相器，

19、 16.低 噪声放大器，17.混频器， 18.低通滤波器， 19. PI控制器。 _ 17 2.3本设计使用的 PI控制器，主要元件为运算放大器 ADA4522, U15A为比例项， U15B为积分项，这两部分构成 PI控制器的主 要部分。 U16A, U16B为加法器并且能够通过开关 SW1控制校 正信号的正负极性。 . 22 2.4在临界耦合情况下，自制矩形谐振腔 S11测试曲线，谐振频率为 9.769 GHz， 其对应的 S11 为 -40 dB, Q 因子为 1000。 . 23 万方数据 X 插图索引 2.5实测的带有波导的自制矩形谐振腔相频曲线和频率校正范围关 系分析图。中心对称轴

20、是经过腔谐振频率点的一条水平线。由式 (2.17)可知，通过调整移相器的相位，能够使 Vfeedbaek在谐振频 率处的余弦值为零，从而反馈信号 Vfeedback为零。而当波源频 率小于谐振频率 fcenteT，此余弦值为正，反馈信号极性为正；波 源频率大于谐振频率 fcentei ，此余弦值为负，反馈信号为负。波 源频率如果更小，小于或者更大，超过 fmax，佘弦值的 正负会改变，反馈信号极性反转，不能锁定到目标频率。频率校 正范围在 fmin至 fmax之间。 . 25 2.6理论上的谐振腔相频曲线，相位变化范围为 -7T/2至 7T/2,在谐 振频率 9.75 GHz处的相位为零，以相

21、位为零的水平线为中心对 称轴。 . 26 2.7带有波导的自制矩形谐振腔相频曲线和频率校正范围关系的理论 分析图。选取 9.75 GHz为中心频率，设中心频率对应的相位为 零。将波导和谐振腔两者的相频关系相结合，我们得到波导和谐 振腔整体的相频关系。 . 27 2.8自动频率控制系统锁定时间的闭环反馈原理分析图， ft为压控 振荡器的初始频率， fT为腔谐振频率， Af为当前时刻压控振荡 器和腔谐振频率的偏差， fe为校正的频率偏差。 Af是一个变量， 是系统在校正频率过程中不断变化的量 ， fi _ fT是初始条件下的 压控振荡器和腔谐振频率的偏差。 F(Af)/Af为检测函数，为微波 信号

22、通过馄频器后的传输函数， G a)为滤波器和 PI控制的系统 传递函数， Km)hUe为图 2.2虚线模块微波信号输出设计的调谐 M敏度。 . 27 2.9自动频率控制系统的反馈电压与时间、低通滤波器截止频率 fl的 关系图，空心圆黑色线为截止频率 0.1 kHz时的情况，红色空心 点为截止频率 1 kHz时的情况，蓝色实心点为截止频率 10 kHz时 的情况，绿色实线为截止频率 100 kHz时的情况。当 fl=l kHz 时，锁定时间为 0.05 s。 当 fl = 0.1 kHz时，锁定时间为 0.1s。 当 fl彡 10 kHz时，锁定时间基本上没有变化，为 0.01s。 且此过程 中反馈电压信号的振荡随截止频率增大而减弱。 . 30 2.10自动频率控制系统的反馈电压与时间、 PI控制器的比例项 P的关 系图，实心点黑色线为 P=0.1时的情况，红色空心点为 P=1时的 情况，空心点蓝色线为 P=l 时的情况，绿色实线为 P=l 时的 情况。比例项越大，锁定时间越小，并且反馈电压信号振荡变大。 30 万方数据 XI