陈 健，陈方舟，冷用斌,2,*

(1.中国科学院 上海高等研究院，上海 201204；2.中国科学院 上海应用物理研究所，上海 201800)

上海硬X射线自由电子激光装置(SHINE)是中国在建的首台准连续波硬X射线自由电子激光用户装置，其工程目标及建设内容包括一台8 GeV的低温超导直线加速器，可覆盖0.4～25 keV光子能量范围的3条自由电子激光波荡器线、3条光束线以及首批10个实验站，具备超高峰值亮度和平均亮度、最高可达1 MHz的束团重复频率、fs级超快脉冲等优越特性，能为物理、化学、生命科学、材料科学、能源科学等多学科领域提供超高分辨率成像和超快过程探索以及先进结构解析等多种前瞻性的尖端研究手段，可在张江高科技园区与第3代同步辐射装置和上海软X射线自由电子激光装置等形成独具特色和多学科交叉的先进科学研究平台[1-2]。

对于自由电子激光装置，为减小FEL辐射输出功率的衰退，要求电子束与产生的光子束在三维实空间中能充分相互作用，以实现高效的能量转换和传输，并能在辐射波长量级尺度上形成微聚束[3]，因此，需1个分辨率非常高的束流位置监测系统进行束流轨道的精确测量，并在此基础上进行轨道矫正，从而找到电子束的理想轨道，产生高性能的自由电子激光[4-5]。传统的宽带电极感应型的条带型束流位置检测器(stripline BPM)和纽扣型束流位置检测器(button BPM)，其位置分辨率均只能达μm量级。而采用谐振腔结构的腔式束流位置检测器(cavity beam position monitor, CBPM)能耦合束流在腔内激发的多种电磁场特征模式，其输出信号具有带宽窄、信噪比高的特点，具有极高的位置灵敏度，分辨率可达百nm，甚至nm量级[6]，从而广泛应用于各类FEL装置和国际直线对撞机中。

对于腔式BPM探头，其耦合输出的信号频率一般高达C波段甚至X波段，但受ADC的有效位、采样率、模拟带宽等因素限制，难以对腔式探头输出的高频信号进行直接采样处理，典型的技术方案是采用基于射频无线电技术的射频前端下变频至低中频/基带，之后再采用1个有效位较高、模拟带宽与中频信号相匹配的数据采集设备进行采样量化。因此RF前端作为腔式BPM系统的关键子系统之一，其结构和性能直接影响信号采集处理方案和整个系统的性能。

根据腔式BPM探头的有载品质因子Q高低，为匹配后续信号采集处理电子学，相应的RF前端的结构也不尽相同。较为典型的是斯坦福直线加速器中心的LCLS(Linac Coherent Light Source)和日本Spring-8研究中心的SACLA(SPring-8 Angstrom Compact Free Electron Laser)，LCLS针对设计的X波段高Q型腔式BPM探头，设计研制了一款可在隧道内将X波段信号通过单路下变频至20～60 MHz低中频(intermediate frequency, IF)的RF前端，结合分辨率为16 bit、采样率为119 MHz的数据采集系统，在束团电荷量为200 pC的条件下，得到了约200 nm的位置分辨率[7-8]。SACLA对于设计的C波段低Q型腔式BPM探头，由于信号衰减时间常数较小，采用了模拟IQ解调将腔体信号下变频至基带的结构。这种方法的优点是去除了载波信号，对ADC的要求较低；缺点是需更多的前端射频器件和ADC通道等资源，并易受外部基频信号干扰，对现场低频噪声和地要求较高以及存在IQ通道失衡等问题。在严格控制现场工艺条件后，在束团电荷量为300 pC，系统动态范围控制在±300 μm内，得到了约200 nm的位置分辨率[9]。在国内，随着FEL装置的建设，首个可在线运行的CBPM系统于2016年研发完成，该系统采用了C波段高Q型CBPM探头，信号调理下变频至30 MHz的RF前端，以及自研的数字化束流信号处理器，在500 pC的束团电荷量、±300 μm测量动态范围条件下，位置分辨率好于300 nm[10]。但该系统的性能尚不能满足SHINE的需求，经实验数据分析，RF前端的性能是影响该系统性能进一步提升的主要限制因素。因此研究RF前端的结构设计、探索设备加工及测试工艺，也是成功研制SHINE高分辨率腔式BPM系统的关键技术之一。

本文从SHINE对CBPM系统的整体需求出发，结合最优化的设计思路，对RF前端子系统进行指标分配，并在此基础上对RF前端的结构设计、研制和性能测试进行详细介绍。

1 设计指标需求

SHINE具有高重频(1 MHz)、低束团电荷量(～100 pC)、规模大(～3.1 km)等特点，因此对束流横向位置测量分辨率也有较高的要求，同时数量更多(～200套)。根据FEL物理组的仿真计算需求，为使FEL辐射输出功率衰退小于5%，要求束流横向位置测量分辨率好于200 nm(束团电荷量≤100 pC，测量动态范围≥100 μm条件下)。

在样机研制过程中，基于CBPM系统的最优化设计及信号处理方法，信号相对幅度提取不确定度与系统各子系统主要参数之间的关系可由式(1)[11]表示：

(1)

式中：R为信号幅度相对提取不确定度；ARF为腔式探头原始射频信号幅度；NRF为探头端热噪声幅度；τ为腔式探头的衰减时间常数；GRFFE为RF前端的增益系数；NF为RF前端噪声系数；NADC为ADC模块的等效噪声幅度；Ts为ADC采样周期。

据此对整体技术指标在探头、射频前端、数据采集处理电子学之间进行了分配，总体技术方案如下：探头将采用C波段圆柱式高Q腔型；RF信号调理将采用单通道下变频至低中频的方案，并在数字域采用最优化信号幅相提取算法提升幅相提取精度。其中对于RF前端的详细技术指标如下。1) 位置腔通道：NF<6 dB(100 pC、100 μm束流偏移条件下)；结合腔式探头输出信号，相对幅度提取不确定度好于0.1%；系统测量线性范围≥±2 mm@100 pC；通道间隔离度≥60 dB。2) 参考腔通道：NF<10 dB(10 pC束团电荷量条件下)；结合腔式探头输出信号，测量线性范围内相对幅度提取不确定度好于0.05%；系统测量线性范围为10～500 pC。3) 本振模块：本振信号与束流信号锁相，输出相位噪声恶化<30 fs(rms)；本振信号频率选择为机器参考基准时钟2 856 MHz的两倍频，即5 712 MHz，以减小本振信号相位噪声恶化；本振输出信号相对幅度稳定性好于0.05%。4) 外部采样时钟模块：与装置2 856 MHz基准信号锁相，作为信号采集处理电子学的外部参考时钟，时钟频率选择为基准信号的三分频，即952 MHz；输出时钟信号幅度稳定性好于0.1%；相位噪声恶化<100 fs(rms)。

此外，对于束流横向位置测量系统，位置分辨率和系统工作动态范围是一对相互掣肘的对象，很难同时在小动态范围和大动态范围条件下均能保证高位置分辨率的要求。而对于SHINE，正常供光运行在小电荷量(100 pC)、束流稳定(±100 μm小动态范围内)状态下，但装置从开始调试到正常供光运行的束流稳定状态是一并不短暂的重要过程，高位置分辨的束流位置测量系统对前期的调试也极重要，可基于束流准直和反馈为束流找到一理想参考轨道。因此，如何在小/大动态范围下均能保证系统具有较高的位置分辨率的特点也是RF前端方案设计中需要考虑的重点。

2 前端方案设计及研制

根据给出的技术指标需求，进行前端方案的设计和研制加工。为减小长距离传输电缆对高频有效信号信噪比的衰减，整个RF前端将位于隧道内尽可能靠近探头的位置。

2.1 方案设计

为匹配高Q型腔式探头和后续数字信号采集电子学，RF信号调理前端的整体方案采用单通道下变频至低中频的方案。此外，为扩大系统的动态范围，常见的是采用将可调衰减器置于RF前端最前级的方案，但根据式(2)的弗里斯公式可知，位于第1级放大器前的元器件对RF前端的性能影响更大，前置的可调衰减器衰减值直接与RF前端的噪声系数呈正比。

(2)

式中：FN为第N级元器件的噪声系数；GN为第N级放大器的增益。

因此考虑到小/大动态范围下的高位置分辨率的要求，单阶可调衰减的方案不再适用。经模拟仿真计算不同动态范围下的NF和位置分辨率，提出了放大器开关切换的方案，相应的方案设计框图如图1所示。

中心频率为5 771 MHz，带宽约100 MHz的射频窄带腔式滤波器用于滤去腔式探头耦合出的非主工作模式的干扰以及可能存在的从空间或地耦合出的主加速器频率干扰信号，另一方面，作为混频过程中的镜像抑制滤波器去除可能存在的距离腔体主工作频率2倍IF频率的镜像干扰信号，典型的插入损耗约1.5 dB；限幅器用于保护前端电路元件在束流状态剧烈变化的极端情况下不损毁；而为追求大动态范围下能减小系统噪声系数的增长，提出了采用开关切换型级联放大的方案；由2 856 MHz机器参考时钟倍频得到的5 712 MHz的本振信号将RF端信号下变频至约59.5 MHz中频，结合中频段可调衰减器、放大器和滤波器完成最后的信号滤波和幅值调节，使其匹配ADC的最佳输入量程。其中，各级放大器增益的选择是在满足系统所需宽动态范围的需求下，使系统噪声系数最小的原则上进行分配。

图1 RF前端放大器开关切换型方案设计框图Fig.1 Design diagram of RF front-end with amplifier switching type

为减小用于下变频的本振信号的相位噪声和幅度抖动的恶化，在本振信号处理模块中直接采用参考时钟的两倍频作为下变频的本振信号，以最大程度降低分频、倍频及混频等一般通过模拟信号合成产生与束流同步的本振信号的方式对信号幅相稳定性的影响。此外，还产生1路可供后续数据采集设备进行锁相采样的外部参考时钟。

对比该方案与在最前端直接添加可调衰减器扩展系统动态范围的传统方案，结合式(2)的弗里斯公式，仿真计算了在不同动态范围下RF前端位置腔通道的噪声系数，如图2所示；结合式(1)和探头以及后续信号处理电子学的特征参数，即探头衰减时间常数τ设计为200 ns，探头端热噪声幅度NRF约13 mV，ADC采样率为952 MHz，对应的ADC模块等效噪声NADC约0.25 mV，代入后计算了在不同系统动态范围下位置腔通道的相对幅度提取不确定度，如图3所示。在设计指标条件(100 pC电荷量、100 μm束流偏移)下，RF前端位置腔通道的噪声系数设计值约为4.6 dB，对应的相对幅度提取不确定度可好于0.03%。

图2 放大器开关切换型和可调衰减前置的RF前端方案在不同动态范围下的噪声系数对比Fig.2 Comparison of NF under different dynamic ranges of RF front-end scheme with amplifier switching type and adjustable attenuation

而用作归一化束团电荷量的参考腔通道，探头耦合出的TM010模式信号信噪比较高，同样仿真计算了在不同束团电荷量下的相对幅度提取不确定度，如图4所示，在不同束团电荷量下，相对幅度提取不确定度好于0.02%，满足设计指标需求。

图3 RF前端位置腔通道在不同动态范围下的相对幅度提取不确定性Fig.3 Relative amplitude extraction uncertainty of RF front-end position cavity channel under different dynamic ranges

图4 参考腔通道在不同束团电荷量下的相对幅度提取不确定度Fig.4 Relative amplitude extraction uncertainty of RF front-end reference cavity channel under different bunch charges

结合图3、4的计算结果，并对应不同系统动态范围下的位置转换因子(100 μm的动态范围对应的位置转换因子理论值为100 μm)，可理论计算系统在不同动态范围下的位置分辨率，如图5所示。

由上述仿真计算结果可知，放大器开关切换型方案随系统动态范围的增大，系统位置灵敏度虽降低(位置标定系数K增大)，但系统噪声系数的增长小于探头端射频信号信噪比的增加，从而整体上仍保证较好的位置分辨率，达到预期设计目标，满足设计指标需求。

图5 放大器开关切换型和可调衰减前置的RF前端方案在不同动态范围下的位置分辨率Fig.5 Comparison of position resolution under different dynamic ranges of RF front-end scheme with amplifier switching type and adjustable attenuation

2.2 样机研制加工

图6 RF前端各主功能模块空间布局Fig.6 Layout of main functional modules of RF front-end

基于上述的理论分析和方案设计，选取相应参数的元件芯片，进行设备的研制加工。样机加工中增添了一路位置腔通道便于后续进行位置分辨率评估，为降低各射频通道间的串扰，在工艺上对各射频通道及本振模块采用了物理隔离并使用单独的金属密闭模块，以减弱信号的串扰及空间耦合，此外，出现通道故障还可仅对单独的RF通道模块进行替换，极大降低了设备的维护成本。整个RF前端机箱内部主功能模块空间布局如图6所示，隔成几个物理区域，主要有射频区、强电区、弱电区以及以数字处理板为核心的控制区，降低各区域之间的互扰。

3 离线测试

3.1 离线全锁相采样测试平台搭建

基于设备的研制，在前期不具备束流的条件下，为评估RF前端的性能是否满足项目需求，在实验室基于罗德施瓦茨的矢量信号源(R&S SMW200A)和数字分频模块设计并搭建了一套可近似模拟束流条件下腔式探头正弦指数衰减信号的离线全锁相采样测试平台，其原理框图如图7所示。

图7 离线全锁相采样测试平台原理框图Fig.7 Diagram of offline full phase-locked sampling test bench

通过矢量信号源的ch1端口生成与研制的腔式BPM探头相同谐振频率的载波并结合标准函数生成一正弦指数衰减的调制波来模拟腔式BPM探头的输出信号；矢量信号源的ch2端口生成一与ch1端口同步的2 856 MHz时钟参考信号作为本振模块的输入；同时矢量信号源固有的10 MHz参考时钟通过数字分频模块分频并整形为10 Hz的方波信号，一是作为矢量信号源的全局触发，使载波和调制波能锁相，另一方面是作为ADC的外部触发，从而实现全锁相采样的目的。

3.2 相对幅度提取不确定度评估

完成图7所示测试平台的搭建后，调节矢量信号源端口输出功率为腔式BPM探头在100 pC束团电荷量、100 μm束团偏移下的理论计算功率，结合QT7135的数据采集板卡并采用功分器一分二进行数据关联分析的方式评估RF前端位置腔通道的相对幅度提取不确定度，性能评估结果如图8所示，位置腔通道的相对幅度提取不确定度约为0.025%，结合100 μm的系统动态范围(即K为0.1 mm)并考虑到作电荷量归一化的参考腔通道所引入的测量误差约0.01%，综合换算成位置分辨率约为30 nm，与理论计算值相符，优于设计指标要求。

图8 位置腔通道相对幅度提取不确定度Fig.8 Relative amplitude uncertainty of position cavity channel

3.3 通道间隔离度评估

为评估RF前端各通道间的隔离度，仍采用上述离线测试平台，将模拟腔式探头的信号分别馈入到RF前端的各通道中，IF输出信号均接到数据采集板卡的4个通道中，评估在中频59.5 MHz频点处各通道的幅度比从而换算出通道间的隔离度。通道间隔离度测试汇总结果列于表1。

表1 RF前端通道间隔离度汇总表Table 1 Summary of isolation between RF front-end channels

由测试结果可知，RF前端通道间的隔离度均好于60 dB，达到预期指标需求。

4 束流测试及性能评估

基于RF前端的设计、研制加工及离线性能评估，在SXFEL用户装置的主加速段末端搭建了束流测试平台，并完成了基于束流的在线性能评估。

束流测试平台示意图如图9所示，在主加速器段末端安装了衰减时间常数为200 ns的腔式BPM探头[12]，探头底部安装有二维可移动平台进行位置转换因子标定，评估方法是将探头输出端口进行功分从而构造2个完全等价的信号分别输入到RF前端的两个位置腔和参考腔通道，并由位于隧道外的QT7135板卡[13]接收下变频后的低IF信号，最后通过数据关联分析的方法评估RF前端及电子学性能。

图9 束流测试平台示意图Fig.9 Diagram of beam test bench

当束流通过腔体时，由位置腔耦合输出并功分输入到两个RF前端通道后得到的IF信号幅度分别为U1和U2，参考腔通道得到的信号幅度为U3，因此可通过测量得到的归一化的U1/U3和U2/U3结合K来计算位置分辨率：

(3)

调节SXFEL的驱动激光使束团电荷量接近100 pC，通过调节二维移动平台找到电中心后，将探头偏心至100 μm处，并调节RF前端增益参数使信号幅值接近ADC的满量程从而确定系统的动态范围。以40 μm为步进移动二维移动平台从100 μm至-80 μm，模拟束流相对腔体电中心的偏移量，得到K，如图10所示。结合K，在束团电荷量为100 pC，系统测量动态范围约为±100 μm的工作条件下，探头端口一分二进行关联分析的残差分布如图11所示，束流横向位置测量分辨率达到70.5 nm，优于系统设计指标需求。

为评估RF前端方案在大动态测量范围下是否与理论计算相符，仍能保证系统具有较高的位置测量分辨率的特点。因此，在束流实验中调节前端增益系数，将系统动态范围调节到约±800 μm，位置转换因子及数据关联分析的残差分布分别如图12、13所示，束流横向位置测量分辨率达到117 nm。

图12 系统动态范围为±800 μm时的位置转换因子标定Fig.12 Calibration result of position conversion factor with system dynamic range of ±800 μm

图13 系统动态范围为±800 μm时的残差分布Fig.13 Residual distribution with system dynamic range of ±800 μm

对比于图5所示的理论仿真计算结果，在100 pC束团电荷量下，动态范围分别为±100 μm和±800 μm时，仿真计算位置分辨率分别约为35 nm和85 nm，而束流实验结果略差的主要原因是在实验中将探头输出端口信号功分致使原始射频信号信噪比降低。因此，束流实验结果和理论计算值吻合较好，验证了理论分析的正确性和RF前端结构设计方案的优越性。

5 小结

本文结合SHINE工程对高分辨率腔式BPM系统的要求，以信号相对幅度提取不确定度与系统各子系统主要参数之间的定量关系为基础，分析了系统对射频信号调理前端的指标分配，据此完成了一款高性能的RF前端的方案结构设计和研制加工，并搭建了一套可模拟束流条件的离线全锁相采样测试平台。此外，束流实验测试结果表明，在束团电荷量为100 pC、系统动态范围分别控制在±100 μm和±800 μm时，采用腔式探头射频信号一分二对RF前端性能进行评估的方法，位置分辨率分别可达71 nm和117 nm，与理论计算值相吻合，性能优于设计指标需求，验证了分析方法的正确性和RF前端结构设计的优越性。