TEMPERATURE DEPENDENCE OF THE RF COMPONENTS FOR ERL
Dai Arakawa#1, Shinichiro Michizono, Takako Miura, Toshihiro Matsumoto,Yoshiharu Yano, Hiroaki Katagiri, Shigeki Fukuda
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
1-1 Oho Tsukuba-shi Ibaraki-ken 305-0801
Abstract
Compact ERL is under construction at KEK. The required stabilities for low-lever rf (LLRF) are 0.1%rms in amplitude
and 0.1 deg. in phase, respectively. In order to satisfy these requirements, digital feedback system using micro-TCA has
been developed. Drifts of the rf signals due to the temperature changes will be one of the biggest parts of the phase andamplitude errors. The temperature dependence of the rf cables, down converters, a clock distribution board and an IQ
modulator are measured. Since cERL building has no air-condition system (only digital LLRF system is airconditioned.), it is considered that the rf cables between cavities and digital LLRF system will cause a larger drift.
Amplitude and phase drifts of the entire LLRF system under current design are also estimated.

ERLに用いる高周波コンポーネントの温度特性
温度変化に対する影響を受けてしまう部分があり、これらの部分について性能を評価するべく現在測定
高エネルギー加速器研究機構（KEK)においては、を行なっている。
将来の放射光源として、エネルギー回収型リニアッ
進行波/反射波 ｲﾝﾀｰﾛｯｸへ
ク（ERL）の研究が行われている。ERLのR&Dとしｸﾗｲｽﾄﾛﾝ＝最大出力300kw
RFﾓﾆﾀｰ
RFﾓﾆﾀｰ
IOT＝最大出力30kw
IOT用＝200W CWてコンパクトERL（cERL)の建設が始まっている。
ｻｰｷｭﾚｰﾀｰ
ｸﾗｲｽﾄﾛﾝ用＝100W CW
RF ON/OFF
制御系
導波管
このcERLでは、ERLの実験に向けて様々な要素開ｸﾗｲｽﾄﾛﾝ
加速空洞
RFスイッチAMP又は IOT 1300MHz
方向性方向性発を行うことになっている。低電力高周波源
安全関係
結合器
結合器
1.3G
ｲﾝﾀｰﾛｯｸ信号
空洞電圧
OSC
1.3GHz（LLRF）グループではその一環として1300ＭHzのﾓﾆﾀｰ
分岐
ｱｰｸｾﾝｻｰ10MHz
導波管冷却水高周波を制御するシステムを構築しつつある。
分周
分周
IQ変調器
IQ変調器
1/32 1/128
進行波ﾊﾟﾜｰ
同軸ｹｰﾌﾞﾙ 約40m
RFRF
反射波ﾊﾟﾜｰ
ERLにおける最終的な高周波振幅、位相安定度は90°delay BPF
IFIF
BW=4MHzetc
それぞれ、0.01％、0.01度程度となっており、cERL
1310MHz
基準信号ADC
LOLO
FPGA
においても、概ね0.1％、0.1度と非常に高い安定性
ADC［1］
ﾀﾞｳﾝｺﾝﾊﾞｰﾀｰ
ﾌｨｰﾄﾞﾊﾞｯｸ信号 （10MHz）が要求されている。しかし、様々な構成要素が
図１ cERL RF概略系統図
温度変化の影響を受けるため、位相、電圧振幅が温度に依存して変化してしまう。要求仕様を満たすた
めにはLLRFのラック周辺で用いられる電子回路、３.同軸ケーブルの位相特性及び回路構成要素を測定しておき、その温度変化に６ 種 類 の 同 軸 ケ ー ブ ル 測 定 を 1300MHz付 近 で 行対する影響を評価しておくことが重要となる。
なった。恒温槽内の気温を変更してもケーブルの位
KEKB入射器クライストロンギャラリーの比較的安相が安定するまでには数時間がかかることがわかり、定した環境（室温26～28℃程度）に恒温槽と測定機
１点の計測後、恒温槽の温度を変更してから最低３材を設置し、同軸ケーブル、バンドパスフィルター時間以上放置してから次の測定を行なった。高周波(BPF)、分周器、ダウンコンバーター、IQ変調器、における低損失の同軸ケーブルは高発泡ポリエチレの測定を行なったので本学会で報告する。
ンなどを絶縁材に用いていることが多く、断熱材に巻かれた同軸状の銅線を計測している様なものであるため、中心まで温度が均一になるまで時間が長く
２.LLRFシステムの概要かかるのは仕方がないことと言えよう。測定結果を図２に示す。LLRFのラック内配線に用いられるケーcERLのLLRFシステムは図１に示す構成により制御
ブルは空調管理下で使用され、さらに長さも短いたを行なう予定である。これらの構成要素のうち、アめ、RG223Uを除き、使用温度範囲等条件を限定すれ
ンプ、クライストロン、導波管などについてはば使用可能である。広範囲の温度変化に対する評価フィードバック制御が行われるために、温度変化のとして測定した中ではFSJ1RK50B（アンドリュー社
影響はほとんど現れない。しかし、空洞からの信号製）が温度変化に対する位相変化が小さいという試をフィードバックする過程で用いられる構成要素は験結果が得られた。
______________________
40MHz

DAC

DAC

…

デジタルフィードバック基板#１

dai.arakawa@kek.jp

PFPB

PF

ﾀﾞﾐｰﾛｰﾄﾞPB

１．はじめに

-5-10５．分周器-15分周器（型番：DDIV-01／DSﾃｸﾉﾛｼﾞ-社製）については周波数分割比を1:1として周波数1300MHzでの測定を行なった。

-20-25-30-35-1.00E+01-40-45-1.10E+01-50101520253035

図２-1.20E+0140

温度〔℃〕

同軸ケーブルの温度依存性（位相）４．BPFの温度依存性
使用予定のBPF（型番：5C7-1310-6 S11／REACTEL社製：中心周波数1310MHz、帯域幅約5MHz）の振幅/温度特性について測定を行なった結果、図３に示す結果が得られた。

位 相 〔 de g 〕

5-8.5
位相
振幅-8.55-8.6-1.30E+01-8.65-1.40E+01-8.7-1.50E+01-8.75-1.60E+01-8.8-1.70E+01-8.85-1.80E+01

相 対 値 信 号 出 力 〔 dB 〕

相対値角度〔deg〕

1310MHzのBPFは複数のキャビティーが直列に配置
しかし同ケーブルの性能であっても、図１に示しされた構造になっているため、温度が上昇すると熱た空洞～ダウンコンバーター間を結ぶ40mもの長さ膨張により共振周波数が低下する傾向にあることがを信号伝送したと仮定し、季節変動を含めて35℃のわかった。
温度変化を想定すると最悪12度も位相が動いてしま
測定の結果、位相の温度係数は0.5～0.6deg/℃でうのでそのままでは使用することができない。このあり、±１℃以内程度の安定した温度環境に設置し問題解決策としては現在のところ下記の①②③が候ても、この位相特性が直接安定度に反映される回路補として挙げられており、場合によっては複数の対策を講じることにより目標を達成しなければならず、 構成にしてしまうと目標仕様に達しない。このため、現段階では図１に示した様に基準となるRF信号によ今後の大きな課題の１つとなる。
りBPF等の位相変化を補償する構成にする必要があると考えている。
ケーブル問題解決策の候補
BPFの振幅に関する温度係数はカットオフ周波数①さらに温度係数の小さなケーブルの模索の影響を受けるため、帯域内であっても周波数依存②同軸ｹｰﾌﾞﾙの温度管理の徹底［２］性を持つが、0.01～0.02〔dB/℃〕程度の振幅変化で③位相長の変化分の補正策を講じる［3］あることを確認した。
25（BPF、及び分周器の出力は、ダウンコンバー
RG223U(10m)
20ターで用いる局所発振器（LO）生成の途中段階で5B45-94-94(10m)
15用いられるため、振幅が多少変化してもダウンコン
S04272B(10m換算)
10FSJ1RK50B(10m)
バーター出力への影響は大きくはないと思われるが、
5SUCOFLEX104P(10m)
今後確認のための実証実験が必要であると考えてい
05B020-33-33(10m換算)
る。）

-8.9
10 12.5 15 17.5 20 22.5 25 27.5 30 32.5 35 37.5 40

0.00E+00-2.00E+00

図４-6.00E+00-8.00E+00

5℃
20℃
40℃

-1.00E+01-1.20E+01-1.40E+01-1.60E+01-1.80E+01

1.3060E+09
1.3065E+09
1.3070E+09
1.3075E+09
1.3081E+09
1.3086E+09
1.3091E+091.3096E+09
1.3101E+09
1.3106E+09
1.3111E+09
1.3116E+09
1.3122E+09
1.3127E+09
1.3132E+09
1.3137E+09

減 衰 率 〔dB 〕-4.00E+00

周波数〔Ｈz〕

図３

BPFの振幅/温度特性

温度〔℃〕
分周器の温度係数測定結果

図 ４ に 示 す 様 に 位 相 の 温 度 係 数 は 0.15 ～ 0.17〔deg/℃〕程度であり、実際に使用される条件では1/32の周波数でデジタルフィードバック基板にクロックを送り、又、IQ変調回路には1/128に分周した信号を送るため、分周器の温度依存性に関する影響は上記の数値よりは小さいと考えている。又、出力振幅の温度係数は0.005〔dB/℃〕前後であるが、BPFの項目ですでに述べた様に制御対象に与える影響は小さいと考えている。

６．ダウンコンバーター
7.00E+00
6.00E+00
5.00E+00
4.00E+00
3.00E+00
2.00E+00
1.00E+00
0.00E+00-1.00E+00-2.00E+00-3.00E+00-4.00E+00-5.00E+00

-1.50

-1.60
-1.65
-1.70

位相
振幅

相対値出力ﾚﾍﾞﾙ〔dB〕

-1.55

-1.75

40

32.5
35
37.5

27.5
30

22.5
25

17.5
20

10
12.5
155-1.80
7.5

位相〔deg〕

ダ ウ ン コ ン バ ー タ ー （ 型 番 ： CDX-KEK016MC ／CANDOX社製）は24チャンネルのものであり、そのうち２チャンネルについて測定を行なった。温度特性
は入力と出力の周波数が異なるため、測定は図５に示す構成にて行なった。測定結果を図６に示す。
振幅に関しては比較的綺麗な直線に乗っているのに対し、位相は誤差が増大した様に見受けられる。
誤差増大の要因は、測定のためのセットアップが複雑化した為、アンプ、BPF等の不安定な要素が室温管理下で増えたことが原因で、若干の室温等の変化により、ダウンコンバーターに送るLO信号の位相が変動したのではないかと推測される。
上記に述べた通り測定方法に改善の余地が残るが、大まかな傾向としては参考になると思われる。

温度〔℃〕

図７ IQ変調器温度特性（ケーブル特性補正後）

測定周波数 1300MHz

10MHz

5B-020-33-33IP
1.5mｹｰﾌﾞﾙ
IN IQ変調
1310MHz
QP 回路
BPF
QN
1310MHz
90度
BW=4MHz
ﾃﾞｨﾚｲ-10dB
ATT-12dB AMP
0.2m
ﾃﾞｨﾊﾞｲﾀﾞｰ
終端
ATT
RG223UHSA-Y-2-40
ﾐﾆｻｰｷｯﾄ
ZC4PD-18S 終端

SG 1300MHz
出力：+9dBm

5B-020-33-33
1.5mｹｰﾌﾞﾙ

周波数分配器(DST)
DDIV-01

10MHz

ﾈｯﾄﾜｰｸｱﾅﾗｲｻﾞｰ
N5230A(ｱｼﾞﾚﾝﾄ)LO

８．まとめIF

ﾀﾞｳﾝｺﾝﾊﾞｰﾀｰCDX-KEK-016MC
AD8343 使用
RF恒温槽

図５ダウンコンバーター測定セットアップ

位相の温度係数は（CH1）約-0.06（CH2）-0.12〔deg/℃〕程度、振幅の温度依存性は-0.013～-0.014〔dB/℃〕であった。

-9.50E+01

9.00E-01
8.00E-01

40

35

37.5

30

32.5

0.00E+00
25

1.00E-01-9.90E+01
27.5-9.85E+01
20

2.00E-01

22.5

3.00E-01-9.80E+01

15

4.00E-01-9.75E+01

17.5

5.00E-01-9.70E+01

10

6.00E-01-9.65E+01

12.5

7.00E-01-9.60E+015-9.55E+01

7.5

位相〔deg〕

1.00E+00

位相(ch1)位相(ch2)振幅(ch1)振幅(ch2)-9.45E+01

出力ﾚﾍﾞﾙ〔ｄB〕-9.40E+01

温度〔℃〕

図６

ダウンコンバーター温度特性

一連の測定結果を表１にまとめる。
今後の課題は主に下記の３点である。
①項目３.で述べたケーブル問題の解決。
②IQ変調器のIC単体、分周器のIC単体、その他の部品についても温度係数を調査して行き、温度に対する不安定要素の究明をしたいと考えている。
③ダウンコンバーターのLO入力の変化量に対する出力信号への影響確認のための実証実験を行なう
測定
位相
振幅 環境
位相 振幅 振幅
長さ
温度範囲 周波数温度係数温度係数温度差変化 変化 変化 備考〔℃〕 〔GHz〕 〔deg/℃〕 〔dB/℃〕 〔℃〕 〔m〕 〔deg〕 〔dB〕 〔%〕
同軸
25℃付近
0.1
12
0.02 -8.E-04 -0.01
ｱﾝﾄﾞﾘｭｰ
FSJ1RK-50
1.3-0.0041
ｹｰﾌﾞﾙ25～350.15
10 40
6-0.164 -1.87
1.308 -0.595 0.0107
1-0.595 0.0107 0.123
5C7-1310-6 S11 5～40 1.31 -0.491 -0.0046 1
REACTEL BPF-0.491 -0.0046 -0.05
1.312 -0.559 -0.0167 1-0.559 -0.0167 -0.19
DDIV-01
1.3 -0.154 -0.005
1-0.154 -0.005 -0.06
DST
分周器 (NS LMK01000) 10～40 1.31 -0.157 -0.0051 1-0.157 -0.0051 -0.06
1.32 -0.161 -0.0055 1-0.161 -0.0055 -0.06
ﾀﾞｳﾝCDX-KEK016MC
1.31↓ -0.058 -0.0131 1-0.058 -0.0131 -0.15 ch1
CANDOX
5～40
ｺﾝﾊﾞｰﾀｰ (AD8343ARU)
1.31↓ -0.117 -0.0139 1-0.117 -0.0139 -0.16 ch2
ツジ電子 IQ変調器(AD8346)
5～40 1.3
0.269 -0.0056 1
0.269 -0.0056 -0.06
赤色表示の数値は仕様の範囲を超えることが予想されるもの
注：ｹｰﾌﾞﾙの温度係数は１０mあたりの数値です。
製造会社 ｺﾝﾎﾟｰﾈﾝﾄ名

規格又は製品型番（使用ＩＣ名）表１ LLRFで使用する機器の温度安定度
どの構成要素１つを取っても位相で0.1度、振幅で0.1％という要求仕様を満足するには、温度管理を行ない、細心の注意を払って取り扱う必要があり、この要求仕様を満足するためには影響を最小に抑える回路構成が不可欠であると言えよう。

７．ＩQ変調器

参考文献

IQ変調器はLO信号生成のために使用され、本来10MHzのIF信号を入力して測定を行なうべきものであるが、ダウンコンバーターの測定と同様に複雑な測定セットアップが必要となり誤差が増える可能性があり、又、10MHzの入力位相の変化は1.3GHzと比較すると影響が小さいと推測されることから、今回はRF入力に-10dBm周波数1300MHzの信号を入力してＩとQの入力（IF入力）の４箇所にバイアスをかけてIFに直流をかけたのと同じ条件を作りRF入力と同じ周波数の出力を測定する手法で温度依存性の評価を行なった。

[1]

編集：羽島良一、他 コンパクトERLの設計研究
KEK Report 2007-7 JAEA-Research 2008-32[2]永井良治 et al“RF基準信号分配用ｹｰﾌﾞﾙの電気長安
定 化 ” 第 28 回 ﾘ ﾆ ｱ ｯ ｸ 技 術 研 究 会 ﾌ ﾟ ﾛ ｼ - ﾃ ﾞ ｨ ﾝ ｸ ﾞ ｽ
http://www.pasj.jp/web_publish/lam28/proceedings/TP3.pdf[3] 永井良治 et al “高周波分配ｹｰﾌﾞﾙの位相変動補償”
第3回日本加速器学会ﾌﾟﾛｼ-ﾃﾞｨﾝｸﾞｽ
[4] K.Harada et al., “cERL の 進 捗 状 況 ”, In these[5]proceedings, THPS001.
T. Miura et al., " KEKにおけるcERLの高周波源", In these proceedings, THPS049