任小紅, 閆樹斌, 劉俊, 秦麗, 熊繼軍

(中北大學 電子測試國防重點實驗室儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室,山西 太原 030051)

0 引言

CPT原子鐘由于其特殊的機理而具有體積小、功耗低、啟動快等優(yōu)點,被廣泛的應用于通信、導航、衛(wèi)星以及電力等相關(guān)領域,因此近年來受到了各國的高度重視,并且相繼有產(chǎn)品問世。為了滿足 CPT原子鐘體積小、功耗低的特點,CPT原子鐘微波信號源的設計也要滿足體積小、功耗低的特點。由于鎖相環(huán)(PLL,Phase Lock Loop)倍頻技術(shù)在相噪和雜散指標上有較高的性能,可以滿足 CPT原子鐘目前的發(fā)展需求。因此,對于CPT原子鐘微波信號源來講多采用鎖相環(huán)倍頻技術(shù)方案。Symmetricom和 Kernco是世界上現(xiàn)階段僅有的把CPT原子鐘商品化的廠家,他們的微波信號源均采用了PLL方案[1]。為了進一步降低功耗、減小體積,國外許多單位,包括安捷倫、Avago、美國國家標準技術(shù)研究院和Symmetricom等目前都在探索新的微波信號源方案。

現(xiàn)采用鎖相環(huán)倍頻技術(shù)設計了一種中心頻率為3.417 340 GHz,變化范圍為 6k Hz的微波信號源,該信號源可以應用于CPT原子鐘的設計。

1 鎖相環(huán)倍頻技術(shù)的基本原理

鎖相環(huán)倍頻技術(shù)是基于鎖相環(huán)技術(shù)的一種應用,而鎖相環(huán)是現(xiàn)代電子系統(tǒng)中應用廣泛的一個基本部件,是一種自動相位控制(APC)系統(tǒng),它的基本作用是在環(huán)路中產(chǎn)生一個振蕩信號(有時也稱本地振蕩),這個信號的頻率受控制電壓的作用,當環(huán)路鎖定時,振蕩信號的輸出頻率與輸入信號的頻率完全相等,兩個信號的相位差保持恒定,實現(xiàn)了無頻率誤差的信號跟蹤。最初用于電視接收機的同步系統(tǒng),使電視圖像的同步性能得到了很大的改善。20世紀 50年代后期隨著空間技術(shù)的發(fā)展,鎖相技術(shù)用于接收來自空間的微弱信號,顯示了很大的優(yōu)越性,它能把深埋在噪聲中的信號(信噪比約-10～-30 dB)提取出來,因此鎖相技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。60年代中、后期,隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,集成鎖相環(huán)路也應用而生,因此其應用范圍越來越廣,在雷達、制導、導航、遙控、遙測、通信、儀器、測量、計算機乃至一般工業(yè)都有不同程度應用[2]。隨著數(shù)字通信系統(tǒng)的發(fā)展,鎖相環(huán)應用愈廣,例如為相干解調(diào)提取參考載波、建立位同步等。具有門限擴展能力的調(diào)頻信號鎖相鑒頻器也是在 60年代初發(fā)展起來的[3]。

鎖相環(huán)路實質(zhì)也是一個相位差自動調(diào)節(jié)系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)兩個輸入信號相位同步的自動控制系統(tǒng),更精確的說就是一個系統(tǒng)中由振蕩器產(chǎn)生的輸出信號在頻率和相位上與參考信號或輸入信號同步,它包括三個基本部件：壓控振蕩器(VCO)、鑒相器(PD)和環(huán)路濾波器(LF),原理框圖如圖 1所示,鑒相器是相位比較裝置,它把輸出信號U2(t)和參考信號U1(t)的相位進行比較,產(chǎn)生對應于兩個信號相位差的誤差電壓 U3(t),環(huán)路濾波器的作用是濾除誤差電壓 U3(t)中的高頻成分和噪聲,以保證環(huán)路所要求的性能,增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。壓控振蕩器受控制電壓U4(t)的控制,使壓控振蕩器的頻率向參考信號的頻率接近,也就是使差拍頻率越來越低,直到消除頻率差而鎖定[4]。

圖 1 鎖相環(huán)原理框

鎖相環(huán)頻率合成器是采用鎖相環(huán)進行頻率合成的一種頻率合成器。它是目前頻率合成器的主流,可分為整數(shù)頻率合成器和分數(shù)頻率合成器。最簡單的鎖相環(huán)頻率合成器是單環(huán)鎖相環(huán)頻率合成器,在壓控振蕩器與鑒相器之間的鎖相環(huán)反饋回路上增加分頻器,就形成了一個頻率合成器;通過改變分頻系數(shù) N,壓控振蕩器就可以產(chǎn)生不同頻率的輸出信號,其頻率是參考信號頻率的倍數(shù),因此稱為鎖相環(huán)頻率合成器。除了改變分頻系數(shù)N之外還可以改變輸入鑒相器的頻率基準來改變壓控振蕩器的輸出頻率,現(xiàn)通過確定分頻系數(shù)N將輸出信號的頻率確定在3.417 340GHz,在此基礎上通過調(diào)節(jié)輸入鑒頻器的基準信號來微小地改變壓控振蕩器的輸出信號頻率。

鎖相環(huán)頻率合成器容易實現(xiàn)系列化、小型化、模塊化和工程化,而且性能優(yōu)異,因此它己逐步發(fā)展成為通信系統(tǒng)中最典型、用處最廣泛的射頻信號源設計方案。

2 微波信號源的測試

基于上述鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)的原理,采用 10 MHz的壓控溫度補償晶體振蕩器(VCT CXO)作為

基準信號,采用MPS3417.34D-10M作為鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器及分頻器的集成模塊,并且為基準信號的壓控端提供 0.5V-4.5V的可變電壓。該微波電路板采用ROGERS公司的 4350板材作為基板,電路設計嚴格按照微波電路設計的要求進行設計,測試中采用安捷倫公司的E 5052B頻譜分析儀對輸出信號進行測試。最終設計了中心頻率為3.417 340 GHz的微波信號源,通過調(diào)節(jié)壓控溫度補償晶體振蕩器的壓控端電壓可以實現(xiàn)微波信號源的下限頻率為3.416 989 GHz,上限頻率為 3.417 643 GHz,。從測試結(jié)果可以得到微波信號源的輸出功率約為 2.6 d Bm,相位噪聲在1 kHz時為 -65 dBC/Hz,10 kHz時為 -88 d BC/Hz,100 kHz時為 -119 dBC/Hz,1 MHz時為 -140 dBC/Hz,以上的測試結(jié)果顯示所設計的微波信號源完全可以滿足 Rb87微型 CPT原子鐘對信號源的要求。

3 結(jié)語

試驗表明,采用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)設計的微波信號源完全可以滿足Rb87微型CPT原子鐘對信號源的要求,該微波信號源的設計為微型CPT原子鐘的研制奠定了基礎,也使微型CPT原子鐘的研究向前推進了一大步。創(chuàng)新點是在國內(nèi)首次采用鎖相倍頻技術(shù)設計了能夠完全滿足 Rb87微型 CPT原子鐘的微波信號源。

[1]陳杰華,王遠超,杜潤昌,等.低功耗 CPT原子鐘微波信號源的研究[C].中國：[s.n.],2007：251-253.

[2]高吉祥,黃智偉,陳和,等.高頻電子線路[M].北京：電子工業(yè)出版社,2007.

[3]胡碧峰.一種改進的無線電通信系統(tǒng)的設計[J].通信技術(shù),2009,42(10)：16-18.

[4]茍亮,應魯曲,王歡.快速鎖定頻合器解決方案的分析與實現(xiàn)[J].通信技術(shù) 2008,41(01)：1-3,27.