Rb87 微型 CPT原子钟信号源的设计

2010-09-13任小红闫树斌刘俊秦丽熊继军

通信技术 2010年11期

任小红, 闫树斌, 刘俊, 秦丽, 熊继军

(中北大学电子测试国防重点实验室仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原 030051)

0 引言

CPT原子钟由于其特殊的机理而具有体积小、功耗低、启动快等优点,被广泛的应用于通信、导航、卫星以及电力等相关领域,因此近年来受到了各国的高度重视,并且相继有产品问世。为了满足 CPT原子钟体积小、功耗低的特点,CPT原子钟微波信号源的设计也要满足体积小、功耗低的特点。由于锁相环(PLL,Phase Lock Loop)倍频技术在相噪和杂散指标上有较高的性能,可以满足 CPT原子钟目前的发展需求。因此,对于CPT原子钟微波信号源来讲多采用锁相环倍频技术方案。Symmetricom和 Kernco是世界上现阶段仅有的把CPT原子钟商品化的厂家,他们的微波信号源均采用了PLL方案[1]。为了进一步降低功耗、减小体积,国外许多单位,包括安捷伦、Avago、美国国家标准技术研究院和Symmetricom等目前都在探索新的微波信号源方案。

现采用锁相环倍频技术设计了一种中心频率为3.417 340 GHz,变化范围为 6k Hz的微波信号源,该信号源可以应用于CPT原子钟的设计。

1 锁相环倍频技术的基本原理

锁相环倍频技术是基于锁相环技术的一种应用,而锁相环是现代电子系统中应用广泛的一个基本部件,是一种自动相位控制(APC)系统,它的基本作用是在环路中产生一个振荡信号(有时也称本地振荡),这个信号的频率受控制电压的作用,当环路锁定时,振荡信号的输出频率与输入信号的频率完全相等,两个信号的相位差保持恒定,实现了无频率误差的信号跟踪。最初用于电视接收机的同步系统,使电视图像的同步性能得到了很大的改善。20世纪 50年代后期随着空间技术的发展,锁相技术用于接收来自空间的微弱信号,显示了很大的优越性,它能把深埋在噪声中的信号(信噪比约-10～-30 dB)提取出来,因此锁相技术得到了迅猛的发展。60年代中、后期,随着微电子技术的发展,集成锁相环路也应用而生,因此其应用范围越来越广,在雷达、制导、导航、遥控、遥测、通信、仪器、测量、计算机乃至一般工业都有不同程度应用[2]。随着数字通信系统的发展,锁相环应用愈广,例如为相干解调提取参考载波、建立位同步等。具有门限扩展能力的调频信号锁相鉴频器也是在 60年代初发展起来的[3]。

锁相环路实质也是一个相位差自动调节系统,能够实现两个输入信号相位同步的自动控制系统,更精确的说就是一个系统中由振荡器产生的输出信号在频率和相位上与参考信号或输入信号同步,它包括三个基本部件：压控振荡器(VCO)、鉴相器(PD)和环路滤波器(LF),原理框图如图 1所示,鉴相器是相位比较装置,它把输出信号U2(t)和参考信号U1(t)的相位进行比较,产生对应于两个信号相位差的误差电压 U3(t),环路滤波器的作用是滤除误差电压 U3(t)中的高频成分和噪声,以保证环路所要求的性能,增加系统的稳定性。压控振荡器受控制电压U4(t)的控制,使压控振荡器的频率向参考信号的频率接近,也就是使差拍频率越来越低,直到消除频率差而锁定[4]。

图 1 锁相环原理框

锁相环频率合成器是采用锁相环进行频率合成的一种频率合成器。它是目前频率合成器的主流,可分为整数频率合成器和分数频率合成器。最简单的锁相环频率合成器是单环锁相环频率合成器,在压控振荡器与鉴相器之间的锁相环反馈回路上增加分频器,就形成了一个频率合成器;通过改变分频系数 N,压控振荡器就可以产生不同频率的输出信号,其频率是参考信号频率的倍数,因此称为锁相环频率合成器。除了改变分频系数N之外还可以改变输入鉴相器的频率基准来改变压控振荡器的输出频率,现通过确定分频系数N将输出信号的频率确定在3.417 340GHz,在此基础上通过调节输入鉴频器的基准信号来微小地改变压控振荡器的输出信号频率。

锁相环频率合成器容易实现系列化、小型化、模块化和工程化,而且性能优异,因此它己逐步发展成为通信系统中最典型、用处最广泛的射频信号源设计方案。

2 微波信号源的测试

基于上述锁相环频率合成技术的原理,采用 10 MHz的压控温度补偿晶体振荡器(VCT CXO)作为

基准信号,采用MPS3417.34D-10M作为鉴相器、环路滤波器、压控振荡器及分频器的集成模块,并且为基准信号的压控端提供 0.5V-4.5V的可变电压。该微波电路板采用ROGERS公司的 4350板材作为基板,电路设计严格按照微波电路设计的要求进行设计,测试中采用安捷伦公司的E 5052B频谱分析仪对输出信号进行测试。最终设计了中心频率为3.417 340 GHz的微波信号源,通过调节压控温度补偿晶体振荡器的压控端电压可以实现微波信号源的下限频率为3.416 989 GHz,上限频率为 3.417 643 GHz,。从测试结果可以得到微波信号源的输出功率约为 2.6 d Bm,相位噪声在1 kHz时为 -65 dBC/Hz,10 kHz时为 -88 d BC/Hz,100 kHz时为 -119 dBC/Hz,1 MHz时为 -140 dBC/Hz,以上的测试结果显示所设计的微波信号源完全可以满足 Rb87微型 CPT原子钟对信号源的要求。