任小紅, 閆樹斌, 劉俊, 秦麗, 熊繼軍

(中北大學(xué) 電子測試國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030051)

0 引言

CPT原子鐘由于其特殊的機(jī)理而具有體積小、功耗低、啟動(dòng)快等優(yōu)點(diǎn),被廣泛的應(yīng)用于通信、導(dǎo)航、衛(wèi)星以及電力等相關(guān)領(lǐng)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(diǎn),CPT原子鐘微波信號源的設(shè)計(jì)也要滿足體積小、功耗低的特點(diǎn)。由于鎖相環(huán)(PLL,Phase Lock Loop)倍頻技術(shù)在相噪和雜散指標(biāo)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)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(yīng)用于CPT原子鐘的設(shè)計(jì)。

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(yīng)用,而鎖相環(huán)是現(xiàn)代電子系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛的一個(gè)基本部件,是一種自動(dòng)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(gè)振蕩信號(有時(shí)也稱本地振蕩),這個(gè)信號的頻率受控制電壓的作用,當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí),振蕩信號的輸出頻率與輸入信號的頻率完全相等,兩個(gè)信號的相位差保持恒定,實(shí)現(xiàn)了無頻率誤差的信號跟蹤。最初用于電視接收機(jī)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(jì) 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(yīng)用而生,因此其應(yīng)用范圍越來越廣,在雷達(dá)、制導(dǎo)、導(dǎo)航、遙控、遙測、通信、儀器、測量、計(jì)算機(jī)乃至一般工業(yè)都有不同程度應(yīng)用[2]。隨著數(shù)字通信系統(tǒng)的發(fā)展,鎖相環(huán)應(yīng)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(kuò)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(shí)質(zhì)也是一個(gè)相位差自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)輸入信號相位同步的自動(dòng)控制系統(tǒng),更精確的說就是一個(gè)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(gè)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(jìn)行比較,產(chǎn)生對應(yīng)于兩個(gè)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(jìn)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?jǐn)?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(gè)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(zhǔn)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(chǔ)上通過調(diào)節(jié)輸入鑒頻器的基準(zhǔn)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(shí)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(shè)計(jì)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(bǔ)償晶體振蕩器(VCT CXO)作為

基準(zhǔn)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(zhǔn)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(shè)計(jì)嚴(yán)格按照微波電路設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì),測試中采用安捷倫公司的E 5052B頻譜分析儀對輸出信號進(jìn)行測試。最終設(shè)計(jì)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(bǔ)償晶體振蕩器的壓控端電壓可以實(shí)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(shí)為 -65 dBC/Hz,10 kHz時(shí)為 -88 d BC/Hz,100 kHz時(shí)為 -119 dBC/Hz,1 MHz時(shí)為 -140 dBC/Hz,以上的測試結(jié)果顯示所設(shè)計(jì)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(yàn)表明,采用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)為微型CPT原子鐘的研制奠定了基礎(chǔ),也使微型CPT原子鐘的研究向前推進(jìn)了一大步。創(chuàng)新點(diǎn)是在國內(nèi)首次采用鎖相倍頻技術(shù)設(shè)計(jì)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(yuǎn)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(jìn)的無線電通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù),2009,42(10)：16-18.

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