包婉靜，曾慶琦，余 鈁，秦 蕾#，陳智勇

一種非連續(xù)微波探詢(xún)信號(hào)的實(shí)現(xiàn)

包婉靜1,2，曾慶琦1,2，余 鈁1*，秦 蕾1#，陳智勇1

1. 中國(guó)科學(xué)院 武漢物理與數(shù)學(xué)研究所，湖北 武漢 430071；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

鎖相環(huán)（PLL）；微波探詢(xún)信號(hào)；銣原子頻標(biāo)（RAFS）；附加不穩(wěn)定度；微波功率頻移

引 言

在傳統(tǒng)微波原子頻標(biāo)中，銣原子頻標(biāo)以體積小、功耗低、可靠性高等特點(diǎn)成為應(yīng)用最廣泛的一種頻標(biāo)．它由物理系統(tǒng)和電子線路兩部分組成，其中電子線路中產(chǎn)生帶調(diào)制的微波探詢(xún)信號(hào)（6 834.687 5 MHz ±M）（=2M，M表示最大頻偏；表示調(diào)制深度）用來(lái)激勵(lì)銣原子產(chǎn)生基態(tài)能級(jí)之間的躍遷，從而實(shí)現(xiàn)共振探測(cè)．該微波探詢(xún)信號(hào)通常是由10 MHz壓控晶振的信號(hào)經(jīng)過(guò)倍頻、綜合、混頻等手段得到．

伴隨著電子技術(shù)的發(fā)展，微波探詢(xún)信號(hào)產(chǎn)生方案有如下幾種：1、傳統(tǒng)直接模擬倍頻技術(shù)，一般采用“中頻倍頻鏈+微波階躍管倍頻”方案來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]，直接模擬倍頻技術(shù)使用的都是基礎(chǔ)模擬元器件，近端相位噪聲較好，但是輸出雜波較多，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積、功耗較大，不便于集成；2、采用“階躍倍頻+直接數(shù)字式頻率合成器（DDS）混頻”實(shí)現(xiàn)方案[2,3]，雖然DDS的頻率穩(wěn)定度較高、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，但是DDS輸出頻率中有較多的頻率雜散、輸出帶寬受限，而且采用該方案制備微波探詢(xún)信號(hào)仍然需連接射頻放大器和階躍恢復(fù)二極管，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，整個(gè)鏈路中因各級(jí)之間連接所造成的變頻損耗和插入損耗不容忽略；3、采用“鎖相環(huán)（PLL）+DDS”技術(shù)實(shí)現(xiàn)[4]，該方案具體是采用DDS產(chǎn)生低頻調(diào)制信號(hào)，并采用PLL替代階躍恢復(fù)二極管實(shí)現(xiàn)整數(shù)高次倍頻得到帶調(diào)制的微波信號(hào)，不僅信號(hào)頻譜純度高、相位噪聲低，且輸出頻率范圍寬、調(diào)節(jié)方便，但是該方案采用DDS和PLL兩個(gè)分立器件，需要單獨(dú)控制、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且會(huì)引入更多的附加噪聲．

針對(duì)現(xiàn)有方案存在的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、附加相噪大、功耗大、不便于集成的缺點(diǎn)，本文通過(guò)采用純PLL電路，以10 MHz信號(hào)作為輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘，直接輸出帶調(diào)制的微波探詢(xún)信號(hào)，省去了DDS模塊因相位截?cái)嘁氲母郊釉肼?；且采用合理的時(shí)序控制屏蔽因相位不連續(xù)帶來(lái)的噪聲，使獲得的微波信號(hào)頻譜更純凈；同時(shí)，該設(shè)計(jì)方案電路結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單、功耗更小，為后期銣頻標(biāo)進(jìn)一步微型化提供思路．

1 微波探詢(xún)信號(hào)的方案設(shè)計(jì)

1.1 電路設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的微波產(chǎn)生電路方案如圖1所示．10 MHz信號(hào)作為微控制單元或稱(chēng)單片機(jī)（MCU）和PLL電路的參考頻率．MCU用于對(duì)PLL的寄存器進(jìn)行參數(shù)、工作時(shí)序的配置以及輸出微波功率值的采集和控制．PLL的輸出分為兩路：一路輸入功率檢測(cè)電路中用以檢測(cè)微波功率的大??；另外一路通過(guò)功率控制電路后輸出帶調(diào)制的微波探詢(xún)信號(hào)．

圖1 微波產(chǎn)生電路方案

1.2 時(shí)序控制方案

圖2 時(shí)序控制流程圖

本文設(shè)計(jì)將光檢測(cè)采樣設(shè)置在調(diào)制信號(hào)半周期的中間時(shí)段，避開(kāi)因PLL頻率跳變導(dǎo)致相位不連續(xù)引入的噪聲，預(yù)留足夠的時(shí)間使PLL輸出頻率穩(wěn)定并在諧振腔內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，確保采樣準(zhǔn)確．

2 微波探詢(xún)信號(hào)的性能分析

帶調(diào)制的微波探詢(xún)信號(hào)需饋入原子鐘微波腔內(nèi)用于激發(fā)原子躍遷，其性能是影響銣原子頻標(biāo)指標(biāo)的重要因素，體現(xiàn)在對(duì)短期、長(zhǎng)期穩(wěn)定度的影響．

2.1 微波產(chǎn)生電路附加不穩(wěn)定度分析

因此對(duì)微波產(chǎn)生電路的輸入、輸出信號(hào)進(jìn)行相位噪聲測(cè)量，可得到微波產(chǎn)生電路的附加不穩(wěn)定度．實(shí)驗(yàn)中利用相噪測(cè)試儀Agilent N5500A對(duì)微波產(chǎn)生電路的10 MHz輸入信號(hào)進(jìn)行相噪測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖3所示，圖中橫坐標(biāo)Frequency offset即代表(1)式中的，data1表示相噪測(cè)試數(shù)據(jù)，data2表示利用最小二乘法擬合的曲線，可將其頻域頻率穩(wěn)定度表示如下：

將(2)式代入(1)式后計(jì)算得到微波產(chǎn)生電路10 MHz輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘的時(shí)域頻率穩(wěn)定度為：

圖4是微波產(chǎn)生電路輸出6 834 MHz頻率的相噪測(cè)試結(jié)果，擬合后的頻域頻率穩(wěn)定度表達(dá)式為：

將(4)式代入(1)式后計(jì)算得到微波產(chǎn)生電路6 834 MHz輸出信號(hào)的時(shí)域頻率穩(wěn)定度為：

圖4 6 834 MHz輸出信號(hào)相噪及其最小二乘法擬合曲線

2.2 微波功率穩(wěn)定性研究

在銣原子頻標(biāo)中，抽運(yùn)光在進(jìn)行光泵浦時(shí)會(huì)產(chǎn)生光位移，該光位移會(huì)因吸收泡內(nèi)光強(qiáng)、微波場(chǎng)強(qiáng)不均勻而沿著光束的路徑不斷變化，導(dǎo)致共振線的不均勻展寬，使共振譜線的中心頻率為所用微波功率的函數(shù)，這種效應(yīng)稱(chēng)為功率頻移[7]．功率頻移表現(xiàn)為當(dāng)輸入腔體內(nèi)的微波功率變化1 dB時(shí)，頻標(biāo)的輸出頻率會(huì)發(fā)生E-10量級(jí)的變化，即達(dá)到1E-12的長(zhǎng)期穩(wěn)定度，則要求微波功率穩(wěn)定在0.01 dB水平，所以研究并提高微波功率穩(wěn)定性將有利于改善小型銣原子頻標(biāo)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性[7]．

溫度是影響微波功率穩(wěn)定性的一個(gè)重要因素．溫度的變化會(huì)影響微波功率幅度，在微波功率頻移作用下直接引起銣鐘輸出頻率的變化．因此將微波產(chǎn)生電路置于-35~60 ℃逐漸變化的環(huán)境，待每個(gè)溫度點(diǎn)穩(wěn)定后對(duì)銣鐘輸出頻率進(jìn)行采集，記錄此時(shí)的微波功率值，結(jié)果如圖5所示．

圖5 自動(dòng)控制前頻移和微波功率隨溫度的變化

由圖5中的數(shù)據(jù)可以得到在全溫度范圍（-35~60 ℃，= 95 ℃）內(nèi)，隨著溫度的升高，微波功率從-19.91 dBm逐漸減小到-22.50 dBm，變化量1為-2.59 dBm；而相應(yīng)的銣鐘輸出相對(duì)頻率從-2.45E-10逐漸增大到2.69E-10，變化量為1為5.04E-10．計(jì)算得到微波功率溫度敏感性系數(shù)、頻移系數(shù)分別為：

因微波功率頻移體現(xiàn)的銣鐘溫度系數(shù)為：

溫度的變化使微波功率發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致銣鐘輸出頻率變化，且全溫度范圍內(nèi)銣鐘頻移達(dá)到E-10量級(jí)．考慮通過(guò)對(duì)微波功率溫度敏感性的控制，使微波功率不隨溫度發(fā)生改變，從而降低銣鐘的溫度系數(shù)．實(shí)驗(yàn)中利用MCU對(duì)微波功率檢測(cè)值進(jìn)行采集并將其與設(shè)定功率值進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)差值大小對(duì)功率控制電路進(jìn)行自動(dòng)反饋調(diào)節(jié)，從而達(dá)到微波功率穩(wěn)定的目的，測(cè)試結(jié)果如圖6所示．從圖6的測(cè)試結(jié)果可以看出經(jīng)過(guò)對(duì)微波反饋控制環(huán)路后，在全溫度范圍內(nèi)，微波功率變化量2為0.3 dBm；相應(yīng)的銣鐘頻率變化量2為5.3E-11．計(jì)算得到經(jīng)控制環(huán)路后的銣鐘頻移溫度系數(shù)為：

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，微波功率自動(dòng)控制環(huán)路可以降低其對(duì)溫度的敏感性，從而有效的改善銣鐘輸出頻率的溫度系數(shù)．另外該微波功率控制方案相較于控制溫度使微波電路輸出功率穩(wěn)幅的方案[8]，不僅降低了電路的復(fù)雜程度和功耗，也能較好、較精確的改善微波功率穩(wěn)定性．

3 整機(jī)測(cè)試結(jié)果與分析

將該微波產(chǎn)生電路替代原有的射頻鏈路與銣鐘整機(jī)系統(tǒng)結(jié)合，在=2 000 s內(nèi)，每秒測(cè)得一個(gè)相對(duì)頻差值y，將測(cè)得的相對(duì)頻差值y代入到(11)式所示的哈達(dá)瑪方差（Hadamard deviation）表達(dá)式中進(jìn)行計(jì)算．

將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行作圖得到用哈達(dá)瑪方差表示的銣鐘時(shí)域頻率穩(wěn)定度，如圖7所示．

由圖7可得采用本文設(shè)計(jì)的微波產(chǎn)生電路的銣鐘頻率穩(wěn)定度分別為1.19E-11/(1 s)、3.71E-12/(10 s)、1.18E-12/(100 s)，該測(cè)試結(jié)果滿足小型化商業(yè)銣鐘的指標(biāo)要求．

4 結(jié)果與討論

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A Scheme for Generating Discontinuous Microwave Inquiry Signal in Rubidium Atomic Frequency Standard

1,2，1,2，1*，1#，1

1. Wuhan Institute of Physics and Mathematics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

phase-locked loop (PLL),microwave inquiry signal,rubidium atomic frequency standard (RAFS),additional instability,microwave-power frequency shift

O482.53

A

10.11938/cjmr20192722

2019-03-17;

2019-04-24

中國(guó)科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃（STS計(jì)劃）區(qū)域重點(diǎn)項(xiàng)目(Y8I4011001).

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