包婉靜，曾慶琦，余 鈁，秦 蕾#，陳智勇

一種非連續(xù)微波探詢信號的實(shí)現(xiàn)

包婉靜1,2，曾慶琦1,2，余 鈁1*，秦 蕾1#，陳智勇1

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

鎖相環(huán)（PLL）；微波探詢信號；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)制的微波探詢信號（6 834.687 5 MHz ±M）（=2M，M表示最大頻偏；表示調(diào)制深度）用來激勵(lì)銣原子產(chǎn)生基態(tài)能級之間的躍遷，從而實(shí)現(xiàn)共振探測．該微波探詢信號通常是由10 MHz壓控晶振的信號經(jīng)過倍頻、綜合、混頻等手段得到．

伴隨著電子技術(shù)的發(fā)展，微波探詢信號產(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信號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，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，不僅信號頻譜純度高、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)，本文通過采用純PLL電路，以10 MHz信號作為輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘，直接輸出帶調(diào)制的微波探詢信號，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)帶來的噪聲，使獲得的微波信號頻譜更純凈；同時(shí)，該設(shè)計(jì)方案電路結(jié)構(gòu)更為簡單、功耗更小，為后期銣頻標(biāo)進(jìn)一步微型化提供思路．

1 微波探詢信號的方案設(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信號作為微控制單元或稱單片機(jī)（MCU）和PLL電路的參考頻率．MCU用于對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：一路輸入功率檢測電路中用以檢測微波功率的大??；另外一路通過功率控制電路后輸出帶調(diào)制的微波探詢信號．

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)將光檢測采樣設(shè)置在調(diào)制信號半周期的中間時(shí)段，避開因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 微波探詢信號的性能分析

帶調(diào)制的微波探詢信號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)在對短期、長期穩(wěn)定度的影響．

2.1 微波產(chǎn)生電路附加不穩(wěn)定度分析

因此對微波產(chǎn)生電路的輸入、輸出信號進(jìn)行相位噪聲測量，可得到微波產(chǎn)生電路的附加不穩(wěn)定度．實(shí)驗(yàn)中利用相噪測試儀Agilent N5500A對微波產(chǎn)生電路的10 MHz輸入信號進(jìn)行相噪測試，測試結(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輸出信號的時(shí)域頻率穩(wěn)定度為：

圖4 6 834 MHz輸出信號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量級的變化，即達(dá)到1E-12的長期穩(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．考慮通過對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對微波功率檢測值進(jìn)行采集并將其與設(shè)定功率值進(jìn)行對比，根據(jù)差值大小對功率控制電路進(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，測試結(jié)果如圖6所示．從圖6的測試結(jié)果可以看出經(jīng)過對微波反饋控制環(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)，每秒測得一個(gè)相對頻差值y，將測得的相對頻差值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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