姚明昊， 段俊毅， 王學(xué)影， 韓琪娜， 施 楊，周琨荔， 茹 寧， 劉小赤， 屈繼峰

(1.中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.中國計量科學(xué)研究院 前沿計量科學(xué)研究中心,北京 102200)

1 引 言

針對進一步提升CPT原子鐘的性能，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種研究方案。在短期頻率穩(wěn)定度方面，包括采用新型光抽運構(gòu)型、優(yōu)化探測噪聲等手段，目前高性能的CPT原子鐘短期頻率穩(wěn)定度已進入10-13量級[10～14]。同時，針對中長期性能，采用更緊湊的物理系統(tǒng)和更穩(wěn)定的溫度控制、或者利用激光冷卻原子[15,16]替代熱原子氣室，都可以進一步優(yōu)化CPT原子鐘的中長期頻率穩(wěn)定度。

微波原子鐘的頻率穩(wěn)定度由以下幾個因素限制：散彈噪聲極限，依賴于原子躍遷信號信噪比；交互調(diào)制噪聲極限，依賴于微波鏈噪聲；物理環(huán)境效應(yīng)引入的漂移，光、微波功率、溫度漂移等。

包括CPT原子鐘在內(nèi)的微波原子鐘采用的本地振蕩器為一個微波源/微波綜合器。對于CPT原子鐘來說，盡管微波場并沒有和原子直接作用，但源自微波綜合器的相位噪聲仍是限制其短期、中長期穩(wěn)定度的重要因素之一。

微波源系統(tǒng)的核心器件為晶體振蕩器，種類包括普通晶振(PXO)、恒溫晶振(OCXO)、溫度補償晶振(TCXO)、壓控晶振(VCXO)、藍寶石晶振等，晶振的快速發(fā)展為原子鐘的指標(biāo)提升打下了基礎(chǔ)。其中，壓控晶振短期頻率穩(wěn)定度可達5×10-6，溫度補償晶振短期頻率穩(wěn)定度可達5×10-8，恒溫晶振短期頻率穩(wěn)定度可達3×10-13，藍寶石晶振短期頻率穩(wěn)定度[17～19]可達10-15，但由于低溫藍寶石晶振需要低溫環(huán)境，系統(tǒng)較為復(fù)雜和對環(huán)境要求苛刻，不適于小型化和量產(chǎn)，通常會選擇使用恒溫晶振作為微波源的本振。

目前，針對微波原子鐘的小型化微波源研究，其合成微波的路線思路為將10 MHz或100 MHz微波信號使用不同倍頻手段倍頻至目標(biāo)頻率附近，同時使用本振產(chǎn)生一個小信號進行混頻得到目標(biāo)頻率。將本振進行多次倍頻的方式有NLTL(非線性傳輸線)、PLL(鎖相環(huán))、DRO(介質(zhì)振蕩器)等[20～25]。

微波信號的相位噪聲由于Dick效應(yīng)[23～25]限制了CPT原子鐘的頻率穩(wěn)定度。原子鐘頻率穩(wěn)定度限制和微波綜合器的相位噪聲關(guān)系如式(1)所示：

(1)

式中：C表示不同調(diào)制頻率下的系數(shù)；Sφ(2nfm)表示本振信號在2nfm處的功率譜密度。當(dāng)微波源作用在連續(xù)微波場的原子鐘上時，fm為原子鐘鎖定的調(diào)制頻率，一般為100 Hz，故需要關(guān)注的微波綜合器相位噪聲的偏置頻率為200 Hz;當(dāng)微波源作用于脈沖式的微波源時，fm為一個原子鐘反饋周期。

根據(jù)表4各區(qū)縣的風(fēng)險值及表5的雷電災(zāi)害綜合風(fēng)險值R評判標(biāo)準(zhǔn)，可得到長沙地區(qū)雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃結(jié)果，如表6所示，結(jié)果表明長沙縣、寧鄉(xiāng)縣為雷擊災(zāi)害極高易損區(qū)，望城區(qū)為高易損區(qū)，天心區(qū)、岳麓區(qū)、瀏陽市為中易損區(qū)，芙蓉區(qū)、開福區(qū)、雨花區(qū)為低易損區(qū)。

在本研究中設(shè)計并構(gòu)建了小型化超低相位噪聲微波綜合器系統(tǒng)，根據(jù)相位噪聲測量結(jié)構(gòu)與理論計算，可以完全滿足高性能CPT原子鐘的性能要求。

2 微波綜合器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

CPT的原理是相干光場提供一個原子由基態(tài)1能級躍遷到激發(fā)態(tài)3能級的光，另一束光可提供原子由基態(tài)2能級躍遷到激發(fā)態(tài)3能級的光。當(dāng)基態(tài)1能級和基態(tài)2能級上的原子同時受到激發(fā)躍遷到激發(fā)態(tài)3能級的光時，原子將被囚禁在暗態(tài)，CPT透射信號即可被捕捉到。對銣87原子來說，基態(tài)1、2能級之間的頻率差為6.834 GHz，原子躍遷如圖1所示，故需要一個能輸出6.834 GHz微波信號的微波源用來調(diào)制激光光源，實現(xiàn)相干雙色光場的輸出。

圖1 CPT原理圖Fig.1 CPT scheme

在本設(shè)計中，將鎖相介質(zhì)諧振振蕩器(PDRO)和直接數(shù)字合成(DDS)相結(jié)合，生成了高純度、低相噪的微波信號譜。相較于文獻[26],本設(shè)計在頻率合成過程中采用了更少的器件。微波合成器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 微波頻率綜合器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Architecture of microwave synthesizer

整體系統(tǒng)采用輸出信號頻率為100 MHz的恒溫晶振(ZF550)最終生成6.834 GHz的微波信號。恒溫晶振的輸出信號經(jīng)過分頻器(STMFP4-1-120)分為兩路，一路輸入DDS(AD9912)作為參考，DDS產(chǎn)生66 MHz微波信號;另一路經(jīng)過衰減器后進入PDRO(PDRO-006F-100-6900-13G)，此時信號功率為8 dBm。PDRO經(jīng)過鎖頻鑒相倍頻至6.9 GHz，與DDS產(chǎn)生的66 MHz信號進行混頻，產(chǎn)生6.834 GHz的信號，經(jīng)過腔體帶通濾波器后經(jīng)過放大器，最終得到干凈的6.834 GHz信號，由于DDS產(chǎn)生的66 MHz信號功率可調(diào)節(jié)，故此時信號功率為-16～-6 dBm。由于實際實驗中使用EOM對激光進行調(diào)制故，要求微波信號的功率需達到20 dBm以上，故在最終信號輸出前加入功率放大器將微波信號放大35 dBm，此時信號功率可達25 dBm。

在元器件放置底板有設(shè)置控溫功能，具體實施方式為使用TEC制冷片將元器件產(chǎn)生的熱量傳遞到機箱外，采用熱敏電阻作為溫度傳感器，采集到的溫度轉(zhuǎn)換為電壓經(jīng)單片機進行PID計算，計算結(jié)果作為D/A的輸出值，控制TEC制冷片的輸出功率，達到使機箱保持恒溫狀態(tài)。

在晶振的選擇上，嘗試了2種不同晶振，型號為ZF550-5和OCXO-100-L，其相位噪聲如圖3所示。1～300 Hz范圍內(nèi)，ZF550-5性能表現(xiàn)更好，在1000 Hz時，兩種晶振的相位噪聲相差僅有 2 dBc/Hz。1 kHz之后兩種晶振的相位噪聲均可達到-160 dBc/Hz以下，其差距大概為10 dBc/Hz。原子鐘的短期頻率穩(wěn)定度水平由LO限制，調(diào)制頻率一般在100 Hz以內(nèi)，kHz量級之后的相位噪聲對原子鐘性能不構(gòu)成影響，并不會影響微波源最后輸出信號的相位噪聲，故在本系統(tǒng)的設(shè)計中選用頻偏在200 Hz以內(nèi)相噪表現(xiàn)更好的ZF550-5作為本振。

圖3 兩種晶振相位噪聲對比圖Fig.3 Phase noises of two different quartz oscillators

DDS芯片選用ADI公司AD9912[27]，該芯片內(nèi)部主要組成部分為DDS核、14 bit的DAC，基于鎖相原理的時鐘倍頻電路、調(diào)制參數(shù)寄存器、串行/并行寄存器、時序控制單元和產(chǎn)生器。其中，鎖相倍頻電路最多可以為輸入?yún)⒖紩r鐘提供66倍頻，DDS輸出頻率最高達400 MHz，輸出頻率步進不小于 4 μHz，低功耗，工作電壓為1.8 V、I/O電荷泵電壓為3.3 V，工作溫度范圍在-40 ℃至+85 ℃?？梢允褂梅抡孳浖浜蠑?shù)據(jù)板卡或單片機使用SPI通信協(xié)議進行編程，實現(xiàn)對輸出信號的編輯，完全滿足產(chǎn)生66 MHz微波信號及后續(xù)設(shè)計實驗的FM、PM需要。

DDS的參考頻率可以使用不同頻率做參考，對比了兩種生成66 MHz微波信號的方案。內(nèi)部倍頻路線是指由晶振產(chǎn)生的100 MHz信號直接輸入DDS芯片作為頻率基準(zhǔn)，DDS芯片內(nèi)部進行數(shù)字倍頻后生成1 GHz的基準(zhǔn)頻率然后生成目標(biāo)頻率 66 MHz。外部倍頻方案是指由晶振產(chǎn)生的100 MHz信號在進入DDS芯片之前經(jīng)過頻率倍頻器倍頻至500 MHz，將此信號作為基準(zhǔn)信號輸入DDS芯片，然后產(chǎn)生66 MHz目標(biāo)頻率。兩種方案下產(chǎn)生的 66 MHz 信號的相位噪聲以及各自最終生成的6.834 GHz微波信號的相位噪聲如圖4所示：2種方式產(chǎn)生的66 MHz信號相位噪聲(黑色和紅色)，2種方式產(chǎn)生的6.834 GHz信號相位噪聲(藍色和綠色)，8257D產(chǎn)生的6.834 GHz信號的相位噪聲(紫色)，由晶振推算的6.834 GHz信號的理論相位噪聲(棕色)。

圖4 不同頻率信號的相位噪聲Fig.4 Phase noises of various signals

從圖4中可知，在1～100 Hz偏移范圍內(nèi)，兩種方式雖然在66 MHz微波信號相位噪聲上產(chǎn)生很大差異但并未影響最終輸出信號的相位噪聲，在2 kHz后幾乎無偏差。在200 Hz～100 kHz范圍內(nèi)的6.834 GHz的相位噪聲的差別是由DDS參考頻率的不同帶來的影響。兩種DDS合成微波信號方式在和商用儀器8257D(Keysight)進行6.834 GHz相位噪聲進行對比，在100～1 000 Hz范圍內(nèi)，兩種方式在350 Hz內(nèi)都比8257D的相位噪聲更低。在大于350 Hz的范圍，由于外部倍頻方式比內(nèi)部倍頻方式相位噪聲更好，所以最終的輸出信號上會有更多的內(nèi)部倍頻方式合成的66 MHz信號的相位噪聲影響。故若想要實現(xiàn)較大調(diào)制頻率的相位噪聲比較低，則需要使用外部倍頻產(chǎn)生DDS參考頻率的合成路線。無論哪種方式合成66 MHz信號均會在偏移200 Hz后逐漸與理論值偏離，這是由于PDRO和DDS的本底噪聲共同決定的。

由于實驗中調(diào)制頻率為100 Hz，故在 200 Hz 處相位噪聲與理論值相近，假設(shè)希望得到原子鐘頻率穩(wěn)定度限制在10-13水平，由Dick效應(yīng)公式推算出理論上6.834 GHz信號在200 Hz處的相位噪聲至少要達到-106 dBc/Hz。故本設(shè)計選擇使用DDS內(nèi)部倍頻方案作為基準(zhǔn)生成66 MHz微波信號即符合設(shè)計需求，節(jié)省了合成路線、功耗及物理體積。

圖5展示的是DDS在不同輸出功率下的最終合成輸出的6.834 GHz信號的相位噪聲，由圖中數(shù)據(jù)可知，在所關(guān)注的200 Hz頻點上DDS輸出功率的變化并未影響最終輸出信號的相位噪聲，只是會相應(yīng)增大或減小最終6.834 GHz微波信號的輸出功率。在大于200 Hz頻偏時，DDS輸出功率大會有相位噪聲變差的情況出現(xiàn)但考慮到最后6.834 GHz信號需要放大至20 dBm以上，故選擇6.834 GHz輸出功率為-10.5 dBm，此時DDS輸出功率為0 dBm。

圖5 不同功率DDS信號下6.834 GHz信號的相位噪聲Fig.5 Phase noises of 6.834 GHz signal with different DDS signal powers

3 微波頻率綜合器性能測試

頻率綜合器的輸出頻譜如圖6所示。通過頻譜測量結(jié)果可得，頻率綜合器的輸出信號為6.834 GHz，滿足Rb原子CPT鐘的要求，輸出功率為25 dBm(圖示結(jié)果為信號用40 dB衰減器衰減后效果)，且無明顯雜散頻率。

圖6 輸出的6.834 GHz信號頻譜圖Fig.6 Spectrum of the output 6.834 GHz signal

圖7 頻率綜合器各節(jié)點的相位噪聲圖Fig.7 Phase noise of each key component output in the frequency synthesizer

圖7為低相位噪聲微波頻率綜合器的關(guān)鍵信號絕對相位噪聲性能，包括6.834 GHz信號的理論相位噪聲。頻率綜合器輸出6.834 GHz相位噪聲和PDRO輸出的偏移頻率相似，范圍為1 Hz～100 kHz。在200 Hz(時鐘調(diào)制頻率的二次諧波)處，微波信號的實測相位噪聲值與理論相位噪聲值相差3 dBc/Hz。然而，由于PDRO的本底相位噪聲限制，6.834 GHz 信號的實測相位噪聲在100 Hz量級開始較理論值有所惡化。在1 kHz后DDS相位噪聲逐漸決定了輸出信號相位噪聲的惡化趨勢，造成了輸出信號比PDRO信號還要惡化5～8 dBc/Hz的現(xiàn)象。此外，鎖相環(huán)的鎖定帶寬約為300 kHz。因此，在300 kHz時的微波合成器的相位噪聲不能被完全抑制，也不能被DDS的相位噪聲所降低。根據(jù)式(1)，使用本微波源的CPT原子鐘的短期頻率穩(wěn)定度理論值能達到8.2×10-14。當(dāng)需要微波源提供大功率微波輸出時僅需選擇合適放大倍數(shù)的功率放大器即可，本實驗系統(tǒng)為配合EOM使用，故在系統(tǒng)中選用了放大倍數(shù)為35 dB的功率放大器。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)與已知系統(tǒng)[28]相比，使用了更少的組件，達到了相似的性能。

如前文提到，本研究構(gòu)建的微波綜合器是作為高性能CPT原子鐘的本地振蕩器和雙色光場調(diào)制源。采用通過單色激光加電光調(diào)制器(EOM)的方案產(chǎn)生所需CPT雙色光場，實驗結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 CPT信號實驗結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Architecture of CPT resonance signal system

光源為通過飽和吸收穩(wěn)頻技術(shù)鎖定的780 nm半導(dǎo)體激光器，光場通過整形準(zhǔn)直后進去光纖型EOM。EOM通過本文研制微波綜合器產(chǎn)生的 6.834 GHz 信號驅(qū)動。為驗證產(chǎn)生的雙色光場是否符合CPT原子鐘要求，使用法珀腔對EOM產(chǎn)生的光場進行測量。使用PBS以及λ/2波片分出一路光導(dǎo)入法珀腔，法珀腔的探測結(jié)果表明激光經(jīng)EOM調(diào)制后產(chǎn)生了雙色光場,由法珀腔的工作原理可知0、+1邊帶相距6.834 GHz。改變微波信號的功率即可改變雙色光場的0、+1邊帶強度，當(dāng)0、+1邊帶的強度近乎相等時，理論上將取得最好的CPT效果。圖9為微波源輸出信號功率為20 dBm時，0、±1 級光邊帶信號幅度比值為1。該結(jié)果驗證了研制的微波綜合器可以作為CPT雙色光場的調(diào)制源。

圖9 法珀腔探測光邊帶結(jié)果圖Fig.9 Optical signal sidebands detected with the Fabry-Pérot cavity

4 結(jié) 論

研制了一種可應(yīng)用于高性能CPT原子鐘的小型化超低相位噪聲頻率綜合器。實驗結(jié)果表明，所研制的微波頻率綜合器產(chǎn)生的6.834 GHz微波信號在200 Hz偏置頻率下的絕對相位噪聲為-108 dBc/Hz。相較于文獻[29],使用了更少的元器件達到了相同kHz量級的相位噪聲表現(xiàn)。通過理論計算，可得出由微波源相位噪聲引起的頻率穩(wěn)定度限制可達8.2×10-14，滿足后續(xù)高性能CPT原子鐘研制的要求。未來將基于此相噪水平探索輸出功率穩(wěn)定的功能并應(yīng)用于CPT原子鐘。所提出的高性能頻率綜合器也可用于微波原子傳感器和標(biāo)準(zhǔn)，如原子磁強計、原子干涉儀和原子陀螺儀。