CN107395200B - 一种用于铷频标的超低噪声频率合成和频率传递电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于铷频标的超低噪声频率合成和频率传递电路，包括第一功分器，还包括频率传递模拟锁相环电路和射频频率合成电路，频率传递模拟锁相环电包括第二信号放大器、模拟鉴相器、滤波放大器、10MHz晶振、第二功分器、SBD九次倍频器和第三信号放大器，射频频率合成电路包括90MHz低相噪晶振、调制器和第一信号放大器，本发明具有更低的相位噪声特性，可进一步降低交调效应对铷频标频率稳定度的限制。
Description
技术领域
本发明涉及铷原子频标，具体涉及一种用于铷频标的超低噪声频率合成和频率传递电路，利用此电路的超低相位噪声特性，可进一步提高铷原子频标频率稳定度指标。
背景技术
原子频标是以原子跃迁谱线为参考得到的精密时间信号输出***，广泛应用于社会生活的诸多领域，如导航定位、守时授时、精密测量、通信技术、现代武器高精度同步等。铷原子频标因其具有体积小、重量轻、功耗低等特点，成为应用最广泛的原子频标。铷原子频标可以简单分为量子***和电路***，电路***包括频率合成电路、光检测电路、同步检波器和积分滤波器。频率合成电路将10MHz晶振信号转换为受调制的6.834GHz的微波探寻信号，馈入物理***，激励原子体系发生共振跃迁，利用光检测、同步检波等技术对鉴频信号进行处理，得到控制10MHz晶振频率的纠偏信号。
频率稳定度是铷原子频标的核心指标。通常，铷频标频率稳定度由物理***信噪比和频率综合***相位噪声共同决定。频率综合***相噪水平是制约频率稳定度的重要因素。频率综合***相位噪声经物理***转化为叠加在鉴频信号上的白频率噪声，称为交调噪声。交调噪声对频率稳定度的限制可用Allan偏差表示为：
其中υ0为载波信号的频率，fM为调制频率，L(2nfM)为υ0在2nfM处相位噪声谱。
一种常见的实现方案中，铷原子频标的频率综合***由10MHz晶振、调制器、9次倍频器、阶跃恢复二极管(SRD)76次倍频器和综合器组成。一般可忽略SRD倍频器和综合器对微波探寻信号相噪的影响。传统射频频率合成方案是对10MHz晶振信号进行三角波调相(方波调频)，再利用三极管组成的差分对管电路进行两级3倍频，得到受调制的90MHz信号。该方案电路输出信号相位噪声较大，其中调制器和第一级3倍频是相噪恶化的主要部件。调制器位于10MHz晶振后级，会恶化倍频输入信号的相噪水平；第一级3倍频采用差分对管结构，若晶体管噪声系数大，会引入附加相位噪声。除此之外，该方案还有谐杂波大，调试复杂等缺点。
另一种方案是选用10MHz低相噪压控晶体振荡器，先对其进行信号放大处理，再利用肖特基二极管(SBD)三倍频器、选频放大器得到30MHz信号，采用一种由双电调变容二极管和并联谐振网络构成的可控移相器作为调制电路，对30MHz信号进行三角波调相(方波调频)，最后再经SBD三倍频和选频放大得到受调制的90MHz输出信号。该方案利用SBD低噪声特性，并采用抬高调制载波的方式，将10MHz调制改为30MHz调制，相位噪声有了明显改善。同时，该方案的输出信号频谱谐杂波特性优良，90MHz输出频谱基本只包含90MHz的各次谐波，而10MHz信号的各次谐波均很小。此时90MHz输出频谱的相位噪声不再受限于所设计的倍频、调制和放大电路环节，而是受限于10MHz低相噪压控晶振。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于铷频标的超低噪声频率合成和频率传递方案，具有低相位噪声、谐杂波抑制度高、易于调试等优点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于铷频标的超低噪声频率合成和频率传递电路，包括第一功分器，还包括频率传递模拟锁相环电路和射频频率合成电路，
频率传递模拟锁相环电包括第二信号放大器、模拟鉴相器、滤波放大器、10MHz晶振、第二功分器、SBD九次倍频器和第三信号放大器，
第二信号放大器输出端与模拟鉴相器参考输入端连接，第三信号放大器输出端与模拟鉴相器射频输入端连接，模拟鉴相器的输出端与滤波放大器输入端连接，滤波放大器的输出端与10MHz晶振的压控输入端连接，10MHz晶振的输出端与第二功分器输入端连接，第二功分器其中一路输出端与SBD九次倍频器输入端连接，第二功分器另一路输出端输出10MHz频率信号，SBD九次倍频器输出端与第三信号放大器输入端连接，
射频频率合成电路包括90MHz低相噪晶振、调制器和第一信号放大器，
90MHz低相噪晶振与第一功分器的输入端连接，第一功分器其中一路输出端与调制器的第一输入端连接，调制器的第二输入端接入136Hz三角波，调制器的输出端与第一信号放大器的输入端连接，第一功分器另一路输出端与第二信号放大器的输入端连接。
如上所述的第一信号放大器的输出端与SRD倍频器的第一输入端连接，SRD倍频器的第二输入端接入5.3125MHz信号，SRD倍频器的输出端与物理***连接，物理***依次通过前置放大器、同步检波器、积分滤波器与90MHz低相噪晶振连接。
本电路方案相对于现有技术具有如下优点：
1、微波探寻信号具有更低的相位噪声特性。本发明中射频频率合成电路使用90MHz低相噪晶振，将其锁定在物理***原子跃迁谱线上。90MHz晶振相噪低于10MHz晶振经倍频得到的90MHz相噪，通过抬高环内晶振的频率可获得更低的微波探寻信号相噪。
2、模拟锁相环频率传递特性优于数字锁相环。本发明中频率传递模拟锁相环电路使用模拟锁相环，将10MHz晶振锁在90MHz晶振上。频率传递模拟锁相环电路采用倍频和混频鉴相的方式，可实现很好的相位噪声水平，能够无损传递锁频环的频率稳定度特性。而数字锁相环只能采取分频方式，分频器会引入附加相位噪声。
3、频率传递模拟锁相环电路可靠性高。可全部使用模拟器件，可靠性高。
附图说明
图1为本发明的整体电路原理示意图。
图2为SBD九次倍频器的电路原理示意图；
图3为调制器的电路原理示意图；
图4为第一信号放大器/第二信号放大器/第三信号放大器的电路原理示意图；
图5为模拟鉴相器的电路原理示意图。
图中：1-90MHz低相噪晶振；2-调制器；3-第一信号放大器；4-SRD倍频器；5-物理***；6-前置放大器；7-同步检波器；8-积分滤波器；9-第一功分器；10-第二信号放大器；11-模拟鉴相器；12-滤波放大器；13-10MHz晶振；14-第二功分器；15-SBD九次倍频器；16-第三信号放大器；17-频率传递模拟锁相环电路；18-射频频率合成电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，一种用于铷频标的超低噪声频率合成和频率传递电路，包括射频频率合成电路18，射频频率合成电路18包括90MHz低相噪晶振1、调制器2和第一信号放大器3，
第一信号放大器3的输出端与SRD倍频器4的第一输入端连接，SRD倍频器4的第二输入端接入5.3125MHz信号，SRD倍频器4的输出端与物理***5连接，物理***5依次通过前置放大器6、同步检波器7、积分滤波器8与90MHz低相噪晶振1连接。第一信号放大器3的输出端输出本发明所需受调制的90MHz信号。
如图1所示，一种用于铷频标的超低噪声频率合成和频率传递电路，还包括频率传递模拟锁相环电路17，频率传递模拟锁相环电路17包括第二信号放大器10、模拟鉴相器11、滤波放大器12、10MHz晶振13、第二功分器14、SBD九次倍频器15和第三信号放大器16。
90MHz低相噪晶振1与第一功分器9的输入端连接，第一功分器9其中一路输出端与第二信号放大器10输入端连接，第二信号放大器10输出端与模拟鉴相器11参考输入端连接。10MHz晶振13的输出端与第二功分器9输入端连接，第二功分器9其中一路输出端与SBD九次倍频器15输入端连接，第二功分器9另一路输出端输出铷频标所需标准输出10MHz频率信号。SBD九次倍频器15输出端与第三信号放大器16输入端连接，第三信号放大器16输出端与模拟鉴相器11射频输入端连接。模拟鉴相器11将第二信号放大器10输出的参考输入信号和第三信号放大器16输出的射频输入信号进行混频比相得到相位误差信号，相位误差信号通过模拟鉴相器11的输出端(中频)传输到滤波放大器12输入端，滤波放大器12进行滤波和积分放大后得到直流电压信号，直流电压信号通过滤波放大器12输出端传输到与10MHz晶振13的压控输入端连接。10MHz晶振13输出端与第二功分器9输入端连接。
本技术方案的目的是降低铷原子频标的超低噪声频率合成和频率传递模拟锁相环的环内受调制的90MHz信号的相位噪声，并且保证输出信号优良的谐波特性。铷频标传统频率合成方案采用10MHz晶振作为本振，无法避免倍频所引入的固有相噪20log(9)。本申请中所选取的90MHz晶振在所关注的2倍调制频率处的相位噪声水平优于10MHz晶振经9次倍频后的相位噪声。本申请中，在精心考虑90MHz晶振后级连接的调制器和信号放大器的噪声特性后，在2倍调制频率处，受调制的90MHz信号相噪相对于90MHz晶振相噪没有恶化。由于调制器和信号放大器具有优良的选频功能，输出受调制90MHz信号的谐波特性优良。
如图1所示，本申请采用90MHz低相噪晶振1作为本振，经第一功分器9、调制器2和第一信号放大器9生成受调制的90MHz信号，送入SRD倍频器4进行76次倍频，第一信号放大器9生成受调制的90MHz信号与综合器产生的5.3125MHz信号进行混频得到6.834GHz微波信号，微波信号送入物理***与原子发生相互作用，输出带有调制频率信息的光检信号到前置放大器6，光检信号经前置放大器6、同步检波器7和积分滤波器8得到压控信号来压控90MHz晶振，实现铷频标闭环锁定。
90MHz低相噪晶振1经频率传递模拟锁相环电路17输出10MHz信号，具体信号传递方案如下：90MHz低相噪晶振1经第一功分器9、第二信号放大器10送入模拟鉴相器11参考输入端，10MHz晶振13经第二功分器14、SBD九次倍频器15、第三信号放大器16得到射频输入信号(90MHz信号)送入模拟鉴相器11的射频输入端，模拟鉴相器11输出误差信号经滤波放大器12得到压控信号，控制10MHz压控晶振，实现锁相环闭环锁定。
如图5所示，模拟鉴相器11采用Mini-Circuits公司的SYPD-2。SYPD-2的参考输入端与电阻R4连接，射频输入端与电阻R5连接。
滤波放大器12包括滤波单元、积分单元和输出单元，
如图5所示，滤波单元包括电感L9、电容C11、电感L10、电容C12；
如图5所示，积分单元包括运算放大器U1、电阻R6、电容C13、电阻R8、电阻R7、电容C14；
如图5所示，输出单元包括运算放大器U2、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电阻R12。
模拟鉴相器11输出端分别与电感L9和电感L10的一端连接，电感L9的另一端与电容C11的一端连接，电容C11的另一端接电气地，电感L10的另一端分别与电容C12一端和电阻R6的一端连接，电容C12的另一端接电气地。电阻R6的另一端与运算放大器U1的反相输入端、电阻R7一端和电容C14的一端连接，电阻R7另一端和电容C14的另一端与运算放大器U1的输出端连接，算放大器U1的输出端还与电阻R9的一端连接，电阻R8的一端和电容C13的一端与运算放大器U1的同相输入端连接，电阻R8的另一端和电容C13的另一端接电气地。电阻R9另一端分别与运算放大器U2的反相输入端和电阻R11的一端连接，电阻R11的另一端与运算放大器U2的输出端连接，运算放大器U2的输出端还和电阻R12的一端连接，电阻R10的一端与运算放大器U2的同相输入端连接，电阻R10的另一端接电气地，电阻R12的另一端输出直流压控电压。
如图2所示，SBD九次倍频器15包括电感L1、电感L2、电感L3、电感L4、全波桥式整流器、电容C1、电容C2和电容C3，电感L1的一端作为输入端，另一端通过电容C1接电气地并且还通过全波桥式整流器与电感L2一端连接，电感L2另一端通过电感L3接电气地，电感L2两端并联有电容C2，电感L3两端并联有电容C3。
SBD九次倍频器15输入频率5～15MHz，变频损耗25～30dB，输入功率10～15dBm，谐波抑制15～20dB。
如图3所示，调制器2包括双电调变容二级管(VD1和VD2)、电容C6和电感L5、电感L6。载波由电容C4端输入，电容C5端输出。
调制器5采用可控移相网络频率范围85MHz～95MHz，移相范围90°，***损耗1～2dB。
如图4所示，第一信号放大器3、第二信号放大器10和第三信号放大器16均为共基放大电路，共基放大电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电感L7、电感L8、三极管Q1，电阻R2一端和电感L7一端分别与电源连接，电阻R2的另一端与三极管Q1基极连接，三极管Q1基极通过电阻R3接电气地，电感L7另一端与三极管Q1集极连接，三极管Q1集极与电容C10一端连接，电容C10另一端作为输出端，电感L7的两端并联有电容C7，三极管Q1发射极与电容C9一端连接，电容C9另一端作为输入端，三极管Q1发射极与电阻R1一端连接，电阻R1另一端通过电感L8接电气地，电感L8两端并联有电容C8。
如图4所示，第一信号放大器3、第二信号放大器10和第三信号放大器16均采用共基放大电路，共基放大电路选用低噪声的双极性的三极管Q1，电阻R1、电阻R2和电阻R3为三极管Q1提供偏置，其中电感L8、电容C8作为带阻滤波器减小输入信号的损耗，电感L7、电容C7作为共基电路选频网络对有用信号进行放大，信号由电容C9端输入，电容C10端输出。
第一信号放大器3、第二信号放大器10和第三信号放大器16频率范围80MHz～110MHz，小信号功率增益>15dB，噪声系数<2dB，线性输出功率>20dBm，最大输入功率13dBm。
实施例2
根据图1可知，射频频率合成电路18依次由90MHz低相噪晶振1、调制器2和第一信号放大器3连接而成。具体参数如下。
90MHz低相噪晶振1一般选用相噪低于-130dBc/Hz@100Hz的晶振，输出功率>10dBm。
如图3所示，调制器2输入耦合的电容C4为220pF，电容C5为220pF。调谐电感L5为33nH，电感L6为33nH，调谐电容C6为56pF。
如图4所示，第一信号放大器3电路中。电阻R1为200Ω，电阻R2为12kΩ，电阻R3为15kΩ。输入耦合的电容C9为300pF，输出耦合电容C10为100pF。发射级带阻网络中的电感L8为100nH，电容C8为82pF。集电极选频网络的电感L7为100nH，电容C7为56pF。
采用上述参数的技术方案得到的90MHz功率为18dBm，二次谐波抑制为-53dB。
如图4所示，第二信号放大器10电路中。电阻R1为200Ω，电阻R2为12kΩ，电阻R3为15kΩ。输入耦合的电容C9为300pF，输出耦合电容C10为100pF。发射级带阻网络中的电感L8为100nH，电容C8为82pF。集电极选频网络的电感L7为100nH，电容C7为56pF。
如图4所示，第三信号放大器16电路中。电阻R1为200Ω，电阻R2为12kΩ，电阻R3为15kΩ。输入耦合的电容C9为300pF，输出耦合电容C10为100pF。发射级带阻网络中的电感L8为100nH，电容C8为82pF。集电极选频网络的电感L7为100nH，电容C7为56pF。
如图5所示，模拟鉴相器11采用Mini-Circuits公司的SYPD-2，参考和射频输入频率为10MHz～200MHz，最佳输入功率为7dBm，隔离度高，典型值为40dB，直流输出范围为700mV～1000mV。电阻R4为50Ω，电阻R5为50Ω。
如图5所示，滤波放大器12中。电感L9为100nH，电容C11为82pF，电感L10为560nH，电容C12为470pF，电阻R6为150kΩ，电阻R7为510kΩ，电阻R8为150kΩ，电阻R9为15kΩ，电阻R10为15kΩ，电阻R11为51kΩ，电阻R12为51kΩ，电容C13为220pF，电容C14为220pF。
其他与实施例1相同。
本发明得到的第一信号放大器3输出的90MHz信号相位噪声在偏离载波272Hz～100kHz范围内相位噪声测试结果见表1，代入公式(1)，交调噪声对稳定度的贡献为8.6×10-14/τ1/2。
表1、90MHz信号相位噪声测试结果
| @100Hz | @272Hz | @1kHz | @10kHz | @100kHz | |
| 本发明 | -136dBc/Hz | -145dBc/Hz | -155dBc/Hz | -165dBc/Hz | -167dBc/Hz |
采用该发明描述的方案制作的铷原子频标，频率稳定度指标有进入10-14量级的潜力
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或替代，但不会偏离本发明的精髓或者超越所附权利要求书外定义的范围。
Claims (1)
1.一种用于铷频标的超低噪声频率合成和频率传递电路，包括第一功分器（9），其特征在于，还包括频率传递模拟锁相环电路（17）和射频频率合成电路（18），
频率传递模拟锁相环电路（17）包括第二信号放大器（10）、模拟鉴相器（11）、滤波放大器（12）、10MHz晶振（13）、第二功分器（14）、SBD九次倍频器（15）和第三信号放大器（16），
第二信号放大器（10）输出端与模拟鉴相器（11）参考输入端连接，第三信号放大器（16）输出端与模拟鉴相器（11）射频输入端连接，模拟鉴相器（11）的输出端与滤波放大器（12）输入端连接，滤波放大器（12）的输出端与10MHz晶振（13）的压控输入端连接，10MHz晶振（13）的输出端与第二功分器（14）输入端连接，第二功分器（14）其中一路输出端与SBD九次倍频器（15）输入端连接，第二功分器（14）另一路输出端输出10MHz频率信号，SBD九次倍频器（15）输出端与第三信号放大器（16）输入端连接，
射频频率合成电路（18）包括90MHz低相噪晶振（1）、调制器（2）和第一信号放大器（3），
90MHz低相噪晶振（1）与第一功分器（9）的输入端连接，第一功分器（9）其中一路输出端与调制器（2）的第一输入端连接，调制器（2）的第二输入端接入136Hz三角波，调制器（2）的输出端与第一信号放大器（3）的输入端连接，第一功分器（9）另一路输出端与第二信号放大器（10）的输入端连接，
所述第一信号放大器（3）的输出端与SRD倍频器（4）的第一输入端连接，SRD倍频器（4）的第二输入端接入5.3125MHz信号，SRD倍频器（4）的输出端与物理***（5）连接，物理***（5）依次通过前置放大器（6）、同步检波器（7）、积分滤波器（8）与90MHz低相噪晶振（1）连接，
第一信号放大器（3）、第二信号放大器（10）和第三信号放大器（16）均为共基放大电路。
Priority Applications (1)
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