一種用於銣原子頻標的數字鎖相調製倍頻器的製造方法

2023-05-11 16:07:56 2

一種用於銣原子頻標的數字鎖相調製倍頻器的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用於銣原子頻標的數字鎖相調製倍頻器，包括10MHz壓控晶振，還包括R分頻器、鑑相器、電荷泵、環路濾波器、壓控振蕩器、微波功分器、N分頻器、微波功率放大器和階躍匹配電路，10MHz壓控晶振與R分頻器連接，R分頻器和N分頻器與鑑相器連接，鑑相器與電荷泵連接，電荷泵依次通過環路濾波器、壓控振蕩器、微波功分器、微波功率放大器和階躍匹配電路連接，微波功分器與N分頻器連接。本實用新型具有結構簡單、數位化程度高、參數優化簡單易行的特點。
【專利說明】
一種用於銣原子頻標的數字鎖相調製倍頻器
技術領域
[0001]本實用新型涉及到銣原子頻標，具體涉及一種用於銣原子頻標的數字鎖相調製倍頻器，可適用於製作高性能小型化商用銣原子頻標。
【背景技術】
[0002]原子頻標是利用原子的躍迀信號鎖定壓控晶振從而產生高穩定時頻信號的設備，在守時、授時、通信、導航等領域有廣泛用途。銣原子頻標具有體積小、重量輕、功耗低的特點，是目前使用最廣泛的原子頻標。
[0003]根據構成單元的功能，銣原子頻標可以簡單地分為量子系統和電路系統兩部分。電路系統一般由射頻倍頻器、頻率綜合器、調製器和同步檢波器組成。傳統射頻倍頻器是採用電晶體組成的差分對管將把壓控晶振1MHz輸出頻率9次倍頻到90MHz，同時1MHz信號輸入到頻率綜合器產生5.3125MHz小數頻率，90MHz與5.3125MHz兩個信號同時輸入到銣原子頻標內量子系統的微波腔進行階躍倍頻和混頻得到激勵銣原子躍迀的6834MHz微波信號。這種方案的優點是電路採用分離器件製作，成本較低。
[0004]但由於在微波腔需要進行高達76次的高次階躍倍頻，效率較為低下，要求輸入微波腔的射頻信號功率比較大，這樣會增加射頻倍頻器的製作難度。並且，由於採用整數頻率與小數頻率在微波腔中混頻的方式，微波腔內存在5.3125MHz間隔的旁頻。此外，由於還需要專門製作一個綜合器來產生5.3125MHz的小數頻率信號，使電路的複雜程度增加。針對這種情況，出現了一種改進的電路方案，它採用對小數晶振信號直接倍頻得到6834MHz信號，可去掉綜合器。但精確的小數晶振的製作成本高，且調節頻標標準輸出頻率信號的準確度比較困難。
【實用新型內容】
[0005]本實用新型的目的在於提供一種用於銣原子頻標的數字鎖相調製倍頻器，具有結構簡單、數位化程度高、參數優化簡單易行的特點。
[0006]為了實現上述目的，本實用新型通過以下技術方案實現:
[0007]一種用於銣原子頻標的數字鎖相調製倍頻器，包括1MHz壓控晶振，還包括R分頻器、鑑相器、電荷慄、環路濾波器、壓控振蕩器、微波功分器、N分頻器、微波功率放大器和階躍匹配電路，1MHz壓控晶振與R分頻器連接，R分頻器和N分頻器與鑑相器連接，鑑相器與電荷慄連接，電荷慄依次通過環路濾波器、壓控振蕩器、微波功分器、微波功率放大器和階躍匹配電路連接，微波功分器與N分頻器連接。
[0008]如上所述的壓控振蕩器輸出的455.64582MHz的微波信號，R分頻器為I分頻，N分頻器為45.564582分頻。
[0009]如上所述的壓控振蕩器輸出的6834.6826MHz的微波信號，R分頻器為I分頻，N分頻器為683.46826分頻。
[0010]本實用新型相對於現有技術具有如下優點:
[0011]1、具有解析度很高的小數頻率輸出能力。本實用新型把N分頻器內插於數字鎖相環(PLL)，倍頻輸出信號的解析度由N分頻器的頻率數據位寬決定，而24位的位寬使輸出頻率的解析度達暈赫茲水平。
[0012]2、具有快速鎖定的能力。由於HMC703的N分頻器具有24位的位寬，可以產生精確的小數分頻，相應形成的相鄰脈衝間隔周期很短，因而可以實現鎖相環路的快速鎖定。
[0013]3、具有低相位噪聲本底和良好的雜散性能。本實用新型可以採用數字鎖相環晶片HMC703，它具有極佳的相位噪聲和雜散性能，相位噪聲本底低，△ - Σ調製器模式的選擇和使用可以有效降低小數雜散。
[0014]4、電路結構精簡。本實用新型可以採用的數字鎖相環晶片HMC703，集成了解析度很高的小數型N分頻器，可以將壓控振蕩器(VCO)的輸出頻率鎖定在其頻率控制範圍內幾乎任意的精確小數頻率上，故省掉了傳統門電路或DDS等數字電路構成的5.3125MHz小數頻率綜合器。利用單片機對HMC703進行頻移鍵控(FSK)來實現對輸出的小數頻率微波信號的直接調頻，可省掉傳統的銣原子頻標中必需的專用調製頻率產生電路和調頻電路。
[0015]5、參數軟體設置、調試簡單易行。本實用新型通過單片機設定，既能夠控制輸入到微波腔內6834MHz微波調頻信號的調製速率和調製深度，還可給N分頻器設置不同的小數分頻比來調節銣原子頻標輸出頻率的準確度。
[0016]6、輸入到銣原子頻標微波腔中的信號頻譜純度高。因為本實用新型把壓控晶振輸出的1MHz信號直接倍頻調製到小數頻率455.64582MHz信號，該信號可直接進行15次階躍倍頻得到6834MHz調頻信號而無需傳統的尾數下混頻，故輸入到銣原子頻標微波腔的信號只有455.64582MHz這單一調製頻譜。
[0017]7、在銣原子頻標微波腔中通過階躍倍頻得到激勵原子躍迀的微波信號的倍頻效率高。SRD倍頻器的倍頻效率與倍頻次數η存在平方反比關係，即正比於1/η2。本實用新型把壓控晶振輸出的1MHz信號直接倍頻到帶小數頻率的455.64582MHz微波頻段信號，該信號輸入到微波腔後只需進行15次階躍倍頻即可得到激勵銣原子躍迀的6834MHz微波信號，相較傳統90MHz的76次倍頻，具有倍頻次數低、倍頻效率高的優點。
[0018]8、便於銣原子頻標小型化。本實用新型還具有集成度高、體積小、數位化程度高、易於調試等特點，適用於小型化銣原子頻標的規模化生產。
【附圖說明】

[0019]圖1為一種用於銣原子頻標的數字鎖相調製倍頻器的電路方框圖。
[0020]圖中，1-R分頻器;2-鑑相器;3-電荷慄;4-環路濾波器;5_壓控振蕩器;6_微波功分器;7-N分頻器;8-微波功率放大器;9-階躍匹配電路。
【具體實施方式】
[0021 ]下面結合附圖對本實用新型作進一步說明。
[0022]實施例1:
[0023]如圖1可知，壓控晶振的1MHz信號連接到R分頻器I的輸入端，在R分頻器中實現對參考頻率的整數R次分頻，在本實用新型中可為經過I次分頻後輸出，連接鑑相器2的其中一個輸入端，作為鑑相參考信號，N分頻器7的輸出端連接鑑相器2的另一個輸入端，鑑相器2對兩路輸入信號比相得到的相位誤差信號，信號輸出端連接到電荷慄3的輸入端，電荷慄3將這個相位誤差信號轉變為電流信號，電流信號通過電荷慄3的輸出端傳輸到環路濾波器4的輸入端。環路濾波器4採用三階無源濾波器對該電流信號進行濾波和積分，得到壓控振蕩器5(VC0)的壓控信號，壓控信號通過環路濾波器4的輸出端傳輸到壓控振蕩器5(VC0)的壓控輸入端，壓控振蕩器5(VC0)的頻率輸出端連接到微波功分器6的輸入端，壓控振蕩器5(VC0)輸出的微波信號通過微波功分器6分為兩路信號，一路反饋給N分頻器7(其中N為軟體設定的小數分頻比)進行小數分頻得到用於比相的1MHz信號，另一路經微波功率放大器8放大並經過階躍匹配電路9進行阻抗匹配後，即得到本實用新型的輸出信號。
[0024]1MHz信號作為本實用新型的輸入信號源經過R分頻器I後連接到鑑相器2的參考輸入端，鑑相器2的兩個輸入端均為差分輸入形式，輸出端連接電荷慄3的輸入端，電荷慄3的輸出信號為反映鑑相器2的兩路1MHz輸入信號相位差的脈衝電流信號，有較強的負載驅動能力，故環路濾波器4採用無源三階濾波器濾掉電荷慄3輸出信號中的高頻成分，剩餘的慢速信號輸入到壓控振蕩器5(VC0)的電壓調諧端，去控制壓控振蕩器5(VC0)的輸出頻率，通過對N分頻器7的FSK調製來實現對壓控振蕩器5 (VC0)輸出信號的調頻。
[0025]實施例2:
[0026]R分頻器1、鑑相器2、電荷慄3和N分頻7器可選用集成上述模塊的數字鎖相環晶片HMC703實現，數字鎖相環晶片HMC703由Hittite公司生產，小數模式的噪聲本底品質因數為-230dBc/Hz，相位噪聲和雜散性能均優於業內普遍水平。壓控振蕩器5(VC0)可採用Min1-Circuits公司的R0S-498-119+，其振蕩頻率在449?499MHz之間，且擁有較低的相位噪聲，可滿足本實用新型的設計需要。壓控振蕩器5(VC0)輸出連接的微波功分器6，微波功分器6可採用Min1-Circuits公司的JPS-2-1N，它為一路輸入二路輸出形式，插入損耗小，典型值為
0.25dB，隔離度高，典型值為30dB，電壓紋波係數小，典型值為1.15:1，輸入輸出阻抗均為50歐姆。微波功分器6的一路輸出作為數字鎖相環Il(PLL)的反饋信號輸入到N分頻器7的輸入端;微波功分器6的另一路輸出作為PLL的輸出端連接到微波功率放大器8進行放大。微波功率放大器8可採用Min1-Circuits公司的GAL1-74，它具有最大為20dB的功率增益，且可通過調節其偏置電壓來調節其增益，實際使用時可用以此方法調節本實用新型最終輸出信號的功率大小。階躍匹配電路9對放大後的微波信號進行阻抗匹配，其輸出端作為本實用新型的最終輸出端連接到銣原子頻標微波腔。
[0027]本實用新型的小數倍頻和直接調頻可以採用微控制器對HMC703進行寄存器設置來實現。微控制器可以採用單片機10，它為Atmel公司的ATmegaS，負責對HMC703進行寄存器設置和輸出用於同步檢波的參考信號。單片機與HMC703進行SPI通訊，單片機10可通過設置HMC703內部寄存器的值來設定N分頻器7的小數分頻比。本實用新型中，給N分頻器7的輸入信號是來自壓控振蕩器5(VC0)的反饋信號，它是帶有小數頻率的455.64582MHz微波信號。該信號通過給N分頻器7設置小數分頻得到1MHz頻率信號，小數分頻比為45.564582，即該分頻比換算成HMC703所要求格式的數字值並可通過單片機10發送到HMC703內對應的寄存器。同時單片機10還對N分頻器7的輸出信號進行FSK調製來實現對壓控振蕩器5(VC0)輸出的455.64582MHz信號進行調頻。實現的方法是，單片機7首先通過改寫寄存器06h的值將HMC703設置為「FM模式」，再將內部的兩個小數寄存器04h、ODh分別設為455.64582MHz頻率左右相同頻差的兩個頻率值，頻差反映調製深度的大小，同時，單片機10可輸出兩路頻率相同、相位相反的PWM方波信號，用於同步檢波。N分頻器7輸出的I OMHz調頻信號與1MHz參考信號在鑑相器2進行鑑相，經電荷慄3之後，經過環路濾波器4進行濾波，濾除信號中的高頻成分，得到的輸出電壓對壓控振蕩器5(VCO)進行調頻。通過上述方法，壓控晶振的1MHz輸出信號倍頻到帶小數的455.64582MHz中心頻率信號，並進行了直接調頻。經測試，該信號的調製頻率為136Hz，調製深度可設在12?16Hz範圍內，功率為13dBm左右，兩倍調製頻率處的相位噪聲達-llOdBc/Hz，滿足對進腔前微波信號的要求。上述對於HMC703進行寄存器設置依據HMC703產品使用手冊進行設置，不屬於方法的改進。其他與實施例1 一致。
[0028]實施例3:
[0029]R分頻器1、鑑相器2、電荷慄3和N分頻7器可選用集成上述模塊的數字鎖相環晶片HMC703實現，數字鎖相環晶片HMC703由Hittite公司生產，小數模式的噪聲本底品質因數為-230dBc/Hz，相位噪聲和雜散性能均優於業內普遍水平。壓控振蕩器5(VC0)可採用AnalogDevices公司的HMC508LP5E，其振蕩頻率在6510?8525MHz之間，且擁有較低的相位噪聲，可滿足本實用新型的設計需要。壓控振蕩器5(VC0)輸出連接的微波功分器6，微波功分器6可採用Min1-Circuits公司的EP2C+。微波功分器6的一路輸出作為數字鎖相環Il(PLL)的反饋信號輸入到N分頻器7的輸入端;微波功分器6的另一路輸出作為PLL的輸出端連接到微波功率放大器8進行放大。微波功率放大器8可採用Min1-Circui ts公司的CMA-84+。階躍匹配電路9對放大後的微波信號進行阻抗匹配，其輸出端作為本實用新型的最終輸出端連接到銣原子頻標微波腔。
[0030]本實用新型的小數倍頻和直接調頻可以採用微控制器對HMC703進行寄存器設置來實現。微控制器可以採用單片機10，它為Atmel公司的ATmegaS，負責對HMC703進行寄存器設置和輸出用於同步檢波的參考信號。單片機與HMC703進行SPI通訊，單片機10可通過設置HMC703內部寄存器的值來設定N分頻器7的小數分頻比。本實用新型中，給N分頻器7的輸入信號是來自壓控振蕩器5(VC0)的反饋信號，它是帶有小數頻率的6834.6826MHz微波信號。該信號通過給N分頻器7設置小數分頻得到1MHz頻率信號，小數分頻比為683.46826，即該分頻比換算成HMC703所要求格式的數字值並可通過單片機10發送到HMC703內對應的寄存器。同時單片機10還對N分頻器7的輸出信號進行FSK調製來實現對壓控振蕩器5(VC0)輸出的6834.6826MHz信號進行調頻。實現的方法是，單片機7首先通過改寫寄存器06h的值將HMC703設置為「FM模式」，再將內部的兩個小數寄存器04h、ODh分別設為6834.6826MHz頻率左右相同頻差的兩個頻率值，頻差反映調製深度的大小，同時，單片機10可輸出兩路頻率相同、相位相反的PWM方波信號，用於同步檢波。N分頻器7輸出的I OMHz調頻信號與1MHz參考信號在鑑相器2進行鑑相，經電荷慄3之後，經過環路濾波器4進行濾波，濾除信號中的高頻成分，得到的輸出電壓對壓控振蕩器5(VC0)進行調頻。通過上述方法，壓控晶振的1MHz輸出信號倍頻到帶小數的6834.6826MHz中心頻率信號，並進行了直接調頻。經測試，該信號的調製頻率為136Hz，調製深度可設在150?240Hz範圍內，功率為-20dBm左右，兩倍調製頻率處的相位噪聲達-88dBc/Hz，該信號進行匹配後輸入銣原子頻標的微波腔不需再進行階躍倍頻，直接可用以激勵銣原子躍迀。上述對於HMC703進行寄存器設置依據HMC703產品使用手冊進行設置，不屬於方法的改進。其他與實施例1 一致。
[0031]本文中所描述的具體實施例僅僅是對本實用新型精神作舉例說明。本實用新型所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式替代，但並不會偏離本實用新型的精神或者超越所附權利要求書所定義的範圍。
【主權項】
1.一種用於銣原子頻標的數字鎖相調製倍頻器，包括1MHz壓控晶振，其特徵在於，還包括R分頻器(I)、鑑相器(2)、電荷慄(3)、環路濾波器(4)、壓控振蕩器(5)、微波功分器(6)、N分頻器(7)、微波功率放大器(8)和階躍匹配電路(9)，10MHz壓控晶振與R分頻器(I)連接，R分頻器(I)和N分頻器(7)與鑑相器(2)連接，鑑相器(2)與電荷慄(3)連接，電荷慄(3)依次通過環路濾波器(4)、壓控振蕩器(5)、微波功分器(6)、微波功率放大器(8)和階躍匹配電路(9 )連接，微波功分器(6 )與N分頻器(7 )連接。2.根據權利要求1所述的一種用於銣原子頻標的數字鎖相調製倍頻器，其特徵在於，所述的壓控振蕩器(5)輸出的455.64582MHz的微波信號，R分頻器(I)為I分頻，N分頻器(7)為.45.564582分頻。3.根據權利要求1所述的一種用於銣原子頻標的數字鎖相調製倍頻器，其特徵在於，所述的壓控振蕩器(5)輸出的6834.6826MHz的微波信號，R分頻器(I)為I分頻，N分頻器(7)為.683.46826分頻。
【文檔編號】H03L7/26GK205693648SQ201620588264
【公開日】2016年11月16日
【申請日】2016年6月16日 公開號201620588264.8, CN 201620588264, CN 205693648 U, CN 205693648U, CN-U-205693648, CN201620588264, CN201620588264.8, CN205693648 U, CN205693648U
【發明人】王晨, 閻世棟, 王鵬飛, 邱紫敬, 趙峰, 王芳, 祁峰, 明剛, 梅剛華
【申請人】中國科學院武漢物理與數學研究所