適合於晶片集成的被動型銣原子頻標的製作方法
2024-01-23 06:00:15 3
專利名稱：適合於晶片集成的被動型銣原子頻標的製作方法
技術領域：
本發明涉及銣原子頻標的小型化技術領域，尤其涉及一種適合於晶片集成的被動型銣原子頻標。
背景技術：
原子頻標是空間技術和授時系統的頻率與時間基準。原子頻標現已被廣泛應用於衛星通信、導航、測量大陸漂移和地殼形變等技術領域中。自
上世紀60年代，世界上第一臺被動型銣原子頻標誕生以來，銣原子頻標憑藉其與其他類型原子頻標在體積、重量、功耗、結構等方面的優點，得
到了迅速的發展和廣泛的應用。
傳統銣原子頻標的伺服電路主要由模擬電路構成，因而具有體積大、功耗大、穩定度差、相位噪聲大、不利於集成等缺點。傳統被動型銣原子頻標經壓控振蕩器輸出信號的頻率通過一個環路鎖定在量子部分提供的標準頻率上，從而使受控振蕩器的頻率準確度得以提高。
但是這種實時鎖定的原子頻標，環路噪聲和幹擾影響環路對高穩晶振的控制，以至於雖然這種銣原子頻標的長期穩定度和準確度很高，但是他的短期穩定度和相位噪聲指標在一定時間段內沒有高穩晶振的高。
發明內容
(一) 要解決的技術問題
有鑑於此，本發明的主要目的在於，提供一種適合於晶片集成的被動型銣原子頻標，以提高被動型銣原子頻標的短期穩定度和相位噪聲指標、降低被動型銣原子頻標功耗、減小被動型銣原子頻標的重量和體積和便於被動型銣原子頻標的晶片集成。
(二) 技術方案為達到上述目的，本發明提供了一種適合於晶片集成的被動型銣原子
頻標，該被動型銣原子頻標包括量子系統、伺服電路、20MHz壓控振蕩器和第一2分頻器；其中，量子系統由100MHz電離源、Rb"燈、&85濾光泡、諧振腔Rb"吸收泡以及光電檢測電路構成；伺服電路由低噪聲放大器、帶通濾波器、緩衝器、模數轉換器、控制器、數模轉換器、比較器、鎖相環電路、第二2分頻器、直接數字頻率合成器(DDS)和混頻器構成；其中鎖相環電路包括342分頻器、鑑頻鑑相器、電荷泵、濾波器和6840MHz壓控振蕩器。
上述方案中，所述20MHz壓控振蕩器的輸出信號被送給伺服電路中的比較器，比較器的第一路輸出信號經第二2分頻器分頻後被送給控制器，作為控制器的時鐘參考信號；比較器的第二路輸出信號被送給直接數字頻率合成器作為直接數字頻率合成器的頻率合成參考信號；比較器的第三路輸出信號被送給鎖相環電路作為頻率合成參考信號，經過鎖相環電路342倍頻後得到6840MHz的微波信號，該6840MHz微波信號與直接數字頻率合成器輸出的帶調製的5.3125MHz信號在混頻器中混頻，得到帶調製的6834.6875MHz探詢信號，並輸出給量子系統；量子系統在該探詢信號的控制下輸出周期性的下沉信號給伺服電路，該下沉信號在伺服電路中經過放大、濾波、緩衝後送給模數轉換器轉換為數位訊號；該數位訊號在控制器內經過同步檢波、低通濾波以及直流幅度值調整後得到直流值送給數模轉換器轉換為模擬信號，並輸出給20MHz壓控振蕩器，控制20MHz壓控振蕩器輸出穩定的20MHz信號，該20MHz信號經過第一 2分頻器分頻後，輸出lOMHz的方波信號，該10MHz的方波信號即為銣原子頻標的輸出。
上述方案中，所述R,燈在lOOMHz電離源的激勵下發光並產生多種能級之間的躍遷譜線，經過R,濾光泡以後，僅有一根光譜線照射到充有Rb87諧振腔Rb87吸收泡上，使諧振腔Rb87吸收泡內Rb87原子在相關能級間產生有規律的躍遷，最終將原子全部聚集到所需的能級上，實現光抽運；在C場的作用下，Rb87原子能級產生超精細分裂，其中F:2,M產0和F=1,MF=0兩個塞曼能級受外界影響最小，其間躍遷譜線的頻率最穩定，微調C場，使其中心頻率為f產6834.6875MHz;當電路部分的微波調頻信
5號fm加到吸收泡上後，外加能量使R,原子躍遷周而復始地進行，產生 Rb87原子的他激勵躍遷震蕩，躍遷吸收線又對fm頻偏進行鑑頻，受照光 電檢測器的體電阻隨著通過諧振腔R^吸收泡的那根譜線的光強而變化， 並輸出相應的電壓信號。
上述方案中，所述伺服電路中的低噪聲放大器輸出本底噪聲小於
10mV、閉環增益通過外部反饋電阻可調、範圍為100至5000。
上述方案中，所述伺服電路中的直接數字頻率合成器輸出帶方波調製 的5.3125MHz正弦信號，方波調製頻率79至400Hz，最大輸出功率 0dBm/50Q，輸出不允許單向漂移的功率波動小於等於0.01dB/s，要求可鍵 控調頻，調製深度可調範圍150至2000Hz，步進10Hz，中心頻率可調範 圍士50KHz，步進lmHz。
上述方案中，所述伺服電路中的控制器，其程序可改寫，數據可保存 並掉電恢復，具有完備指令集。
上述方案中，所述伺服電路中的數模轉換器，採用串行輸入的22位 sigma-delta數模轉換器。
上述方案中，所述伺服電路中的混頻器，輸出信號的微波中心頻率附 加邊帶小於一70dBc。
(三)有益效果 從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果
1、 利用本發明，可以將伺服電路集成到一塊晶片中，從而極大的提 高了被動型銣原子頻標穩定性，降低了被動型銣原子頻標的功耗，減小了 被動型銣原子頻標的重量和體積，提高了被動型銣原子頻標的短期穩定 度，具有極大的理論價值和實際應用價值。
2、 本發明提供的這種適合於晶片集成的被動型銣原子頻標，摒棄了 現有銣頻標中採用的階躍倍頻方式，而是採用鎖相環將20MHz信號升頻 到6840MHz微波信號。該方案已經通過了系統驗證，並已將部分伺服電 路集成於一個晶片中。通過一個具有兩個32位寄存器和調頻時相位連續 的直接數字頻率合成器來提供一個小調頻的5.3125MHz信號，簡化了調製 電路，從而更便於伺服系統的晶片集成。通過鎖相環(PLL)來實現微波倍頻，得到6840MHz的微波信號。通過將伺服電路集成到一個晶片上，可 以極大的減小伺服系統的體積、降低系統的功耗、提高系統的穩定度。
3、本發明提供的這種適合於晶片集成的被動型銣原子頻標，由量子 系統、20MHz壓控振蕩器和伺服電路構成的閉合迴路動態穩定於一個工作 點，從而使壓控振蕩器輸出信號也動態穩定於20MHz。
下面結合實例及附圖進一步對本發明的技術內容進行說明，其中 圖1是本發明提供的適合於晶片集成的被動型銣原子頻標結構框圖； 圖2是CMOS低噪聲放大器的電路圖； 圖3是CMOS遲滯比較器的電路圖； 圖4是伺服電路晶片版圖照片。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實 施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
如圖1所示，圖1是本發明提供的適合於晶片集成的被動型銣原子頻 標結構框圖，該被動型銣原子頻標包括量子系統、伺服電路、20MHz壓控 振蕩器和第一2分頻器；其中，量子系統由100MHz電離源、R,燈、Rb85 濾光泡、諧振腔R,吸收泡以及光電檢測電路構成；伺服電路由低噪聲放 大器、帶通濾波器、緩衝器、模數轉換器、控制器、數模轉換器、比較器、 鎖相環電路、第一2分頻器、直接數字頻率合成器DDS和混頻器構成； 其中鎖相環電路包括342分頻器、鑑頻鑑相器、電荷泵、濾波器和6840MHz 壓控振蕩器。圖4示出了伺服電路晶片版圖照片。
所述20MHz壓控振蕩器的輸出信號被送給伺服電路中的比較器，比 較器的第一路輸出信號經第二 2分頻器分頻送給控制器，作為控制器的時 鍾參考信號；比較器的第二路輸出信號被送給直接數字頻率合成器，作為 直接數字頻率合成器的頻率合成參考信號；比較器的第三路輸出信號被送 給鎖相環電路作為頻率合成參考信號，經過鎖相環電路342倍頻後得到 6840MHz的微波信號，該6840MHz微波信號與直接數字頻率合成器輸出的帶調製的5.3125MHz信號在混頻器中混頻，得到帶調製的 6834.6875MHz探詢信號，並輸出給量子系統；量子系統在該探詢信號的 控制下輸出周期性的下沉信號給伺服電路，該下沉信號在伺服電路中經過 放大、濾波、緩衝後送給模數轉換器轉換為數位訊號；該數位訊號在控制 器內經過同步檢波、低通濾波以及直流幅度值調整後得到直流值送給數模 轉換器轉換為模擬信號，並輸出給20MHz壓控振蕩器，控制20MHz壓 控振蕩器輸出穩定的20MHz信號，該20MHz信號經過第一 2分頻器分頻 後，輸出10MHz的方波信號，該10MHz的方波信號即為銣原子頻標的輸 出。
量子系統由100MHz電離源、R,燈、Rb8s濾光泡、諧振腔R,吸收 泡、光電檢測電路以及恆溫控制、電磁屏蔽和C場調節構成。R,燈在 100MHz電離源的激勵下發光並產生多種能級之間的躍遷譜線，經過Rb85 濾光泡以後，僅有一根光譜線照射到充有R,諧振腔R,吸收泡上，使諧 振腔R,吸收泡內R,原子在相關能級間產生有規律的躍遷，最終將原子 全部聚集到所需的能級上，實現光抽運。在C場的作用下，R,原子能級 產生超精細分裂，其中F=2,MF=0和F=1,MF=0兩個塞曼能級受外界影響 最小，其間躍遷譜線的頻率最穩定，微調C場，使其中心頻率為 f屍6834.6875MHz。當電路部分的微波調頻信號fm加到吸收泡上後，外加 能量使Rb87原子躍遷周而復始地進行，產生Rb87原子的他激勵躍遷震蕩， 躍遷吸收線又對fm頻偏進行鑑頻，受照光電檢測器的體電阻隨著通過諧 振腔R,吸收泡的那根譜線的光強而變化，並輸出相應的電壓信號。恆溫 控制用於控制Rb87燈和諧振腔Rb87吸收泡的溫度保持恆定。電磁屏蔽就是 將諧振腔R,吸收泡放入鎳鐵合金殼來屏蔽外部磁場，以降低外部磁場對 頻率的下拉作用。
經量子系統鑑頻後輸出的電壓信號，被送給圖2所示的兩級低噪聲運 算放大器放大，轉變為峰峰值小於1V且與調製信號近乎同步的信號。銣 原子躍遷時對應運放輸出端會有下沉信號輸出。
低噪聲放大器輸出的電壓信號經濾波、緩衝後被輸送給12位的模數 轉換器，從而將其轉換為相應的數位訊號。低噪聲放大器輸出本底噪聲小 於10mV、閉環增益通過外部反饋電阻可調、範圍為100至5000。控制器將對應於70Hz或者140Hz的頻率正弦(或者餘弦)的表數據 乘上模數轉換器的抽樣數據來對模數轉換器的抽樣數據進行鑑頻鑑相。將 14個調製周期乘積數據作為一幀進行加和，這可以完全地從誤差信號中消 除5Hz的信號成分(以及5Hz的任何整數倍的信號成分，包括50Hz，60Hz， 70Hz以及140Hz)，這樣在10MHz輸出中將沒有在調製頻率處的毛刺。 檢測得到的70Hz、零相位信號的乘積的和，經一個簡單的一級無限衝激 響應數字濾波器濾波後被用於鎖頻20MHz震蕩器到銣原子超精細躍遷頻
"圖3是CMOS遲滯比較器的電路圖。比較器採用遲滯比較器結構， 從而減小比較器輸出在比較門限處的毛刺。比較器輸出的一路方波信號經 分頻後被送給控制器作為時鐘參考信號，比較器輸出的另一路方波信號被 送給直接數字頻率合成器作為頻率合成參考信號。由於其分頻電路完全由 數字電路構成，故易於採用CMOS集成電路實現。
比較器輸出的20MHz方波信號被輸送給直接數字頻率合成器作為頻 率合成參考信號。在控制器的控制下直接數字頻率合成器輸出小調頻的 5.3125MHz信號。該數字頻率合成器主要由兩個32位相位累加器、 一個 採用正弦對稱技術、modified Sunderland技術、正弦相位差技術、四線逼 近技術以及量化和誤差ROM技術等壓縮技術的正弦ROM和一個10位的 電流驅動型數模轉換器構成。
20MHz VCO輸出經鎖相環倍頻後，得到6840MHz的微波信號，該信 號再與直接數字頻率合成器輸出的小調頻的5.3125MHz信號在混頻器中 混頻，得到帶調製的6834.6875MHz微波探詢信號來驅動銣原子頻標的量 子系統輸出帶有銣原子躍遷信息的信號。該信號再被送給低噪聲運算放大 器，如此周而復始，整個閉環系統動態平衡，從而得到一個由銣原子鑑頻， 由伺服電路來調整的動態穩定的閉環系統。由於該系統的伺服電路大量採 用數字電路實現，因而非常利於晶片集成。
20MHz壓控振蕩器輸出的20MHz信號經過第一2分頻器分頻後，輸 出10MHz的方波信號，該10MHz的方波信號即為銣原子頻標的輸出。
以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行 了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而己，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修 改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1、一種適合於晶片集成的被動型銣原子頻標，其特徵在於，該被動型銣原子頻標包括量子系統、伺服電路、20MHz壓控振蕩器和第一2分頻器；其中，量子系統由100MHz電離源、Rb87燈、Rb85濾光泡、諧振腔Rb87吸收泡以及光電檢測電路構成；伺服電路由低噪聲放大器、帶通濾波器、緩衝器、模數轉換器、控制器、數模轉換器、比較器、鎖相環電路、第一2分頻器、直接數字頻率合成器DDS和混頻器構成；其中鎖相環電路包括342分頻器、鑑頻鑑相器、電荷泵、濾波器和6840MHz壓控振蕩器。
2、 根據權利要求1所述的適合於晶片集成的被動型銣原子頻標，其 特徵在於，所述20MHz壓控振蕩器的輸出信號被送給伺服電路中的比較 器，比較器的第一路輸出信號經第二2分頻器分頻後被送給控制器，作為 控制器的時鐘參考信號；比較器的第二路輸出信號被送給數字頻率合成器 作為頻率合成參考信號；比較器的第三路輸出信號被送給鎖相環電路作為 頻率合成參考信號，經過鎖相環電路342倍頻後得到6840MHz的微波信 號，該6840MHz微波信號與直接數字頻率合成器輸出的帶調製的 5.3125MHz信號在混頻器中混頻，得到帶調製的6834.6875MHz探詢信號， 並輸出給量子系統；量子系統在該探詢信號的控制下輸出周期性的下沉信 號給伺服電路，該下沉信號在伺服電路中經過放大、濾波、緩衝後送給模 數轉換器轉換為數位訊號；該數位訊號在控制器內經過同步檢波、低通濾 波以及直流幅度值調整後得到直流值送給數模轉換器轉換為模擬信號，並 輸出給20MHz壓控振蕩器，控制20MHz壓控振蕩器輸出穩定的20MHz 信號，該20MHz信號經過第一 2分頻器分頻後，輸出lOMHz的方波信號， 該lOMHz的方波信號即為銣原子頻標的輸出。
3、 根據權利要求1或2所述的適合於晶片集成的被動型銣原子頻標， 其特徵在於，所述R,燈在lOOMHz電離源的激勵下發光並產生多種能級 之間的躍遷譜線，經過R,濾光泡以後，僅有一根光譜線照射到充有Rb87 諧振腔R,吸收泡上，使諧振腔R,吸收泡內R,原子在相關能級間產生 有規律的躍遷，最終將原子全部聚集到所需的能級上，實現光抽運；在C 場的作用下，R,原子能級產生超精細分裂，其中F二2,M產0和F^,M產0兩個塞曼能級受外界影響最小，其間躍遷譜線的頻率最穩定，微調C場，使其中心頻率為f「6834.6875MHz;當電路部分的微波調頻信號fm加到吸 收泡上後，外加能量使R,原子躍遷周而復始地進行，產生R,原子的他 激勵躍遷震蕩，躍遷吸收線又對fm頻偏進行鑑頻，受照光電檢測器的體 電阻隨著通過諧振腔R,吸收泡的那根譜線的光強而變化，並輸出相應的 電壓信號。
4、 根據權利要求1或2所述的適合於晶片集成的被動型銣原子頻標， 其特徵在於，所述伺服電路中的低噪聲放大器輸出本底噪聲小於IOmV、 閉環增益通過外部反饋電阻可調、範圍為100至5000。
5、 根據權利要求1或2所述的適合於晶片集成的被動型銣原子頻標， 其特徵在於，所述伺服電路中的直接數字頻率合成器輸出帶方波調製的 5.3125MHz正弦信號，方波調製頻率79至400Hz，最大輸出功率 0dBm/50a輸出不允許單向漂移的功率波動小於等於0.01dB/s，要求可鍵 控調頻，調製深度可調範圍150至2000Hz，步進10Hz，中心頻率可調範 圍土50KHz，步進lmHz。
6、 根據權利要求1或2所述的適合於晶片集成的被動型銣原子頻標， 其特徵在於，所述伺服電路中的控制器，其程序可改寫，數據可保存並掉 電恢復，具有完備指令集。
7、 根據權利要求1或2所述的適合於晶片集成的被動型銣原子頻標， 其特徵在於，所述伺服電路中的數模轉換器，採用串行輸入的22位 sigma-delta數模轉換器。
8、 根據權利要求1或2所述的適合於晶片集成的被動型銣原子頻標， 其特徵在於，所述伺服電路中的混頻器，輸出信號的微波中心頻率附加邊 帶小於一70dBc。
全文摘要
本發明公開了一種適合於晶片集成的被動型銣原子頻標，包括量子系統、伺服電路、20MHz壓控振蕩器和第一2分頻器；其中，量子系統由100MHz電離源、Rb87燈、Rb85濾光泡、諧振腔Rb87吸收泡以及光電檢測電路構成；伺服電路由低噪聲放大器、帶通濾波器、緩衝器、模數轉換器、控制器、數模轉換器、比較器、鎖相環電路、第二2分頻器、DDS和混頻器構成；其中鎖相環電路包括342分頻器、鑑頻鑑相器、電荷泵、濾波器和6840MHz壓控振蕩器。利用本發明，極大的提高了被動型銣原子頻標穩定性和相位噪聲指標，降低了被動型銣原子頻標的功耗，減小了被動型銣原子頻標的重量和體積，便於被動型銣原子頻標的晶片集成。
文檔編號H03L7/26GK101626239SQ20081011639
公開日2010年1月13日 申請日期2008年7月9日 優先權日2008年7月9日
發明者曹曉東, 寅 石 申請人:中國科學院半導體研究所