一種用于銣原子頻標(biāo)的數(shù)字鎖相調(diào)制倍頻器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種用于銣原子頻標(biāo)的數(shù)字鎖相調(diào)制倍頻器，包括10MHz壓控晶振，還包括R分頻器、鑒相器、電荷泵、環(huán)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分頻器與鑒相器連接，鑒相器與電荷泵連接，電荷泵依次通過環(huán)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(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡單、數(shù)字化程度高、參數(shù)優(yōu)化簡單易行的特點(diǎn)。
【專利說明】
一種用于銣原子頻標(biāo)的數(shù)字鎖相調(diào)制倍頻器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及到銣原子頻標(biāo)，具體涉及一種用于銣原子頻標(biāo)的數(shù)字鎖相調(diào)制倍頻器，可適用于制作高性能小型化商用銣原子頻標(biāo)。
【背景技術(shù)】
[0002]原子頻標(biāo)是利用原子的躍迀信號(hào)鎖定壓控晶振從而產(chǎn)生高穩(wěn)定時(shí)頻信號(hào)的設(shè)備，在守時(shí)、授時(shí)、通信、導(dǎo)航等領(lǐng)域有廣泛用途。銣原子頻標(biāo)具有體積小、重量輕、功耗低的特點(diǎn)，是目前使用最廣泛的原子頻標(biāo)。
[0003]根據(jù)構(gòu)成單元的功能，銣原子頻標(biāo)可以簡單地分為量子系統(tǒng)和電路系統(tǒng)兩部分。電路系統(tǒng)一般由射頻倍頻器、頻率綜合器、調(diào)制器和同步檢波器組成。傳統(tǒng)射頻倍頻器是采用晶體管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(shí)1MHz信號(hào)輸入到頻率綜合器產(chǎn)生5.3125MHz小數(shù)頻率，90MHz與5.3125MHz兩個(gè)信號(hào)同時(shí)輸入到銣原子頻標(biāo)內(nèi)量子系統(tǒng)的微波腔進(jìn)行階躍倍頻和混頻得到激勵(lì)銣原子躍迀的6834MHz微波信號(hào)。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是電路采用分離器件制作，成本較低。
[0004]但由于在微波腔需要進(jìn)行高達(dá)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(hào)功率比較大，這樣會(huì)增加射頻倍頻器的制作難度。并且，由于采用整數(shù)頻率與小數(shù)頻率在微波腔中混頻的方式，微波腔內(nèi)存在5.3125MHz間隔的旁頻。此外，由于還需要專門制作一個(gè)綜合器來產(chǎn)生5.3125MHz的小數(shù)頻率信號(hào)，使電路的復(fù)雜程度增加。針對這種情況，出現(xiàn)了一種改進(jìn)的電路方案，它采用對小數(shù)晶振信號(hào)直接倍頻得到6834MHz信號(hào)，可去掉綜合器。但精確的小數(shù)晶振的制作成本高，且調(diào)節(jié)頻標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)輸出頻率信號(hào)的準(zhǔn)確度比較困難。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型的目的在于提供一種用于銣原子頻標(biāo)的數(shù)字鎖相調(diào)制倍頻器，具有結(jié)構(gòu)簡單、數(shù)字化程度高、參數(shù)優(yōu)化簡單易行的特點(diǎn)。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0007]一種用于銣原子頻標(biāo)的數(shù)字鎖相調(diào)制倍頻器，包括1MHz壓控晶振，還包括R分頻器、鑒相器、電荷栗、環(huán)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分頻器與鑒相器連接，鑒相器與電荷栗連接，電荷栗依次通過環(huán)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(hào)，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(hào)，R分頻器為I分頻，N分頻器為683.46826分頻。
[0010]本實(shí)用新型相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0011]1、具有分辨率很高的小數(shù)頻率輸出能力。本實(shí)用新型把N分頻器內(nèi)插于數(shù)字鎖相環(huán)(PLL)，倍頻輸出信號(hào)的分辨率由N分頻器的頻率數(shù)據(jù)位寬決定，而24位的位寬使輸出頻率的分辨率達(dá)暈赫茲水平。
[0012]2、具有快速鎖定的能力。由于HMC703的N分頻器具有24位的位寬，可以產(chǎn)生精確的小數(shù)分頻，相應(yīng)形成的相鄰脈沖間隔周期很短，因而可以實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)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(shí)用新型可以采用數(shù)字鎖相環(huán)芯片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(diào)制器模式的選擇和使用可以有效降低小數(shù)雜散。
[0014]4、電路結(jié)構(gòu)精簡。本實(shí)用新型可以采用的數(shù)字鎖相環(huán)芯片HMC703，集成了分辨率很高的小數(shù)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范圍內(nèi)幾乎任意的精確小數(shù)頻率上，故省掉了傳統(tǒng)門電路或DDS等數(shù)字電路構(gòu)成的5.3125MHz小數(shù)頻率綜合器。利用單片機(jī)對HMC703進(jìn)行頻移鍵控(FSK)來實(shí)現(xiàn)對輸出的小數(shù)頻率微波信號(hào)的直接調(diào)頻，可省掉傳統(tǒng)的銣原子頻標(biāo)中必需的專用調(diào)制頻率產(chǎn)生電路和調(diào)頻電路。
[0015]5、參數(shù)軟件設(shè)置、調(diào)試簡單易行。本實(shí)用新型通過單片機(jī)設(shè)定，既能夠控制輸入到微波腔內(nèi)6834MHz微波調(diào)頻信號(hào)的調(diào)制速率和調(diào)制深度，還可給N分頻器設(shè)置不同的小數(shù)分頻比來調(diào)節(jié)銣原子頻標(biāo)輸出頻率的準(zhǔn)確度。
[0016]6、輸入到銣原子頻標(biāo)微波腔中的信號(hào)頻譜純度高。因?yàn)楸緦?shí)用新型把壓控晶振輸出的1MHz信號(hào)直接倍頻調(diào)制到小數(shù)頻率455.64582MHz信號(hào)，該信號(hào)可直接進(jìn)行15次階躍倍頻得到6834MHz調(diào)頻信號(hào)而無需傳統(tǒng)的尾數(shù)下混頻，故輸入到銣原子頻標(biāo)微波腔的信號(hào)只有455.64582MHz這單一調(diào)制頻譜。
[0017]7、在銣原子頻標(biāo)微波腔中通過階躍倍頻得到激勵(lì)原子躍迀的微波信號(hào)的倍頻效率高。SRD倍頻器的倍頻效率與倍頻次數(shù)η存在平方反比關(guān)系，即正比于1/η2。本實(shí)用新型把壓控晶振輸出的1MHz信號(hào)直接倍頻到帶小數(shù)頻率的455.64582MHz微波頻段信號(hào)，該信號(hào)輸入到微波腔后只需進(jìn)行15次階躍倍頻即可得到激勵(lì)銣原子躍迀的6834MHz微波信號(hào)，相較傳統(tǒng)90MHz的76次倍頻，具有倍頻次數(shù)低、倍頻效率高的優(yōu)點(diǎn)。
[0018]8、便于銣原子頻標(biāo)小型化。本實(shí)用新型還具有集成度高、體積小、數(shù)字化程度高、易于調(diào)試等特點(diǎn)，適用于小型化銣原子頻標(biāo)的規(guī)?；a(chǎn)。
【附圖說明】

[0019]圖1為一種用于銣原子頻標(biāo)的數(shù)字鎖相調(diào)制倍頻器的電路方框圖。
[0020]圖中，1-R分頻器;2-鑒相器;3-電荷栗;4-環(huán)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(shí)施方式】
[0021 ]下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
[0022]實(shí)施例1:
[0023]如圖1可知，壓控晶振的1MHz信號(hào)連接到R分頻器I的輸入端，在R分頻器中實(shí)現(xiàn)對參考頻率的整數(shù)R次分頻，在本實(shí)用新型中可為經(jīng)過I次分頻后輸出，連接鑒相器2的其中一個(gè)輸入端，作為鑒相參考信號(hào)，N分頻器7的輸出端連接鑒相器2的另一個(gè)輸入端，鑒相器2對兩路輸入信號(hào)比相得到的相位誤差信號(hào)，信號(hào)輸出端連接到電荷栗3的輸入端，電荷栗3將這個(gè)相位誤差信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)，電流信號(hào)通過電荷栗3的輸出端傳輸?shù)江h(huán)路濾波器4的輸入端。環(huán)路濾波器4采用三階無源濾波器對該電流信號(hào)進(jìn)行濾波和積分，得到壓控振蕩器5(VC0)的壓控信號(hào)，壓控信號(hào)通過環(huán)路濾波器4的輸出端傳輸?shù)綁嚎卣袷幤?(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(hào)通過微波功分器6分為兩路信號(hào)，一路反饋給N分頻器7(其中N為軟件設(shè)定的小數(shù)分頻比)進(jìn)行小數(shù)分頻得到用于比相的1MHz信號(hào)，另一路經(jīng)微波功率放大器8放大并經(jīng)過階躍匹配電路9進(jìn)行阻抗匹配后，即得到本實(shí)用新型的輸出信號(hào)。
[0024]1MHz信號(hào)作為本實(shí)用新型的輸入信號(hào)源經(jīng)過R分頻器I后連接到鑒相器2的參考輸入端，鑒相器2的兩個(gè)輸入端均為差分輸入形式，輸出端連接電荷栗3的輸入端，電荷栗3的輸出信號(hào)為反映鑒相器2的兩路1MHz輸入信號(hào)相位差的脈沖電流信號(hào)，有較強(qiáng)的負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，故環(huán)路濾波器4采用無源三階濾波器濾掉電荷栗3輸出信號(hào)中的高頻成分，剩余的慢速信號(hào)輸入到壓控振蕩器5(VC0)的電壓調(diào)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(diào)制來實(shí)現(xiàn)對壓控振蕩器5 (VC0)輸出信號(hào)的調(diào)頻。
[0025]實(shí)施例2:
[0026]R分頻器1、鑒相器2、電荷栗3和N分頻7器可選用集成上述模塊的數(shù)字鎖相環(huán)芯片HMC703實(shí)現(xiàn)，數(shù)字鎖相環(huán)芯片HMC703由Hittite公司生產(chǎn)，小數(shù)模式的噪聲本底品質(zhì)因數(shù)為-230dBc/Hz，相位噪聲和雜散性能均優(yōu)于業(yè)內(nèi)普遍水平。壓控振蕩器5(VC0)可采用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(shí)用新型的設(shè)計(jì)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可采用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，電壓紋波系數(shù)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(shù)字鎖相環(huán)Il(PLL)的反饋信號(hào)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(jìn)行放大。微波功率放大器8可采用Min1-Circuits公司的GAL1-74，它具有最大為20dB的功率增益，且可通過調(diào)節(jié)其偏置電壓來調(diào)節(jié)其增益，實(shí)際使用時(shí)可用以此方法調(diào)節(jié)本實(shí)用新型最終輸出信號(hào)的功率大小。階躍匹配電路9對放大后的微波信號(hào)進(jìn)行阻抗匹配，其輸出端作為本實(shí)用新型的最終輸出端連接到銣原子頻標(biāo)微波腔。
[0027]本實(shí)用新型的小數(shù)倍頻和直接調(diào)頻可以采用微控制器對HMC703進(jìn)行寄存器設(shè)置來實(shí)現(xiàn)。微控制器可以采用單片機(jī)10，它為Atmel公司的ATmegaS，負(fù)責(zé)對HMC703進(jìn)行寄存器設(shè)置和輸出用于同步檢波的參考信號(hào)。單片機(jī)與HMC703進(jìn)行SPI通訊，單片機(jī)10可通過設(shè)置HMC703內(nèi)部寄存器的值來設(shè)定N分頻器7的小數(shù)分頻比。本實(shí)用新型中，給N分頻器7的輸入信號(hào)是來自壓控振蕩器5(VC0)的反饋信號(hào)，它是帶有小數(shù)頻率的455.64582MHz微波信號(hào)。該信號(hào)通過給N分頻器7設(shè)置小數(shù)分頻得到1MHz頻率信號(hào)，小數(shù)分頻比為45.564582，即該分頻比換算成HMC703所要求格式的數(shù)字值并可通過單片機(jī)10發(fā)送到HMC703內(nèi)對應(yīng)的寄存器。同時(shí)單片機(jī)10還對N分頻器7的輸出信號(hào)進(jìn)行FSK調(diào)制來實(shí)現(xiàn)對壓控振蕩器5(VC0)輸出的455.64582MHz信號(hào)進(jìn)行調(diào)頻。實(shí)現(xiàn)的方法是，單片機(jī)7首先通過改寫寄存器06h的值將HMC703設(shè)置為“FM模式”，再將內(nèi)部的兩個(gè)小數(shù)寄存器04h、ODh分別設(shè)為455.64582MHz頻率左右相同頻差的兩個(gè)頻率值，頻差反映調(diào)制深度的大小，同時(shí)，單片機(jī)10可輸出兩路頻率相同、相位相反的PWM方波信號(hào)，用于同步檢波。N分頻器7輸出的I OMHz調(diào)頻信號(hào)與1MHz參考信號(hào)在鑒相器2進(jìn)行鑒相，經(jīng)電荷栗3之后，經(jīng)過環(huán)路濾波器4進(jìn)行濾波，濾除信號(hào)中的高頻成分，得到的輸出電壓對壓控振蕩器5(VCO)進(jìn)行調(diào)頻。通過上述方法，壓控晶振的1MHz輸出信號(hào)倍頻到帶小數(shù)的455.64582MHz中心頻率信號(hào)，并進(jìn)行了直接調(diào)頻。經(jīng)測試，該信號(hào)的調(diào)制頻率為136Hz，調(diào)制深度可設(shè)在12?16Hz范圍內(nèi)，功率為13dBm左右，兩倍調(diào)制頻率處的相位噪聲達(dá)-llOdBc/Hz，滿足對進(jìn)腔前微波信號(hào)的要求。上述對于HMC703進(jìn)行寄存器設(shè)置依據(jù)HMC703產(chǎn)品使用手冊進(jìn)行設(shè)置，不屬于方法的改進(jìn)。其他與實(shí)施例1 一致。
[0028]實(shí)施例3:
[0029]R分頻器1、鑒相器2、電荷栗3和N分頻7器可選用集成上述模塊的數(shù)字鎖相環(huán)芯片HMC703實(shí)現(xiàn)，數(shù)字鎖相環(huán)芯片HMC703由Hittite公司生產(chǎn)，小數(shù)模式的噪聲本底品質(zhì)因數(shù)為-230dBc/Hz，相位噪聲和雜散性能均優(yōu)于業(yè)內(nèi)普遍水平。壓控振蕩器5(VC0)可采用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(shí)用新型的設(shè)計(jì)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可采用Min1-Circuits公司的EP2C+。微波功分器6的一路輸出作為數(shù)字鎖相環(huán)Il(PLL)的反饋信號(hào)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(jìn)行放大。微波功率放大器8可采用Min1-Circui ts公司的CMA-84+。階躍匹配電路9對放大后的微波信號(hào)進(jìn)行阻抗匹配，其輸出端作為本實(shí)用新型的最終輸出端連接到銣原子頻標(biāo)微波腔。
[0030]本實(shí)用新型的小數(shù)倍頻和直接調(diào)頻可以采用微控制器對HMC703進(jìn)行寄存器設(shè)置來實(shí)現(xiàn)。微控制器可以采用單片機(jī)10，它為Atmel公司的ATmegaS，負(fù)責(zé)對HMC703進(jìn)行寄存器設(shè)置和輸出用于同步檢波的參考信號(hào)。單片機(jī)與HMC703進(jìn)行SPI通訊，單片機(jī)10可通過設(shè)置HMC703內(nèi)部寄存器的值來設(shè)定N分頻器7的小數(shù)分頻比。本實(shí)用新型中，給N分頻器7的輸入信號(hào)是來自壓控振蕩器5(VC0)的反饋信號(hào)，它是帶有小數(shù)頻率的6834.6826MHz微波信號(hào)。該信號(hào)通過給N分頻器7設(shè)置小數(shù)分頻得到1MHz頻率信號(hào)，小數(shù)分頻比為683.46826，即該分頻比換算成HMC703所要求格式的數(shù)字值并可通過單片機(jī)10發(fā)送到HMC703內(nèi)對應(yīng)的寄存器。同時(shí)單片機(jī)10還對N分頻器7的輸出信號(hào)進(jìn)行FSK調(diào)制來實(shí)現(xiàn)對壓控振蕩器5(VC0)輸出的6834.6826MHz信號(hào)進(jìn)行調(diào)頻。實(shí)現(xiàn)的方法是，單片機(jī)7首先通過改寫寄存器06h的值將HMC703設(shè)置為“FM模式”，再將內(nèi)部的兩個(gè)小數(shù)寄存器04h、ODh分別設(shè)為6834.6826MHz頻率左右相同頻差的兩個(gè)頻率值，頻差反映調(diào)制深度的大小，同時(shí)，單片機(jī)10可輸出兩路頻率相同、相位相反的PWM方波信號(hào)，用于同步檢波。N分頻器7輸出的I OMHz調(diào)頻信號(hào)與1MHz參考信號(hào)在鑒相器2進(jìn)行鑒相，經(jīng)電荷栗3之后，經(jīng)過環(huán)路濾波器4進(jìn)行濾波，濾除信號(hào)中的高頻成分，得到的輸出電壓對壓控振蕩器5(VC0)進(jìn)行調(diào)頻。通過上述方法，壓控晶振的1MHz輸出信號(hào)倍頻到帶小數(shù)的6834.6826MHz中心頻率信號(hào)，并進(jìn)行了直接調(diào)頻。經(jīng)測試，該信號(hào)的調(diào)制頻率為136Hz，調(diào)制深度可設(shè)在150?240Hz范圍內(nèi)，功率為-20dBm左右，兩倍調(diào)制頻率處的相位噪聲達(dá)-88dBc/Hz，該信號(hào)進(jìn)行匹配后輸入銣原子頻標(biāo)的微波腔不需再進(jìn)行階躍倍頻，直接可用以激勵(lì)銣原子躍迀。上述對于HMC703進(jìn)行寄存器設(shè)置依據(jù)HMC703產(chǎn)品使用手冊進(jìn)行設(shè)置，不屬于方法的改進(jìn)。其他與實(shí)施例1 一致。
[0031]本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對本實(shí)用新型精神作舉例說明。本實(shí)用新型所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會(huì)偏離本實(shí)用新型的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于銣原子頻標(biāo)的數(shù)字鎖相調(diào)制倍頻器，包括1MHz壓控晶振，其特征在于，還包括R分頻器(I)、鑒相器(2)、電荷栗(3)、環(huán)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)與鑒相器(2)連接，鑒相器(2)與電荷栗(3)連接，電荷栗(3)依次通過環(huán)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(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于銣原子頻標(biāo)的數(shù)字鎖相調(diào)制倍頻器，其特征在于，所述的壓控振蕩器(5)輸出的455.64582MHz的微波信號(hào)，R分頻器(I)為I分頻，N分頻器(7)為.45.564582分頻。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于銣原子頻標(biāo)的數(shù)字鎖相調(diào)制倍頻器，其特征在于，所述的壓控振蕩器(5)輸出的6834.6826MHz的微波信號(hào)，R分頻器(I)為I分頻，N分頻器(7)為.683.46826分頻。
【文檔編號(hào)】H03L7/26GK205693648SQ201620588264
【公開日】2016年11月16日
【申請日】2016年6月16日 公開號(hào)201620588264.8, CN 201620588264, CN 205693648 U, CN 205693648U, CN-U-205693648, CN201620588264, CN201620588264.8, CN205693648 U, CN205693648U
【發(fā)明人】王晨, 閻世棟, 王鵬飛, 邱紫敬, 趙峰, 王芳, 祁峰, 明剛, 梅剛?cè)A
【申請人】中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所