一種用于銣原子頻標的數(shù)字鎖相調(diào)制倍頻器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于銣原子頻標的數(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。本發(fā)明具有結(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。
【專利說明】
一種用于銣原子頻標的數(shù)字鎖相調(diào)制倍頻器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及到銣原子頻標，具體涉及一種用于銣原子頻標的數(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。【背景技術(shù)】
[0002]原子頻標是利用原子的躍迀信號鎖定壓控晶振從而產(chǎn)生高穩(wěn)定時頻信號的設(shè)備， 在守時、授時、通信、導(dǎo)航等領(lǐng)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(jù)構(gòu)成單元的功能，銣原子頻標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10MHz輸出頻率9次倍頻到90MHz，同時10MHz信號輸入到頻率綜合器產(chǎn)生5.3125MHz小數(shù)頻率，90MHz與5.3125MHz兩個信號同時輸入到銣原子頻標內(nèi)量子系統(tǒng)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(yōu)點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綜合器來產(chǎn)生5.3125MHz的小數(shù)頻率信號，使電路的復(fù)雜程度增加。針對這種情況，出現(xiàn)了一種改進的電路方案，它采用對小數(shù)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(shù)晶振的制作成本高，且調(diào)節(jié)頻標標準輸出頻率信號的準確度比較困難。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種用于銣原子頻標的數(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。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):一種用于銣原子頻標的數(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，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。
[0007]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1分頻，N分頻器為45.564582分頻。
[0008]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1分頻，N分頻器為683.46826分頻。
[0009]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點:1、具有分辨率很高的小數(shù)頻率輸出能力。本發(fā)明把N分頻器內(nèi)插于數(shù)字鎖相環(huán)(PLL)， 倍頻輸出信號的分辨率由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暈赫茲水平。
[0010]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，因而可以實現(xiàn)鎖相環(huán)路的快速鎖定。
[0011]3、具有低相位噪聲本底和良好的雜散性能。本發(fā)明可以采用數(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，A - 2調(diào)制器模式的選擇和使用可以有效降低小數(shù)雜散。
[0012]4、電路結(jié)構(gòu)精簡。本發(fā)明可以采用的數(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(VC0)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。利用單片機對HMC703進行頻移鍵控(FSK)來實現(xiàn)對輸出的小數(shù)頻率微波信號的直接調(diào)頻，可省掉傳統(tǒng)的銣原子頻標中必需的專用調(diào)制頻率產(chǎn)生電路和調(diào)頻電路。[〇〇13]5、參數(shù)軟件設(shè)置、調(diào)試簡單易行。本發(fā)明通過單片機設(shè)定，既能夠控制輸入到微波腔內(nèi)6834MHz微波調(diào)頻信號的調(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)銣原子頻標輸出頻率的準確度。
[0014]6、輸入到銣原子頻標微波腔中的信號頻譜純度高。因為本發(fā)明把壓控晶振輸出的 10MHz信號直接倍頻調(diào)制到小數(shù)頻率455.64582MHz信號，該信號可直接進行15次階躍倍頻得到6834MHz調(diào)頻信號而無需傳統(tǒng)的尾數(shù)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(diào)制頻譜。
[0015]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(shù)n存在平方反比關(guān)系，即正比于l/n2。本發(fā)明把壓控晶振輸出的10MHz信號直接倍頻到帶小數(shù)頻率的455.64582MHz微波頻段信號，該信號輸入到微波腔后只需進行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(tǒng)90MHz的76次倍頻，具有倍頻次數(shù)低、倍頻效率高的優(yōu)點。
[0016]8、便于銣原子頻標小型化。本發(fā)明還具有集成度高、體積小、數(shù)字化程度高、易于調(diào)試等特點，適用于小型化銣原子頻標的規(guī)模化生產(chǎn)。【附圖說明】
[0017]圖1為一種用于銣原子頻標的數(shù)字鎖相調(diào)制倍頻器的電路方框圖。
[0018]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?！揪唧w實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0020]實施例1:如圖1可知，壓控晶振的10MHZ信號連接到R分頻器1的輸入端，在R分頻器中實現(xiàn)對參考頻率的整數(shù)R次分頻，在本發(fā)明中可為經(jīng)過1次分頻后輸出，連接鑒相器2的其中一個輸入端，作為鑒相參考信號，N分頻器7的輸出端連接鑒相器2的另一個輸入端，鑒相器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栗3的輸入端，電荷栗3將這個相位誤差信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘枺娏餍盘柾ㄟ^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進行濾波和積分，得到壓控振蕩器5 (VCO)的壓控信號，壓控信號通過環(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為軟件設(shè)定的小數(shù)分頻比)進行小數(shù)分頻得到用于比相的10MHz信號，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進行阻抗匹配后，即得到本發(fā)明的輸出信號。
[0021] 10MHz信號作為本發(fā)明的輸入信號源經(jīng)過R分頻器1后連接到鑒相器2的參考輸入端，鑒相器2的兩個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的輸出信號為反映鑒相器2的兩路10MHz輸入信號相位差的脈沖電流信號，有較強的負載驅(qū)動能力，故環(huán)路濾波器4采用無源三階濾波器濾掉電荷栗3輸出信號中的高頻成分，剩余的慢速信號輸入到壓控振蕩器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)制來實現(xiàn)對壓控振蕩器5 (VC0)輸出信號的調(diào)頻。[〇〇22] 實施例2: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，可滿足本發(fā)明的設(shè)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)ll(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，實際使用時可用以此方法調(diào)節(jié)本發(fā)明最終輸出信號的功率大小。階躍匹配電路9對放大后的微波信號進行阻抗匹配，其輸出端作為本發(fā)明的最終輸出端連接到銣原子頻標微波腔。[〇〇23]本發(fā)明的小數(shù)倍頻和直接調(diào)頻可以采用微控制器對HMC703進行寄存器設(shè)置來實現(xiàn)。微控制器可以采用單片機10,它為Atmel公司的ATmegaS，負責(zé)對HMC703進行寄存器設(shè)置和輸出用于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(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。本發(fā)明中，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(shù)頻率的455.64582MHz微波信號。該信號通過給N分頻器7設(shè)置小數(shù)分頻得到10MHz頻率信號，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10發(fā)送到HMC703內(nèi)對應(yīng)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(diào)制來實現(xiàn)對壓控振蕩器5(VC0)輸出的 455.64582MHz信號進行調(diào)頻。實現(xiàn)的方法是，單片機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頻率值，頻差反映調(diào)制深度的大小，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，用于同步檢波。N分頻器7輸出的1 OMHz調(diào)頻信號與1 OMHz參考信號在鑒相器2進行鑒相，經(jīng)電荷栗3之后，經(jīng)過環(huán)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(diào)頻。通過上述方法，壓控晶振的10MHz輸出信號倍頻到帶小數(shù)的455.64582MHz中心頻率信號，并進行了直接調(diào)頻。經(jīng)測試，該信號的調(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-llOdBc/Hz，滿足對進腔前微波信號的要求。其他與實施例1 一致。[〇〇24] 實施例3: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，可滿足本發(fā)明的設(shè)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)ll(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可采用Min1-Circuits公司的CMA-84+。階躍匹配電路9對放大后的微波信號進行阻抗匹配，其輸出端作為本發(fā)明的最終輸出端連接到銣原子頻標微波腔。[〇〇25]本發(fā)明的小數(shù)倍頻和直接調(diào)頻可以采用微控制器對HMC703進行寄存器設(shè)置來實現(xiàn)。微控制器可以采用單片機10,它為Atmel公司的ATmegaS，負責(zé)對HMC703進行寄存器設(shè)置和輸出用于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(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。本發(fā)明中，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(shù)頻率的6834.6826MHz微波信號。該信號通過給N分頻器7設(shè)置小數(shù)分頻得到10MHz頻率信號，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10發(fā)送到HMC703內(nèi)對應(yīng)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(diào)制來實現(xiàn)對壓控振蕩器5(VC0)輸出的 6834.6826MHz信號進行調(diào)頻。實現(xiàn)的方法是，單片機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頻率值，頻差反映調(diào)制深度的大小，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，用于同步檢波。N分頻器7輸出的10MHz調(diào)頻信號與10MHz參考信號在鑒相器2進行鑒相，經(jīng)電荷栗3之后，經(jīng)過環(huán)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(diào)頻。通過上述方法，壓控晶振的10MHz輸出信號倍頻到帶小數(shù)的6834.6826MHz中心頻率信號，并進行了直接調(diào)頻。經(jīng)測試，該信號的調(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-88dBc/Hz，該信號進行匹配后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。其他與實施例1 一致。
[0026]本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)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采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明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】
1.一種用于銣原子頻標的數(shù)字鎖相調(diào)制倍頻器，包括10MHz壓控晶振，其特征在于，還 包括R分頻器(1)、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(1)連接，R 分頻器(1)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，R分頻器(1)為1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，R分頻器(1)為1分頻，N分頻器(7)為 683.46826分頻。
【文檔編號】H03L7/26GK105978563SQ201610425026
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月16日
【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