CN101626239A

CN101626239A - 适合于芯片集成的被动型铷原子频标

Info

Publication number: CN101626239A
Application number: CN200810116396A
Authority: CN
Inventors: 曹晓东; 石寅
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2008-07-09
Filing date: 2008-07-09
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2028-07-09
Also published as: CN101626239B

Abstract

本发明公开了一种适合于芯片集成的被动型铷原子频标，包括量子系统、伺服电路、20MHz压控振荡器和第一2分频器；其中，量子系统由100MHz电离源、R_b ⁸⁷灯、R_b ⁸⁵滤光泡、谐振腔R_b ⁸⁷吸收泡以及光电检测电路构成；伺服电路由低噪声放大器、带通滤波器、缓冲器、模数转换器、控制器、数模转换器、比较器、锁相环电路、第二2分频器、DDS和混频器构成；其中锁相环电路包括342分频器、鉴频鉴相器、电荷泵、滤波器和6840MHz压控振荡器。利用本发明，极大的提高了被动型铷原子频标稳定性和相位噪声指标，降低了被动型铷原子频标的功耗，减小了被动型铷原子频标的重量和体积，便于被动型铷原子频标的芯片集成。

Description

适合于芯片集成的被动型铷原子频标

技术领域

本发明涉及铷原子频标的小型化技术领域，尤其涉及一种适合于芯片集成的被动型铷原子频标。

背景技术

原子频标是空间技术和授时系统的频率与时间基准。原子频标现已被广泛应用于卫星通信、导航、测量大陆漂移和地壳形变等技术领域中。自上世纪60年代，世界上第一台被动型铷原子频标诞生以来，铷原子频标凭借其与其他类型原子频标在体积、重量、功耗、结构等方面的优点，得到了迅速的发展和广泛的应用。

传统铷原子频标的伺服电路主要由模拟电路构成，因而具有体积大、功耗大、稳定度差、相位噪声大、不利于集成等缺点。传统被动型铷原子频标经压控振荡器输出信号的频率通过一个环路锁定在量子部分提供的标准频率上，从而使受控振荡器的频率准确度得以提高。

但是这种实时锁定的原子频标，环路噪声和干扰影响环路对高稳晶振的控制，以至于虽然这种铷原子频标的长期稳定度和准确度很高，但是他的短期稳定度和相位噪声指标在一定时间段内没有高稳晶振的高。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于，提供一种适合于芯片集成的被动型铷原子频标，以提高被动型铷原子频标的短期稳定度和相位噪声指标、降低被动型铷原子频标功耗、减小被动型铷原子频标的重量和体积和便于被动型铷原子频标的芯片集成。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种适合于芯片集成的被动型铷原子频标，该被动型铷原子频标包括量子系统、伺服电路、20MHz压控振荡器和第一2分频器；其中，量子系统由100MHz电离源、R_b ⁸⁷灯、R_b ⁸⁵滤光泡、谐振腔R_b ⁸⁷吸收泡以及光电检测电路构成；伺服电路由低噪声放大器、带通滤波器、缓冲器、模数转换器、控制器、数模转换器、比较器、锁相环电路、第二2分频器、直接数字频率合成器(DDS)和混频器构成；其中锁相环电路包括342分频器、鉴频鉴相器、电荷泵、滤波器和6840MHz压控振荡器。

上述方案中，所述20MHz压控振荡器的输出信号被送给伺服电路中的比较器，比较器的第一路输出信号经第二2分频器分频后被送给控制器，作为控制器的时钟参考信号；比较器的第二路输出信号被送给直接数字频率合成器作为直接数字频率合成器的频率合成参考信号；比较器的第三路输出信号被送给锁相环电路作为频率合成参考信号，经过锁相环电路342倍频后得到6840MHz的微波信号，该6840MHz微波信号与直接数字频率合成器输出的带调制的5.3125MHz信号在混频器中混频，得到带调制的6834.6875MHz探询信号，并输出给量子系统；量子系统在该探询信号的控制下输出周期性的下沉信号给伺服电路，该下沉信号在伺服电路中经过放大、滤波、缓冲后送给模数转换器转换为数字信号；该数字信号在控制器内经过同步检波、低通滤波以及直流幅度值调整后得到直流值送给数模转换器转换为模拟信号，并输出给20MHz压控振荡器，控制20MHz压控振荡器输出稳定的20MHz信号，该20MHz信号经过第一2分频器分频后，输出10MHz的方波信号，该10MHz的方波信号即为铷原子频标的输出。

上述方案中，所述R_b ⁸⁷灯在100MHz电离源的激励下发光并产生多种能级之间的跃迁谱线，经过R_b ⁸⁵滤光泡以后，仅有一根光谱线照射到充有R_b ⁸⁷谐振腔R_b ⁸⁷吸收泡上，使谐振腔R_b ⁸⁷吸收泡内R_b ⁸⁷原子在相关能级间产生有规律的跃迁，最终将原子全部聚集到所需的能级上，实现光抽运；在C场的作用下，R_b ⁸⁷原子能级产生超精细分裂，其中F＝2，M_F＝0和F＝1，M_F＝0两个塞曼能级受外界影响最小，其间跃迁谱线的频率最稳定，微调C场，使其中心频率为f_r＝6834.6875MHz；当电路部分的微波调频信号f_m加到吸收泡上后，外加能量使R_b ⁸⁷原子跃迁周而复始地进行，产生R_b ⁸⁷原子的他激励跃迁震荡，跃迁吸收线又对f_m频偏进行鉴频，受照光电检测器的体电阻随着通过谐振腔R_b ⁸⁷吸收泡的那根谱线的光强而变化，并输出相应的电压信号。

上述方案中，所述伺服电路中的低噪声放大器输出本底噪声小于10mV、闭环增益通过外部反馈电阻可调、范围为100至5000。

上述方案中，所述伺服电路中的直接数字频率合成器输出带方波调制的5.3125MHz正弦信号，方波调制频率79至400Hz，最大输出功率0dBm/50Ω，输出不允许单向漂移的功率波动小于等于0.01dB/s，要求可键控调频，调制深度可调范围150至2000Hz，步进10Hz，中心频率可调范围±50KHz，步进1mHz。

上述方案中，所述伺服电路中的控制器，其程序可改写，数据可保存并掉电恢复，具有完备指令集。

上述方案中，所述伺服电路中的数模转换器，采用串行输入的22位sigma-delta数模转换器。

上述方案中，所述伺服电路中的混频器，输出信号的微波中心频率附加边带小于-70dBc。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、利用本发明，可以将伺服电路集成到一块芯片中，从而极大的提高了被动型铷原子频标稳定性，降低了被动型铷原子频标的功耗，减小了被动型铷原子频标的重量和体积，提高了被动型铷原子频标的短期稳定度，具有极大的理论价值和实际应用价值。

2、本发明提供的这种适合于芯片集成的被动型铷原子频标，摒弃了现有铷频标中采用的阶跃倍频方式，而是采用锁相环将20MHz信号升频到6840MHz微波信号。该方案已经通过了系统验证，并已将部分伺服电路集成于一个芯片中。通过一个具有两个32位寄存器和调频时相位连续的直接数字频率合成器来提供一个小调频的5.3125MHz信号，简化了调制电路，从而更便于伺服系统的芯片集成。通过锁相环(PLL)来实现微波倍频，得到6840MHz的微波信号。通过将伺服电路集成到一个芯片上，可以极大的减小伺服系统的体积、降低系统的功耗、提高系统的稳定度。

3、本发明提供的这种适合于芯片集成的被动型铷原子频标，由量子系统、20MHz压控振荡器和伺服电路构成的闭合回路动态稳定于一个工作点，从而使压控振荡器输出信号也动态稳定于20MHz。

附图说明

下面结合实例及附图进一步对本发明的技术内容进行说明，其中：

图1是本发明提供的适合于芯片集成的被动型铷原子频标结构框图；

图2是CMOS低噪声放大器的电路图；

图3是CMOS迟滞比较器的电路图；

图4是伺服电路芯片版图照片。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，图1是本发明提供的适合于芯片集成的被动型铷原子频标结构框图，该被动型铷原子频标包括量子系统、伺服电路、20MHz压控振荡器和第一2分频器；其中，量子系统由100MHz电离源、R_b ⁸⁷灯、R_b ⁸⁵滤光泡、谐振腔R_b ⁸⁷吸收泡以及光电检测电路构成；伺服电路由低噪声放大器、带通滤波器、缓冲器、模数转换器、控制器、数模转换器、比较器、锁相环电路、第一2分频器、直接数字频率合成器DDS和混频器构成；其中锁相环电路包括342分频器、鉴频鉴相器、电荷泵、滤波器和6840MHz压控振荡器。图4示出了伺服电路芯片版图照片。

所述20MHz压控振荡器的输出信号被送给伺服电路中的比较器，比较器的第一路输出信号经第二2分频器分频送给控制器，作为控制器的时钟参考信号；比较器的第二路输出信号被送给直接数字频率合成器，作为直接数字频率合成器的频率合成参考信号；比较器的第三路输出信号被送给锁相环电路作为频率合成参考信号，经过锁相环电路342倍频后得到6840MHz的微波信号，该6840MHz微波信号与直接数字频率合成器输出的带调制的5.3125MHz信号在混频器中混频，得到带调制的6834.6875MHz探询信号，并输出给量子系统；量子系统在该探询信号的控制下输出周期性的下沉信号给伺服电路，该下沉信号在伺服电路中经过放大、滤波、缓冲后送给模数转换器转换为数字信号；该数字信号在控制器内经过同步检波、低通滤波以及直流幅度值调整后得到直流值送给数模转换器转换为模拟信号，并输出给20MHz压控振荡器，控制20MHz压控振荡器输出稳定的20MHz信号，该20MHz信号经过第一2分频器分频后，输出10MHz的方波信号，该10MHz的方波信号即为铷原子频标的输出。

量子系统由100MHz电离源、R_b ⁸⁷灯、R_b ⁸⁵滤光泡、谐振腔R_b ⁸⁷吸收泡、光电检测电路以及恒温控制、电磁屏蔽和C场调节构成。R_b ⁸⁷灯在100MHz电离源的激励下发光并产生多种能级之间的跃迁谱线，经过R_b ⁸⁵滤光泡以后，仅有一根光谱线照射到充有R_b ⁸⁷谐振腔R_b ⁸⁷吸收泡上，使谐振腔R_b ⁸⁷吸收泡内R_b ⁸⁷原子在相关能级间产生有规律的跃迁，最终将原子全部聚集到所需的能级上，实现光抽运。在C场的作用下，R_b ⁸⁷原子能级产生超精细分裂，其中F＝2，M_F＝0和F＝1，M_F＝0两个塞曼能级受外界影响最小，其间跃迁谱线的频率最稳定，微调C场，使其中心频率为f_r＝6834.6875MHz。当电路部分的微波调频信号f_m加到吸收泡上后，外加能量使R_b ⁸⁷原子跃迁周而复始地进行，产生R_b ⁸⁷原子的他激励跃迁震荡，跃迁吸收线又对f_m频偏进行鉴频，受照光电检测器的体电阻随着通过谐振腔R_b ⁸⁷吸收泡的那根谱线的光强而变化，并输出相应的电压信号。恒温控制用于控制R_b ⁸⁷灯和谐振腔R_b ⁸⁷吸收泡的温度保持恒定。电磁屏蔽就是将谐振腔R_b ⁸⁷吸收泡放入镍铁合金壳来屏蔽外部磁场，以降低外部磁场对频率的下拉作用。

经量子系统鉴频后输出的电压信号，被送给图2所示的两级低噪声运算放大器放大，转变为峰峰值小于1V且与调制信号近乎同步的信号。铷原子跃迁时对应运放输出端会有下沉信号输出。

低噪声放大器输出的电压信号经滤波、缓冲后被输送给12位的模数转换器，从而将其转换为相应的数字信号。低噪声放大器输出本底噪声小于10mV、闭环增益通过外部反馈电阻可调、范围为100至5000。

控制器将对应于70Hz或者140Hz的频率正弦(或者余弦)的表数据乘上模数转换器的抽样数据来对模数转换器的抽样数据进行鉴频鉴相。将14个调制周期乘积数据作为一帧进行加和，这可以完全地从误差信号中消除5Hz的信号成分(以及5Hz的任何整数倍的信号成分，包括50Hz，60Hz，70Hz以及140Hz)，这样在10MHz输出中将没有在调制频率处的毛刺。检测得到的70Hz、零相位信号的乘积的和，经一个简单的一级无限冲激响应数字滤波器滤波后被用于锁频20MHz震荡器到铷原子超精细跃迁频率。

图3是CMOS迟滞比较器的电路图。比较器采用迟滞比较器结构，从而减小比较器输出在比较门限处的毛刺。比较器输出的一路方波信号经分频后被送给控制器作为时钟参考信号，比较器输出的另一路方波信号被送给直接数字频率合成器作为频率合成参考信号。由于其分频电路完全由数字电路构成，故易于采用CMOS集成电路实现。

比较器输出的20MHz方波信号被输送给直接数字频率合成器作为频率合成参考信号。在控制器的控制下直接数字频率合成器输出小调频的5.3125MHz信号。该数字频率合成器主要由两个32位相位累加器、一个采用正弦对称技术、modified Sunderland技术、正弦相位差技术、四线逼近技术以及量化和误差ROM技术等压缩技术的正弦ROM和一个10位的电流驱动型数模转换器构成。

20MHz VCO输出经锁相环倍频后，得到6840MHz的微波信号，该信号再与直接数字频率合成器输出的小调频的5.3125MHz信号在混频器中混频，得到带调制的6834.6875MHz微波探询信号来驱动铷原子频标的量子系统输出带有铷原子跃迁信息的信号。该信号再被送给低噪声运算放大器，如此周而复始，整个闭环系统动态平衡，从而得到一个由铷原子鉴频，由伺服电路来调整的动态稳定的闭环系统。由于该系统的伺服电路大量采用数字电路实现，因而非常利于芯片集成。

20MHz压控振荡器输出的20MHz信号经过第一2分频器分频后，输出10MHz的方波信号，该10MHz的方波信号即为铷原子频标的输出。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1、一种适合于芯片集成的被动型铷原子频标，其特征在于，该被动型铷原子频标包括量子系统、伺服电路、20MHz压控振荡器和第一2分频器；其中，量子系统由100MHz电离源、R_b ⁸⁷灯、R_b ⁸⁵滤光泡、谐振腔R_b ⁸⁷吸收泡以及光电检测电路构成；伺服电路由低噪声放大器、带通滤波器、缓冲器、模数转换器、控制器、数模转换器、比较器、锁相环电路、第一2分频器、直接数字频率合成器DDS和混频器构成；其中锁相环电路包括342分频器、鉴频鉴相器、电荷泵、滤波器和6840MHz压控振荡器。

2、根据权利要求1所述的适合于芯片集成的被动型铷原子频标，其特征在于，所述20MHz压控振荡器的输出信号被送给伺服电路中的比较器，比较器的第一路输出信号经第二2分频器分频后被送给控制器，作为控制器的时钟参考信号；比较器的第二路输出信号被送给数字频率合成器作为频率合成参考信号；比较器的第三路输出信号被送给锁相环电路作为频率合成参考信号，经过锁相环电路342倍频后得到6840MHz的微波信号，该6840MHz微波信号与直接数字频率合成器输出的带调制的5.3125MHz信号在混频器中混频，得到带调制的6834.6875MHz探询信号，并输出给量子系统；量子系统在该探询信号的控制下输出周期性的下沉信号给伺服电路，该下沉信号在伺服电路中经过放大、滤波、缓冲后送给模数转换器转换为数字信号；该数字信号在控制器内经过同步检波、低通滤波以及直流幅度值调整后得到直流值送给数模转换器转换为模拟信号，并输出给20MHz压控振荡器，控制20MHz压控振荡器输出稳定的20MHz信号，该20MHz信号经过第一2分频器分频后，输出10MHz的方波信号，该10MHz的方波信号即为铷原子频标的输出。

3、根据权利要求1或2所述的适合于芯片集成的被动型铷原子频标，其特征在于，所述R_b ⁸⁷灯在100MHz电离源的激励下发光并产生多种能级之间的跃迁谱线，经过R_b ⁸⁵滤光泡以后，仅有一根光谱线照射到充有R_b ⁸⁷谐振腔R_b ⁸⁷吸收泡上，使谐振腔R_b ⁸⁷吸收泡内R_b ⁸⁷原子在相关能级间产生有规律的跃迁，最终将原子全部聚集到所需的能级上，实现光抽运；在C场的作用下，R_b ⁸⁷原子能级产生超精细分裂，其中F＝2，M_F＝0和F＝1，M_F＝0两个塞曼能级受外界影响最小，其间跃迁谱线的频率最稳定，微调C场，使其中心频率为f_r＝6834.6875MHz；当电路部分的微波调频信号f_m加到吸收泡上后，外加能量使R_b ⁸⁷原子跃迁周而复始地进行，产生R_b ⁸⁷原子的他激励跃迁震荡，跃迁吸收线又对f_m频偏进行鉴频，受照光电检测器的体电阻随着通过谐振腔R_b ⁸⁷吸收泡的那根谱线的光强而变化，并输出相应的电压信号。

4、根据权利要求1或2所述的适合于芯片集成的被动型铷原子频标，其特征在于，所述伺服电路中的低噪声放大器输出本底噪声小于10mV、闭环增益通过外部反馈电阻可调、范围为100至5000。

5、根据权利要求1或2所述的适合于芯片集成的被动型铷原子频标，其特征在于，所述伺服电路中的直接数字频率合成器输出带方波调制的5.3125MHz正弦信号，方波调制频率79至400Hz，最大输出功率0dBm/50Ω，输出不允许单向漂移的功率波动小于等于0.01dB/s，要求可键控调频，调制深度可调范围150至2000Hz，步进10Hz，中心频率可调范围±50KHz，步进1mHz。

6、根据权利要求1或2所述的适合于芯片集成的被动型铷原子频标，其特征在于，所述伺服电路中的控制器，其程序可改写，数据可保存并掉电恢复，具有完备指令集。

7、根据权利要求1或2所述的适合于芯片集成的被动型铷原子频标，其特征在于，所述伺服电路中的数模转换器，采用串行输入的22位sigma-delta数模转换器。

8、根据权利要求1或2所述的适合于芯片集成的被动型铷原子频标，其特征在于，所述伺服电路中的混频器，输出信号的微波中心频率附加边带小于-70dBc。