CN105375922A - 一种用于微型原子钟的微波信号源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微型原子钟的微波信号源，由10MHz晶振、倍频器、衰减器、微控制单元和高稳参考电压组成；倍频器采用基于Σ-Δ调制技术的锁相倍频芯片，其内部集成有压控晶振，进行一次倍频即可得到需要的微波频率，并可通过软件设计周期性改变倍频器的倍频系数实现FSK调制；锁相环芯片微波输出端采用T型功率分配器4进行功率分配，与压控的微波功率衰减器配合能更好地控制微波功率的大小；高稳参考电压为微控制单元内置和外置D/A转换器提供稳定的参考电压，提高D/A转换器输出电压的稳定性；环路滤波器输出端加入缓冲电路，提高了电路的抗干扰性，同时微控制单元输出周期性方波通过缓冲电路后能够为微波信号提供方波调制。

Description

一种用于微型原子钟的微波信号源

技术领域

本发明涉及量子技术领域，尤其涉及一种用于微型原子钟的微波信号源。

背景技术

微波信号源是微型原子钟的重要组成部分，目前常见的微型原子钟主要有微型铷原子钟和微型CPT原子钟，其中微型铷原子钟所需微波频率为6.8GHz，CPT铯原子钟所需微波频率为4.6GHz，CPT铷原子钟所需微波频率为3.4GHz。传统模拟倍频技术设计的微波信号源尺寸大、功耗高，不适用于微型化原子钟。数字锁相环倍频技术在尺寸、功耗、调试方便性等方面较传统模拟倍频技术有大幅改善，被广泛应用于各类微型原子钟，但目前该技术通常采用分离的VCO和锁相环芯片，且通常还需加入频率综合(如DDS)以得到精确小数频率，增大了电路尺寸、功耗和复杂度。此外，由于VCO输出端的微波信号需要反馈至锁相环的微波输入端，因此VCO输出端的微波功率分配与阻抗匹配也非常重要，直接影响微波信号源输出微波功率的大小，因此需要对VCO输出端设计功率分配器，有效提高微波信号源输出微波功率的可调性。

发明内容

针对微型原子钟的需求和目前基于数字锁相环倍频技术的微波信号源的不足，本发明提供了一种用于微型原子钟的微波信号源，仅用一步实现10MHz至需要频率的精确倍频，简化了倍频电路，同时VCO输出端设计有功率分配器，有效提高输出微波功率的可调性。

一种用于微型原子钟的微波信号源，包括微控制单元(1)、10MHz晶振(2)、锁相环芯片(3)、T型功率分配器(4)、环路滤波器(5)、压控衰减器(7)、D/A转换器(8)和高稳参考电压源(9)；

所述10MHz晶振(2)的压控端与所述微控制单元(1)内置的数模转换器DAC输出端连接，接收微控制单元(1)的调节信号，用以调节输出的基准信号频率；所述10MHz晶振(2)向所述锁相环芯片(3)输出所述基准信号；

所述锁相环芯片(3)依据从微控制单元(1)接收的倍频倍数对所述基准信号进行倍频，以此产生需要频率的微波信号；还对该基准信号按照设定的分频系数r进行分频处理；

所述T型功率分配器(4)接收锁相环芯片(3)产生的微波信号，并将该微波信号根据锁相环微波输入端所需的微波功率大小确定功率分配的比例，将其中一部分微波信号送回锁相环芯片(3)微波输入端，将另一部分信号送入压控衰减器(7)；

所述压控衰减器(7)根据所述D/A转换器(8)的控制，将输出微波信号的功率调整至用户需要的范围；其中，所述微控制单元(1)调整D/A转换器(8)的输出电压，调节压控衰减器(7)的衰减系数；

所述锁相环芯片(3)对送回到锁相环芯片(3)微波输入端的微波信号根据设定的分频系数n进行分频处理；锁相环芯片(3)将分频后的微波信号与分频后的基准信号进行相位比较，产生表征两者相位大小关系的电流信号，定义为第二鉴频信号；其中分频系数n与分频系数r的比值等于所述的倍频倍数；

所述环路滤波器(5)将第二鉴频信号进行滤波处理后，再送回锁相环芯片(3)的压控晶振VCO端口，压控晶振VCO根据该第二鉴频信号对产生的微波信号进行频率调整后再输出至T型功率分配器(4)；

所述微控制单元(1)根据用户选择的调制方式驱动锁相环芯片(3)对微波信号的调制：所述调制方式包括周期变换倍频倍数调制和方波调制；其中，当采用倍频倍数的方式时：发送的倍频倍数取两种数值，微控制单元(1)将该两种倍频倍数交替发送给锁相环芯片(3)，其交替发送频率根据微波信号被调制频率决定；当采用方波进行调制时，微控制单元(1)向锁相环芯片(3)发送固定的倍频倍数，锁相环芯片(3)产生相应频率的微波信号后，通过所述方波对微波信号进行调制后输出；

所述高稳参考电压源(9)用于对微控制单元(1)的DAC以及外置的DA转换器提供数字-模拟电压转换时的精确参考电压。

进一步的，还包括缓冲电路(6)，该缓冲电路(6)的两个输入端分别与环路滤波器(5)输出端和微控制芯片的功能引脚连接，将环路滤波器(5)输出的第二鉴频信号与微控制单元(1)输出的方波进行隔离；

较佳的，所述缓冲电路(6)由跟随器电路和加法器电路构成。

较佳的，所述接收微控制单元(1)输出调节信号以调节输出的基准信号的频率的方式为：为控制单元接收外部的鉴频信号，依据规定的零点对该鉴频信号进行判断：当鉴频信号在零点之上，控制10MHz晶振(2)压控端电压，使之降低输出频率；反之，提高输出频率，从而实现对10MHz晶振(2)输出频率的调节。

较佳的，T型功率分配器(4)由微带线和微波电容、电感结合实现，两个输出支路根据需要的微波功率大小确定设计参数。

较佳的，所述两种数值的倍频倍数之间的区别是整数部分相同，小数部分不同。

本发明具有如下有益效果：

(1)简化电路，减小尺寸，降低功耗。VCO、Σ-Δ调制器和鉴相器均集成在数字锁相环芯片内部，一次倍频实现微波频率的制备，有效减小了微波信号源尺寸和功耗。

(2)软件控制，调试方便。微波信号源各功能模块均由软件控制，输出微波信号的频率、功率、调制频率和深度等均可通过软件调节，电路调试更方便，提高微型原子钟的研制效率。

(3)锁相环芯片的微波输出端采用T型功率分配器进行设计，能够根据需要有效调节流入衰减器的微波功率，配合衰减器增加微波信号源输出功率的可调性。

(4)微控制单元除可通过软件设置控制锁相环倍频系数外，还有功能引脚通过缓冲电路与数控锁相环芯片的VCO压控端相连，能够方便地提供两种信号调制方法，可根据需要和调试效果任意选取。

(5)设计有高稳参考电压模块，为D/A转换器提供精确的参考电压，使微控制单元对输出微波功率和10MHz的频率控制更稳定，提高原子钟的性能。

附图说明

图1为本发明的一种用于微型原子钟的微波信号源的原理框图。

其中，1-微控制单元，2-10MHz晶振，3-数字锁相环芯片，4-T型功率分配器，5-环路滤波器，6-缓冲电路，7-压控衰减器，8-D/A转换器，9-高稳参考电压源。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的一种用于微型原子钟的微波信号源，包括微控制单元1、10MHz晶振2、锁相环芯片3、T型功率分配器4、环路滤波器5、压控衰减器7、DA转换器(8)和高稳参考电压(9)。采用微控制芯片作微控制单元1，倍频器核心为数字锁相环芯片3，内部集成有VCO、Σ-Δ调制器和鉴相器，衰减器为压控衰减器7。微波信号源在微控制单元1的控制下工作，10MHz信号由数控锁相环芯片3倍频得到所需频率的微波信号后经衰减器进行功率调节后输出，锁相环芯片3的倍频倍数和衰减器的衰减系数由微控制芯片通过软件进行设定。还对该基准信号按照设定的分频系数r进行分频处理。

上述方案中，10MHz晶振2的压控端与微控制单元1的内置的数模转换器(DAC)输出端连接，微控制单元1接收外部的鉴频信号，依据规定的零点对该鉴频信号进行判断：当鉴频信号在零点之上，控制10MHz晶振2压控端电压，使之降低输出频率；反之，提高输出频率，从而实现对10MHz晶振2输出频率的调节。

10MHz晶振2的输出端与锁相环芯片3的基准信号输入端连接，锁相环芯片3将从10MHz晶振2接收的频率信号进行倍频产生需要频率的微波信号。其中，倍频倍数由微控制单元1输送。

微控制单元1根据用户选择的调制方式对锁相环芯片3对微波信号进行调制，一种调制方式是向锁相环芯片3发送周期变换倍频倍数，另一种调制方式是发送调制方波；其中，当采用倍频倍数的方式进行微波信号调制时：该倍频倍数取两种数值，具体区别是整数部分相同，小数部分不同，微控制单元1将该两种倍频系数交替发送给锁相环芯片3，其交替发送频率即决定微波信号的调制频率。当采用调制方波进行调制时，微控制单元1向锁相环芯片3发送固定的倍频倍数，产生相应频率的微波信号后，通过调制方波进行调制，由此实现两种调制方式。

锁相环芯片3的微波信号输出端与T型功率分配器4的输入端连接，T型功率分配器4的两个输出端分别与锁相环芯片3的微波信号输入端和压控衰减器7连接；T型功率分配器4根据锁相环微波输入端所需的微波功率大小确定功率分配的比例，将其中一部分微波信号送回锁相环芯片3微波输入端，将另一部分信号送入压控衰减器7。其中，T型功率分配器4由微带线和微波电容、电感结合实现，两个输出支路根据需要的微波功率大小确定设计参数。

锁相环芯片3对送回到锁相环芯片3微波输入端的微波信号根据设定的分频系数n进行分频处理；其中分频系数n与分频系数r的比值等于所述的倍频倍数。锁相环芯片3中内置的鉴相器将分频后的微波信号与分频后的基准信号进行相位比较，产生表征两者相位大小关系的电流信号，定义为第二鉴频信号；环路滤波器5将第二鉴频信号进行滤波处理后，再送回锁相环芯片3的压控晶振(VCO)端口，VCO根据该第二鉴频信号对产生的微波信号进行频率调整后再输出至T型功率分配器4。如此循环调整，当微波信号达到稳定后，分频后的微波信号与分频后的基准信号频率基本保持一致。

压控衰减器7为电压控制的贴片封装微波衰减器，通过微控制单元1精确调整D/A转换器8的输出电压，调节压控衰减器7的衰减系数，控制输出微波信号的功率。

高稳参考电压源9用于对微控制单元1的DAC以及外置的DA转换器提供数字-模拟电压转换时的精确参考电压。

缓冲电路6的两个输入端分别于环路滤波器5输出端和微控制芯片的功能引脚连接，能够将环路滤波器5输出的第二鉴频信号与微控制单元1输出的调制方波进行隔离，实现对微波信号的调制并防止不同模块信号的干扰。缓冲电路6由跟随器电路和加法器电路构成，避免前级信号对后级信号的干扰。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于微型原子钟的微波信号源，其特征在于，包括微控制单元(1)、10MHz晶振(2)、锁相环芯片(3)、T型功率分配器(4)、环路滤波器(5)、压控衰减器(7)、D/A转换器(8)和高稳参考电压源(9)；

所述10MHz晶振(2)的压控端与所述微控制单元(1)内置的数模转换器DAC输出端连接，接收微控制单元(1)的调节信号，用以调节输出的基准信号频率；所述10MHz晶振(2)向所述锁相环芯片(3)输出所述基准信号；

所述锁相环芯片(3)依据从微控制单元(1)接收的倍频倍数对所述基准信号进行倍频，以此产生需要频率的微波信号；还对该基准信号按照设定的分频系数r进行分频处理；

所述T型功率分配器(4)接收锁相环芯片(3)产生的微波信号，并将该微波信号根据锁相环微波输入端所需的微波功率大小确定功率分配的比例，将其中一部分微波信号送回锁相环芯片(3)微波输入端，将另一部分信号送入压控衰减器(7)；

所述压控衰减器(7)根据所述D/A转换器(8)的控制，将输出微波信号的功率调整至用户需要的范围；其中，所述微控制单元(1)调整D/A转换器(8)的输出电压，调节压控衰减器(7)的衰减系数；

所述锁相环芯片(3)对送回到锁相环芯片(3)微波输入端的微波信号根据设定的分频系数n进行分频处理；锁相环芯片(3)将分频后的微波信号与分频后的基准信号进行相位比较，产生表征两者相位大小关系的电流信号，定义为第二鉴频信号；其中分频系数n与分频系数r的比值等于所述的倍频倍数；

所述环路滤波器(5)将第二鉴频信号进行滤波处理后，再送回锁相环芯片(3)的压控晶振VCO端口，压控晶振VCO根据该第二鉴频信号对产生的微波信号进行频率调整后再输出至T型功率分配器(4)；

所述微控制单元(1)根据用户选择的调制方式驱动锁相环芯片(3)对微波信号的调制：所述调制方式包括周期变换倍频倍数调制和方波调制；其中，当采用倍频倍数的方式时：发送的倍频倍数取两种数值，微控制单元(1)将该两种倍频倍数交替发送给锁相环芯片(3)，其交替发送频率根据微波信号被调制频率决定；当采用方波进行调制时，微控制单元(1)向锁相环芯片(3)发送固定的倍频倍数，锁相环芯片(3)产生相应频率的微波信号后，通过所述方波对微波信号进行调制后输出；

所述高稳参考电压源(9)用于对微控制单元(1)的DAC以及外置的DA转换器提供数字-模拟电压转换时的精确参考电压。

2.如权利要求1所述的一种用于微型原子钟的微波信号源，其特征在于，还包括缓冲电路(6)，该缓冲电路(6)的两个输入端分别与环路滤波器(5)输出端和微控制芯片的功能引脚连接，将环路滤波器(5)输出的第二鉴频信号与微控制单元(1)输出的方波进行隔离。

3.如权利要求2所述的一种用于微型原子钟的微波信号源，其特征在于，所述缓冲电路(6)由跟随器电路和加法器电路构成。

4.如权利要求1所述的一种用于微型原子钟的微波信号源，其特征在于，所述接收微控制单元(1)输出调节信号以调节输出的基准信号的频率的方式为：为控制单元接收外部的鉴频信号，依据规定的零点对该鉴频信号进行判断：当鉴频信号在零点之上，控制10MHz晶振(2)压控端电压，使之降低输出频率；反之，提高输出频率，从而实现对10MHz晶振(2)输出频率的调节。

5.如权利要求1所述的一种用于微型原子钟的微波信号源，其特征在于，T型功率分配器(4)由微带线和微波电容、电感结合实现，两个输出支路根据需要的微波功率大小确定设计参数。

6.如权利要求1所述的一种用于微型原子钟的微波信号源，其特征在于，所述两种数值的倍频倍数之间的区别是整数部分相同，小数部分不同。