CN105634483A - 一种用于汞离子微波频标的毫米波频率源 - Google Patents

一种用于汞离子微波频标的毫米波频率源 Download PDF

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赵环
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Abstract

本发明公开了一种用于汞离子微波频标的毫米波频率源，该频率源包括参考信号输入接口、第一锁相环路、第二锁相环路、谐波产生器、倍频器、直接数字频率合成器和谐波混频器。本发明所述技术方案充分地利用了各个振荡器在不同频偏处的相位噪声特性，使得毫米波频率源的输出信号具有最佳相噪。

Description

一种用于汞离子微波频标的毫米波频率源
技术领域
本发明涉及一种毫米波频率源，特别是涉及一种用于汞离子微波频标的毫米波频率源。
背景技术
汞离子微波频标是一种新型频标，采用了不同于氢、铷、铯等传统原子频标的全新工作原理。其具有基本不受实物粒子和外场的扰动，运动效应小和量子态相干时间长等内在特点，谱线宽度极窄，各种频移很小。汞离子微波频标具有以上优点的原因之一是汞离子的超精细分裂较大，为40.50734799GHz，频率高，Q值大，对磁场变化不敏感。40.50734799GHz低相噪毫米波频率源的研制成为汞离子微波频标的最关键技术之一。
目前国内进行汞离子微波频标的研究时，一般采用Agilent生产的E8257D进行微波探测实验，这存在以下问题：1.Agilent公司的E8257D是一个宽带微波源，因此在40.5GHz附近的相噪不是太理想；2.利用E8257D进行预研实验基本可满足初期需求，但是不利于汞离子微波频标的闭环集成及小型化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供种用于汞离子微波频标的超低相位噪声的毫米波频率源，用以解决目前汞离子微波频标的系统集成及小型化等问题。
为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：
一种用于汞离子微波频标的毫米波频率源，该频率源包括
参考信号输入接口；
第一锁相环路，基于外部信号源输入的10MHz参考信号，输出100MHz参考信号；
第二锁相环路，基于第一锁相环路输出的10MHz参考信号，输出两路1GHz参考信号；
谐波产生器，基于第一路1GHz参考信号，输出20GHz信号；
倍频器，基于第二路1GHz参考信号，输出2GHz信号；
直接数字频率合成器，将倍频器输出的2GHz作为参考信号，输出507.34799MHz信号；
谐波混频器，将所述20GHz信号和所述507.34799MHz信号混频，输出带宽为1MHz的40.50734799GHz信号。
优选的，所述第一锁相环路包括：
100MHz压控晶体振荡器，输出100MHz信号，或基于第一误差电压信号输出100MHz参考信号；
第一分频器，对100MHz压控晶体振荡器输出的100MHz信号进行10分频处理；
第一鉴相器，将分频后的100MHz信号与10MHz参考信号进行比较，输出第一误差电压信号。
优选的，所述第二锁相环路包括：
1GHz压控声表振荡器，输出1GHz信号，或基于第二误差电压信号输出1GHz参考信号；
第二分频器，对1GHz压控声表振荡器输出的1GHz信号进行分频处理；
第二鉴相器，将分频后的1GHz信号与100MHz参考信号进行比较，输出第二误差电压信号。
优选的，该频率源进一步包括设置在谐波产生器和谐波混频器之间的放大滤波模块。
优选的，该频率源进一步包括设置在谐波混频器输出端的滤波器。
优选的，该频率源进一步包括用于产生10MHz参考信号的恒温晶体振荡器。
本发明的有益效果如下：
本发明所述技术方案优点在于：
1、分别通过锁相环路A和锁相环路B将10MHz恒温晶体振荡器、100MHz压控晶体振荡器和1GMHz压控声表振荡器结合在一起，充分地利用了各个振荡器在不同频偏处的相位噪声特性，使得毫米波频率源的输出信号具有最佳相噪。
2、汞离子微波频标毫米波频率源的相噪指标优于Agilent生产的E8257D。输出信号为40.5GHz时，带宽1MHz，频偏1Hz处的相位噪声小于-42dBc/Hz，频偏10Hz处的相位噪声小于-60dBc/Hz，频偏100Hz处的相位噪声小于-80dBc/Hz，频偏1kHz处的相位噪声小于-103dBc/Hz，频偏10kHz处的相位噪声小于-111dBc/Hz，频偏100kHz处的相位噪声小于-111dBc/Hz。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；
图1示出本发明所述一种用于汞离子微波频标的毫米波频率源的示意图。
附图标号
1、10MHz恒温晶体振荡器，2、第一鉴相器，3、100MHz压控晶体振荡器，4、第一分频器，5、第一锁相环路，6、第二鉴相器，7、1GHz压控声表振荡器，8、第二分频器，9、第二锁相环路，10、谐波产生器，11、放大滤波模块，12、谐波混频器，13、滤波器，14、倍频器，15、直接数字频率合成器DDS，
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明公开了一种用于汞离子微波频标的毫米波频率源，该频率源包括参考信号输入接口、第一锁相环路5、第二锁相环路9、谐波产生器10、倍频器15、直接数字频率合成器15和谐波混频器12。本方案中，所述第一锁相环路5基于外部信号源输入的10MHz参考信号，输出100MHz参考信号的；所述第一锁相环路5包括：输出100MHz信号，或基于第一误差电压信号输出100MHz参考信号的100MHz压控晶体振荡器1、对100MHz压控晶体振荡器输出的100MHz信号进行分频处理的第一分频器4和将分频后的100MHz信号与10MHz参考信号进行比较，输出第一误差电压信号的第一鉴相器2。所述第二锁相环路9基于第一锁相环路输出的10MHz参考信号，输出两路1GHz参考信号；所述第二锁相环路9包括：输出1GHz信号，或基于第二误差电压信号输出1GHz参考信号的1GHz压控声表振荡器7、对1GHz压控声表振荡器输出的1GHz信号进行分频处理的第二分频器8和将分频后的1GHz信号与100MHz参考信号进行比较，输出第二误差电压信号的第二鉴相器6。本发明进一步设置有用于产生10MHz参考信号的恒温晶体振荡器与所述参考信号输入接口连接，为毫米波频率源提供10MHz参考信号；该10MHz参考信号分别通过第一锁相环路和第二锁相环路后，输出两路1GHz参考信号；谐波产生器基于第一路1GHz参考信号，输出20GHz信号；倍频器基于第二路1GHz参考信号，输出2GHz信号，直接数字频率合成器将倍频器输出的2GHz作为参考信号，输出507.34799MHz信号；最后，谐波混频器将所述20GHz信号和所述507.34799MHz信号混频，输出带宽为1MHz的40.50734799GHz信号。本方案中为了提高信号传输的精准度，分别在谐波产生器与谐波混频器之间设置有放大滤波模块11和在谐波混频器输出端设置滤波器13。
本发明所述毫米波频率源工作原理：10MHz恒温晶体振荡器(OCXO)1产生10MHz参考信号，在第一锁相环5中，第一鉴相器2将100MHz压控晶体振荡器(VCXO)3输出的100MHz反馈信号进行10分频处理后和10MHz参考信号进行比较并输出第一误差电压信号，第一误差电压信号输入至100MHz压控晶体振荡器(VCXO)3的压控端，在第一误差电压信号的控制下，100MHz压控晶体振荡器(VCXO)3输出100MHz参考信号；在第二锁相环9中，1GHz压控声表振荡器(VCSO)7输出的1GHz信号通过第二分频器8进行10分频后和第一锁相环5产生的100MHz参考信号同时输入第二鉴相器6进行比较，得到的第二误差电压信号，并输入至1GHz压控声表振荡器(VCSO)7的压控端，使1GHz压控声表振荡器(VCSO)7输出两路1GHz参考信号；一路经谐波产生器10产生20GHz的信号，并通过放大滤波模块11处理提高信号的质量，另一路经倍频器14倍频后产生2GHz信号作为DDS的参考信号，DDS产生507.34799MHz的信号；两路信号进行谐波混频并经滤波器得到所需要的40.50734799GHz的信号，带宽1MHz。
下面通过一组实施例对本发明做进一步说明：
如图1所示，一种用于汞离子微波频标的超低相位噪声的毫米波频率源，该频率源包括：10MHz恒温晶体振荡器(OCXO)1、第一鉴相器2、第一锁相环5、100MHz压控晶体振荡器(VCXO)3、第一分频器4、第二鉴相器6、第二锁相环9、1GHz压控声表振荡器(VCSO)7、第二分频器8、谐波产生器10、放大滤波模块11、谐波混频器12、倍频器14、DDS(直接数字频率合成器)15和滤波器13。
100MHz压控晶体振荡器(VCXO)3、第一鉴相器2和第一分频器4组成第一锁相环路5，100MHz压控晶体振荡器3通过第二锁相环路5将其输出信号频率和相位锁定在10MHz恒温晶体振荡器(OCXO)1输出的10MHz参考信号上。10MHz恒温晶体振荡器(OCXO)1的10倍频相噪曲线与100MHz压控晶体振荡器(VCXO)3相噪曲线在频偏100Hz处相交，所以100MHz输出信号的相位噪声特性中，10MHz恒温晶体振荡器(OCXO)1提供了频偏100Hz以内的相位噪声，100MHz压控晶体振荡器(VCXO)3提供了频偏100Hz以远的相位噪声。
1GHz压控声表振荡器(VCSO)7、第二鉴相器6和第二分频器8组成第二锁相环路9，1GHz压控声表振荡器7通过第二锁相环9将其输出信号频率和相位锁定在100MHz压控晶体振荡器3输出的100MHz参考信号上。在第二锁相环路9中，第一锁相环路5输出的100MHz参考信号的10倍频相噪曲线与1GHz压控声表振荡器(VCSO)7相噪曲线在频偏10kHz处相交，所以1GMHz输出信号的相位噪声特性中，100MHz参考信号输出提供了频偏10kHz以内的相位噪声，1GHz压控声表振荡器(VCSO)7提供了频偏10kHz以远的相位噪声。
1GHz压控声表振荡器(VCSO)7的第一输出端和谐波产生器10连接。谐波发生器10与放大滤波模块11配合使用，得到激励信号的20倍频即20GHz。同时1GHz压控声表振荡器(VCSO)7的第二输出端输出的1GHz信号经倍频器14倍频后作为直接数字频率合成器(DDS)15的参考信号，由DDS输出507.3MHz左右信号，该信号在一定带宽内可变，频率分辨率优于1Hz。然后所述20GHz信号和所述507.3MHz左右信号通过谐波混频器12混频，再经过滤波器13滤波后，得到所需要的40.5GHz左右的信号。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种用于汞离子微波频标的毫米波频率源，其特征在于，该频率源包括
参考信号输入接口；
第一锁相环路，基于外部信号源输入的10MHz参考信号，输出100MHz参考信号；
第二锁相环路，基于第一锁相环路输出的10MHz参考信号，输出两路1GHz参考信号；
谐波产生器，基于第一路1GHz参考信号，输出20GHz信号；
倍频器，基于第二路1GHz参考信号，输出2GHz信号；
直接数字频率合成器，将倍频器输出的2GHz作为参考信号，输出507.34799MHz信号；
谐波混频器，将所述20GHz信号和所述507.34799MHz信号混频，输出带宽为1MHz的40.50734799GHz信号。
2.根据权利要求1所述的毫米波频率源，其特征在于，所述第一锁相环路包括：
100MHz压控晶体振荡器，输出100MHz信号，或基于第一误差电压信号输出100MHz参考信号；
第一分频器，对100MHz压控晶体振荡器输出的100MHz信号进行10分频处理；
第一鉴相器，将分频后的100MHz信号与10MHz参考信号进行比较，输出第一误差电压信号。
3.根据权利要求1所述的毫米波频率源，其特征在于，所述第二锁相环路包括：
1GHz压控声表振荡器，输出1GHz信号，或基于第二误差电压信号输出1GHz参考信号；
第二分频器，对1GHz压控声表振荡器输出的1GHz信号进行分频处理；
第二鉴相器，将分频后的1GHz信号与100MHz参考信号进行比较，输出第二误差电压信号。
4.根据权利要求1所述的毫米波频率源，其特征在于，该频率源进一步包括设置在谐波产生器和谐波混频器之间的放大滤波模块。
5.根据权利要求1所述的毫米波频率源，其特征在于，该频率源进一步包括设置在谐波混频器输出端的滤波器。
6.根据权利要求1所述的毫米波频率源，其特征在于，该频率源进一步包括用于产生10MHz参考信号的恒温晶体振荡器。
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