CN108306636A - 一种非连续微波探询信号的产生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非连续微波探询信号的产生装置。包括频率源、锁相环、单片机、射频开关。频率源与锁相环和单片机相连，锁相环与射频开关相连，单片机与锁相环和射频开关相连。本发明通过单片机控制锁相环，可实现快速跳频，克服了DDS技术需多级连接所造成的损耗问题。通过射频开关，将微波信号频率跳变时信号功率产生的尖锐脉冲和其他杂散频率引入的噪声完全隔离。微波探询信号的相位不连续变化，从而使光抽运和光检测的时序分离开，有效的提高信噪比，实现性能更优的原子钟。电路结构比较简单，并且易于调试，利于铷原子频标的小型化。
Description
技术领域
本发明涉及微波原子钟领域，特别是一种非连续微波探询信号的产生装置。
背景技术
铷钟的结构简单、体积小、重量轻，便于制作和生产。而且价格低廉，功耗较低，其频率稳定度和漂移率指标也足以满足大多数航天、民用及军用的要求。因此铷原子频标虽然只是一种二级频标，但相较于其他原子频标应用更为广泛。
被动型铷钟用6834.6875MHz±△f(△f的取值范围为50Hz～2KHz)的微波探询信号与铷原子的两个能级发生磁共振以实现光检测。然后通过伺服环路将本振频率锁定到铷原子超精细能级间跃迁对应的频率上。
随着电子技术的发展，直接数字频率合成(DDS)技术发展日益成熟，目前利用DDS产生6834.6875MHz±△f的微波探询信号的方法主要有三种形式：
1、使用带尾数晶振加调制，然后依次低次倍频、阶跃倍频得到；
2、利用整数晶振经低次倍频、阶跃倍频至6840MHz，再与直接数字综合器输出的5.3125MHz±△f调制信号混频得到；
3、以整数晶振为参考，直接用数字综合器输出带尾数调制中频信号，然后通过阶跃倍频得到。
DDS是一种具有高分辨率的数字分频器，并且可以快速并精确的对输出频率进行变换。但是DDS的缺点也比较突出，它输出的探询信号相位连续，并且它可输出的频率中有较多的频率杂散，且频率范围有限。另外要达到铷原子频标所需的微波探询信号，需要连接射频放大器和阶跃恢复二极管。结构较为复杂，整个链路中因各级之间连接所造成的变频损耗和插入损耗不容忽略。
微波探询信号的主要目的是输入微波腔中，使其与原子产生共振，从而锁定频率。所以有人提出了微波相位调制技术，即不改变微波信号的频率，通过对其相位进行周期性改变达到锁频目的。这一方法虽然使微波与原子的中心频率保持共振，不发生频率失谐。但是在实际操作时链路较为复杂，不仅要考虑微波频率受外部扰动造成的失谐现象，还要考虑相位变化引入的噪声因素。
目前利用锁相环的方案中，也均存在结构繁琐，控制流程复杂，可靠性低的问题。例如，在《一种微波倍频方案在小型化铷钟的应用》中，通过键控法产生带调制的微波信号，虽然键控法的转换速度快，频率稳定度高，但是需使用的设备复杂，并且微波信号会与光抽运信号产生混杂，降低系统的信噪比。在《介绍两种用单片机控制的频率合成器》一文中，为了实现合成器的快速跳频信号输出，采用并行码输入的锁相环与六片八位锁存器构成的电路，虽然在锁相环置入数据时所需的时间很短，但是输入数据量大，并且电路较为复杂，其中任一器件出现故障将会导致整个电路无正常工作。
发明内容
本发明的目的是为了改善上述现有技术的不足，提供一种非连续微波探询信号的产生装置，该信号功率稳定性好，并且易于调试，制作结构简单，成本低廉，避免微波信号频率跳变时信号功率产生的尖锐脉冲和其他杂散频率而引入的噪声。
为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：
一种非连续微波探询信号的产生装置，包括频率源，还包括单片机、锁相环和射频开关，
频率源，用于给锁相环和单片机提供10MHz频率信号；
单片机，用于在2FSK调制基波的前半周期开始的设定时间τ1内完成锁相环中的寄存器的设置，使得锁相环在2FSK调制基波的前半周期的设定时间τ1之后的设定时间τ2输出经过2FSK调制的频率为6834.6875MHz-△f Hz的微波信号，设定时间τ1和设定时间τ2构成2FSK调制基波的前半周期时间，
还用于在2FSK调制基波的后半周期开始的设定时间τ3内完成锁相环中的寄存器的设置，使得锁相环在2FSK调制基波的后半周期的设定时间τ3之后的设定时间τ4输出经过2FSK调制的频率为6834.6875MHz+△f Hz的微波信号，设定时间τ3和设定时间τ4构成2FSK调制基波的后半周期时间；
还用于在设定时间τ1和设定时间τ3内控制射频开关关断；在设定时间τ2和设定时间τ4内控制射频开关连通，
其中，2FSK调制基波的频率为83Hz，2FSK调制深度为2△f Hz；
锁相环，用于输出微波信号到射频开关；
射频开关，用于对微波信号进行输出。
如上所述的△f Hz的范围为50Hz～2KHz。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明的结构简单，利用锁相环芯片，改善了利用DDS技术获得微波探询信号的复杂结构，减少了多级间连接所引入的变频损耗和插入损耗。
2、本发明使用数字调频法，利用单片机配置锁相环芯片实现对微波信号进行调频，通过串口加载程序，方便修改，可根据需要随时改变输出频率、调制信号频率和调制深度。
3、本发明通过引入射频开关，通过对射频开关有序的通断控制，将微波信号频率跳变时信号功率产生的尖锐脉冲和其他杂散频率引入的噪声完全隔离。
4、本发明通过引入射频开关，使微波探询信号的相位不连续变化，从而使光抽运和光检测的时序分离开，光抽运信号和微波信号不发生混杂。
5、本发明使铷原子频标更趋于小型化，性能越好。本微波探询信号的产生采用集成度较高的数字技术，体积小，易于加工集成套片用于生产小型化铷原子频标。
测试10MHz信号源的功率强度为14dBm，经锁相环后，从射频开关输出端的6834.6875MHz±△fHz的微波探询信号强度大约在-4dBm。相较于现有DDS所需的20dBm射频功率，本发明大大减少了功耗，并使调试更加简单。将本射频电路与物理系统和伺服环路构成闭环回路，进行实验测试，可以得到锁定信号，并且稳定度指标相较之前未采用本射频电路得到的指标有所提高。
附图说明
图1为本发明的原理方框图。
图2为本发明的单片机软件控制流程示意图。
图3为单片机对射频开关的控制时序和微波调制信号时序。
图中：1-频率源；2-锁相环；3-射频开关；4-单片机；
其中：T0为2FSK调制基波的周期，射频开关在设定时间τ1、设定时间τ3内处于关闭状态，射频开关在设定时间τ2、设定时间τ4处于导通状态；f1是频率为6834.6875MHz-△fHz的微波信号，f2是频率为6834.6875MHz+△fHz的微波信号，2△fHz是调制深度。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案作进一步的详细描述：
一种非连续微波探询信号的产生装置，包括频率源1，还包括单片机4、锁相环2和射频开关3，
频率源1，用于给锁相环2和单片机4提供10MHz频率信号；
单片机4，用于在2FSK调制基波的前半周期开始的设定时间τ1内完成锁相环2中的寄存器的设置，使得锁相环2在2FSK调制基波的前半周期的设定时间τ1之后的设定时间τ2输出经过2FSK调制的频率为6834.6875MHz-△f Hz的微波信号，设定时间τ1和设定时间τ2构成2FSK调制基波的前半周期时间，
还用于在2FSK调制基波的后半周期开始的设定时间τ3内完成锁相环2中的寄存器的设置，使得锁相环2在2FSK调制基波的后半周期的设定时间τ3之后的设定时间τ4输出经过2FSK调制的频率为6834.6875MHz+△f Hz的微波信号，设定时间τ3和设定时间τ4构成2FSK调制基波的后半周期时间；
还用于在设定时间τ1和设定时间τ3内控制射频开关3关断；在设定时间τ2和设定时间τ4内控制射频开关3连通，
其中，2FSK调制基波的频率为83Hz，2FSK调制深度为2△f Hz；
锁相环2，用于输出微波信号到射频开关3；
射频开关3，用于对微波信号进行输出。
△f Hz的范围为50Hz～2KHz。
如图1所示，一种非连续微波探询信号的产生装置，包括频率源1、锁相环2、射频开关3、单片机4。其特征在于：频率源1与锁相环2和单片机4相连，锁相环2与射频开关3相连，单片机4与锁相环2和射频开关3相连。
所述的频率源1采用铷钟的10MHz输出频率，分成两路：一路作为锁相环2的时钟与其时钟端相连接，另一路作为单片机4的时钟与其时钟端相连接。
所述的锁相环2可以采用LMX2592芯片，所述的单片机4可以采用STM32F105XX产品。
如图2所示，单片机可以通过SPI接口对锁相环2的寄存器进行赋值设置，控制锁相环2输出6834.6875MHz±△f Hz的微波信号。
单片机还可以通过SPI接口对锁相环2的2FSK调制相关寄存器进行赋值设置，控制锁相环2对6834.6875MHz±△f Hz的微波信号进行2FSK调制，2FSK调制的频率为83Hz，调制深度为2△f Hz。△f Hz的范围为50Hz～2KHz。
射频开关输出端连接到铷原子频标微波谐振腔中进行光检测，与物理系统和伺服电路构成闭环回路，经过测试铷钟可以正常工作，频率锁定。
本发明通过控制射频开关，将设置锁相环2的寄存器对微波信号的频率进行设置，微波信号频率跳变时信号功率产生的尖锐脉冲和其他杂散频率引入的噪声完全隔离。采用DDS技术得到的探询信号相位是连续的，光抽运和微波共振信号会发生混杂，信噪比比较低。而本方案通过对射频开关的控制，使微波探询信号的相位不连续变化，从而使光抽运和光检测的时序分离开，在开关关闭时进行光抽运，开关打开时进行光检测。光抽运信号和微波共振信号独立，不再发生混杂现象，有效的提高信噪比，实现性能更优的原子钟。
本文中所描述的具体实施案例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (2)
1.一种非连续微波探询信号的产生装置，包括频率源(1)，其特征在于，还包括单片机(4)、锁相环(2)和射频开关(3)，
频率源(1)，用于给锁相环(2)和单片机(4)提供10MHz频率信号；
单片机(4)，用于在2FSK调制基波的前半周期开始的设定时间τ1内完成锁相环(2)中的寄存器的设置，使得锁相环(2)在2FSK调制基波的前半周期的设定时间τ1之后的设定时间τ2输出经过2FSK调制的频率为6834.6875MHz-△f Hz的微波信号，设定时间τ1和设定时间τ2构成2FSK调制基波的前半周期时间，
还用于在2FSK调制基波的后半周期开始的设定时间τ3内完成锁相环(2)中的寄存器的设置，使得锁相环(2)在2FSK调制基波的后半周期的设定时间τ3之后的设定时间τ4输出经过2FSK调制的频率为6834.6875MHz+△f Hz的微波信号，设定时间τ3和设定时间τ4构成2FSK调制基波的后半周期时间；
还用于在设定时间τ1和设定时间τ3内控制射频开关(3)关断；在设定时间τ2和设定时间τ4内控制射频开关(3)连通，
其中，2FSK调制基波的频率为83Hz，2FSK调制深度为2△f Hz；
锁相环(2)，用于输出微波信号到射频开关(3)；
射频开关(3)，用于对微波信号进行输出。
2.根据权利要求1所述的一种非连续微波探询信号的产生装置，其特征在于，所述的△f Hz的范围为50Hz～2KHz。
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