CN114448433B - 一种用于铯原子钟的低噪声微波激励源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于铯原子钟的低噪声微波激励源，包括8倍频电路、功分器I、29倍频器、两个2倍频器、鉴相器、混频器、环路滤波器、介质振荡器、隔离器功分器II和放大器；本发明能够实现频率精确合成，同时频率、功率可调，能够实现对铯原子钟铯束管的激励、满足铯原子钟锁定要求；本发明应用于磁选态铯原子钟，取得了良好的效果。
Description
技术领域
本发明属于时间频率计量的技术领域，具体涉及一种用于铯原子钟的低噪声微波激励源。
背景技术
原子钟是精密时间的测量工具，作为建立和维持现代时间尺度的核心设备。铯原子钟是一种被动型微波原子钟。具有准确度高、长期稳定度好、漂移率低等优点，被广泛使用于守时、授时、通信、军事等领域。铯原子钟整机由铯束管和电路组成，其中铯束管利用铯133原子的超精细能级从F＝3(mF＝0)到F＝4(mF＝0)的跃迁谱线对激励信号起鉴频作用，在电路控制下形成闭环，输出稳定的时间和频率信号。铯原子能级跃迁需要由微波信号激励，本发明就是用于从10MHz晶振起源倍频合成微波激励信号，从而形成完整的铯原子钟。
现有的铯原子钟的微波激励源采用直接倍频+介质振荡器(DRO)的技术方案，存在相位噪声高、易失锁、体积大的缺点。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用于铯原子钟的低噪声微波激励源，能够产生低相位噪声的微波信号。
实现本发明的技术方案如下：
一种用于铯原子钟的低噪声微波激励源，包括8倍频电路、功分器I、29倍频器、两个2倍频器、鉴相器、混频器、环路滤波器、介质振荡器、隔离器功分器II和放大器；
外部输入的10MHz信号通过8倍频电路、功分器I产生两路80MHz信号，一路输出，作为铯原子钟其他电路模块的参考信号，另一路信号经过29倍频器、两个2倍频器，产生9280MHz的信号v2；
介质振荡器输出的信号v1，初始频率为9192.63MHz，信号v1经功分器II、隔离器后进入混频器，与信号v2进行下混频得到Δv，Δv和由外部输入的87.36823MHz信号输入鉴相器，输出信号v4，环路滤波器对信号v4进行滤波，使v1的频率无限接近于9192.631770MHz信号，构成锁相环路的闭环锁定；
功分器II输出的另一路信号经放大器放大后输出。
进一步地，10MHz信号由恒温压控晶体产生。
进一步地，混频器输出信号Δv的频率为v2-v1。
进一步地，鉴相器输出信号v4的频率为Δv-v3。
进一步地，放大器在外部控制信号的控制下，调节输出信号的输出功率。
有益效果：
1、本发明采用了低噪声锁相环技术，实现微波激励源的功能，通过调整锁相环路的带宽降低微波信号的相位噪声，所以产生了低相位噪声的效果。
2、本发明采用了阶跃倍频的方案，实现了9280MHz信号的产生，替代了原有的三极管倍频方案，减少了倍频链路的级数，同时使用介质振荡器(CRO)替代传统的腔体滤波器(DRO)，降低了整个微波的体积，同时，解决了原有使用腔体滤波器容易造成锁相环路易失锁的问题。所以产生了高集成的效果。
附图说明
图1为本发明的用于铯原子钟的低噪声微波激励源的原理图。
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。
本发明提供了一种用于铯原子钟的低噪声微波激励源，作用是产生9192.631770MHz的微波信号，用以激励铯束管谐振腔内铯原子能级跃迁。如图1所示，具体包括以下部分：
1、八倍频电路
八倍频通过三极管实现，10MHz信号输入后经三极管进行放大，后经晶体滤波器取其八次谐波后得到80MHz信号，再经过八倍频内部的放大器放大，经功分器功分后得到80MHz信号供后续电路使用。功分后的80MHz信号一共为两路信号，一路信号输出后作为激励信号，供29倍频器使用；另一路信号作为参考信号，作为铯原子钟其他电路模块的参考信号使用。
2、29倍频器
80MHz信号经过放大器放大后输出功率为20dBm，通过计算得到利用阶跃二极管进行29倍频的匹配电路，获得2320MHz信号输出。该级电路的作用是产生更高频率的信号，为9280MHz信号的产生做准备。
3、四倍频电路
四倍频电路由两个2倍频器组成。第一个2倍频器的核心器件为无源倍频器，作用是产生4640MHz信号，再经带通滤波器滤波后放大作为第二个2倍频器使用。第二个2倍频器的核心器件为有源倍频器，作用是产生9280MHz信号，再经过其内部的带通滤波器和π型衰减器匹配后，进入混频器。
4、锁相电路
锁相电路由鉴相器、混频器、环路滤波器、介质振荡器、功分器与隔离器组成。
介质振荡器输出的信号v1，初始频率为9192.63MHz，该信号经功分器、隔离器后进入混频器，与上文所述的由倍频电路产生的信号v2，频率为9280MHz，进行下混频。因此，混频器输出的频率Δv＝v2-v1。
J2输入的信号v3，其频率为87.36823MHz。Δv与J2输入信号v3，经鉴相器实现鉴相的功能，输出信号v4的频率为Δv-v3。鉴相器通过电荷泵输出电压经过环路滤波器来控制介质振荡器调谐端VT直至锁相环锁定来实现跟踪锁定，使v1的频率无限接近于9192.631770MHz信号，构成锁相环路的闭环锁定。环路滤波器是锁相电路的重要组成部分，对鉴相器输出的信号起到滤波作用。隔离器的作用是防止输出信号对锁相电路中的频率信号造成影响。
介质振荡器输出的频率由功分器分为两路，一路信号进入混频器，用于产生鉴相的中频信号；另一路经功分器后放大输出，作为激励铯原子跃迁的激励信号。图中J3信号为放大器的控制信号，用于调节输出信号J5的输出功率，达到激励铯原子跃迁功率调制的目的。
图1中，J1、J2、J3是微波模块的三路输入接口，三路输出端口分别为J4、J5。J1输入10MHz信号，在模块内经过数字锁相产生80MHz信号，经过放大、滤波、功分处理由J4端口输出。80MHz的信号经过29次阶跃倍频实现了2320MHz信号，然后再通过4倍频产生9280MHz，与J2端口输入为DDS产生的87.3MHz的基准信号，精确调整J5端口输出具有精确尾数的射频信号，最终产生9192.7MHz信号。
本发明的微波激励源采用了阶跃倍频+介质振荡器(CRO)的技术方案，阶跃倍频能够有效的减少倍频电路的级数、减小倍频电路的体积，同时，通过调小锁相环路带宽，达到低相噪信号输出的目的。因此，新的微波激励源具有低相噪、高集成度的特点。
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 (5)
1.一种用于铯原子钟的低噪声微波激励源，其特征在于，包括8倍频电路、功分器I、29倍频器、两个2倍频器、鉴相器、混频器、环路滤波器、介质振荡器、隔离器、功分器II和放大器；
外部输入的10MHz信号通过8倍频电路、功分器I产生两路80MHz信号，一路输出，作为铯原子钟其他电路模块的参考信号，另一路信号经过29倍频器、两个2倍频器，产生9280MHz的信号；
介质振荡器输出的信号，初始频率为9192.63MHz，信号/>经功分器II、隔离器后进入混频器，与信号/>进行下混频得到/>，/>和由外部输入的87.36823MHz信号/>输入鉴相器，输出信号/>，环路滤波器对信号/>进行滤波，鉴相器经过环路滤波器来控制介质振荡器实现跟踪锁定，使/>的频率无限接近于9192.631770MHz信号，构成锁相环路的闭环锁定；
功分器II输出的另一路信号经放大器放大后输出。
2.如权利要求1所述的一种用于铯原子钟的低噪声微波激励源，其特征在于，10MHz信号由恒温压控晶体产生。
3.如权利要求1所述的一种用于铯原子钟的低噪声微波激励源，其特征在于，混频器输出信号的频率为/>。
4.如权利要求1所述的一种用于铯原子钟的低噪声微波激励源，其特征在于，鉴相器输出信号的频率为/>。
5.如权利要求1所述的一种用于铯原子钟的低噪声微波激励源，其特征在于，放大器在外部控制信号的控制下，调节输出信号的输出功率。
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