一種應(yīng)用于CPT原子鐘的低相噪微波頻率合成器

句博文，云恩學(xué)

(1.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家授時(shí)中心，西安 710600；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引言

基于相干布居囚禁CPT(Coherent Population Trapping)[1]量子干涉原理的被動(dòng)型氣泡型原子鐘，因其激勵(lì)原子的鐘躍遷的微波調(diào)制在光場(chǎng)上，省去了微波腔，可實(shí)現(xiàn)小型化甚至芯片級(jí)的原子鐘，可應(yīng)用于對(duì)體積、功耗、重量有嚴(yán)格限制而又需要精密時(shí)間的場(chǎng)景，如無(wú)人機(jī)、GNSS便攜接收機(jī)、水下勘探等[2-3]，因而成為歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家原子鐘研究的重要方向。目前芯片級(jí)原子鐘的頻率穩(wěn)定度在10-10@1 s量級(jí)[4]，還有較大提升空間以滿足需要更高精度要求的應(yīng)用，如深空導(dǎo)航、微納衛(wèi)星編隊(duì)組網(wǎng)、水下潛航器等。為了進(jìn)一步提升CPT原子鐘的頻率穩(wěn)定度性能，目前國(guó)際上基于lin⊥lin、push-pull等構(gòu)型的高性能CPT原子鐘[5-6]，頻率穩(wěn)定度達(dá)到了10-13@1 s量級(jí)[7-9]，展現(xiàn)了CPT原子鐘良好的性能潛力。

在前期的合成器研制中[10]，基于梳狀譜發(fā)生器來產(chǎn)生 3.417 GHz微波信號(hào)，獲得了較低相位噪聲，但可以發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)仍然較為復(fù)雜、功耗偏大。在此基礎(chǔ)上，我們進(jìn)一步研究了一種低相位噪聲微波頻率合成器，該方案減少了電子器件和系統(tǒng)復(fù)雜性，保證了低相噪的同時(shí)，微波功率穩(wěn)定性得到改進(jìn)，可用于CPT原子鐘。該合成器利用聲表面濾波器[11]的窄帶寬特性，可以實(shí)現(xiàn)中心頻率為 100.5 MHz通帶小于1 MHz的濾波，同時(shí)應(yīng)用了鎖相介質(zhì)振蕩器(PDRO)可以實(shí)現(xiàn)鎖相輸出 3.417 GHz，結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化。

1 低相噪頻率微波合成器

我們頻率合成器基本結(jié)構(gòu)是基于100 MHz恒溫晶體晶振(OCXO)和直接頻率合成器(DDS)混頻后生成100.5 MHz頻率信號(hào)，通過含有鎖相環(huán)的介質(zhì)振蕩器(DRO)倍頻后生成輸出的 3.417 GHz頻率信號(hào)，這種結(jié)構(gòu)可以通過DDS產(chǎn)生小頻率，通過窄帶寬濾波器濾波，可以簡(jiǎn)化微波頻率合成器的整體結(jié)構(gòu)。

如圖1所示，具有超低相位噪聲的OCXO晶振(AXTAL,AXIOM5050ULN)被選擇作為微波頻率合成器的本地晶振。OCXO晶振的輸出信號(hào)通過一個(gè)頻率分配器(Sync-tech,STMFP4)被分為兩路信號(hào)并且每一路信號(hào)的輸出信號(hào)功率為+13 dBm。第一路輸出信號(hào)直接送入DDS(ADI,AD9912)作為DDS的參考輸入信號(hào)，DDS輸出0.5 MHz信號(hào)送入到混頻器的IF端。第二路輸出信號(hào)直接連接到混頻器的LO端，通過混頻器(Mini-Circuits,ZFM-2-S+)混頻輸出100.5 MHz信號(hào)，混頻器輸出信號(hào)通過中心頻率為100.5 MHz的聲表面濾波器和功率放大器(Mini-Circuits,ZFL-1000VH2X+)送入到用于鎖相 DRO 的采樣相位檢測(cè)器，DRO 的 3.417 GHz 信號(hào)使用子采樣 PLL 直接鎖相到 100.5 MHz 信號(hào)上，產(chǎn)生的 3.417 GHz 信號(hào)經(jīng)過濾波和放大，可用于后續(xù)的相位噪聲測(cè)量和 CPT 原子鐘的實(shí)驗(yàn)。

圖1 3.417 GHz微波頻率合成器結(jié)構(gòu)圖

2 頻率綜合器性能

圖2 濾波之前和濾波之后混頻器輸出100.5 MHz信號(hào)頻譜(RBW=VBW=47 kHz)

注：(a)為參考晶振OXCO 100 MHz輸出信號(hào)，(b)為頻率分配器100 MHz的輸出信號(hào)，(c)為100.5 MHz功率放大后輸出信號(hào)，(d)為實(shí)際輸出的 3.417 GHz 信號(hào)，(e)為理論輸出的3.417 GHz 信號(hào)，(f)為自由運(yùn)行PDRO的相位噪聲

從圖3中(d)和(e)曲線可以看出，PDRO 輸出的 3.417 GHz 信號(hào)在偏移頻率小于 30 kHz 時(shí)的相位噪聲因理想化的 20logN而惡化。對(duì)于f>30 kHz，與理想倍增的3.417 GHz 信號(hào)相比，輸出3.417 GHz 信號(hào)的相位噪聲會(huì)有所降低，尤其是在鎖定帶寬的偏置頻率處，相位噪聲最大惡化了8 dB。此外，PLL的鎖定帶寬約為400 kHz。因此無(wú)法完全抑制微波綜合器在400 kHz處的相位噪聲。限制該3.417 GHz 信號(hào)的相位噪聲的最大原因是混頻輸出的100.5 MHz頻率信號(hào)。在≤20 kHz時(shí)，DDS輸出的0.5 MHz小頻率信號(hào)與頻率分配器直接輸出的100 MHz信號(hào)混頻輸出的100.5 MHz相位噪聲決定最終輸出3.417 GHz信號(hào)的相噪水平，而≥20 kHz時(shí)，則由功率放大后的100.5 MHz信號(hào)影響輸出信號(hào)。在下一節(jié)的測(cè)量和分析中，發(fā)現(xiàn)是由于DDS輸出0.5 MHz信號(hào)的相位噪聲惡化了100.5 MHz信號(hào)的信號(hào)質(zhì)量進(jìn)而限制了3.417 GHz輸出信號(hào)的相位噪聲。

在自由運(yùn)行狀態(tài)下，DRO在f=100 kHz時(shí)表現(xiàn)出-125 dBc/Hz的相位噪聲。f>10 MHz 時(shí)的相位噪聲基底為-172 dBc/Hz(此處未顯示)。在鎖定狀態(tài)下，3.417 GHz輸出信號(hào)在f=1 Hz、100 Hz、1 kHz和10 kHz時(shí)分別表現(xiàn)出-61、-107、-118.6和-124 dBc/Hz的相位噪聲性能。

在上述工作的基礎(chǔ)上，我們測(cè)量了頻率合成鏈的關(guān)鍵信號(hào)和組件的絕對(duì)相位及殘余相位噪聲性能，如圖4所示。在整個(gè)鏈路中，由于3.417 GHz輸出頻率是通過100.5 MHz頻率鎖相倍頻得到的，所以影響最終輸出3.417 GHz信號(hào)質(zhì)量的是100.5 MHz信號(hào)質(zhì)量，100.5 MHz信號(hào)是由100 MHz信號(hào)和0.5 MHz信號(hào)進(jìn)行混頻得到，通過測(cè)量0.5 MHz殘余相噪和100 MHz信號(hào)的絕對(duì)相噪，明顯顯示出0.5 MHz信號(hào)殘余相噪在>200 Hz后限制了其絕對(duì)相噪的質(zhì)量，造成了混頻后信號(hào)的惡化。由于最終輸出3.417 GHz的參考信號(hào)是100.5 MHz信號(hào)，所以最終會(huì)惡化輸出的3.417 GHz信號(hào)。在圖3中，鎖定 DRO 輸出的3.417 GHz性能比100.5 MHz信號(hào)的性能高約31 dB，這與理想倍頻情況吻合。

3 穩(wěn)定度影響

目前對(duì)高性能CPT原子鐘短期頻率穩(wěn)定性限制的主要貢獻(xiàn)之一是微波相位噪聲，它通過脈沖工作模式下的Dick效應(yīng)或連續(xù)工作模式的交調(diào)效應(yīng)來影響原子鐘的頻率穩(wěn)定度[12-13]。以后者為例，當(dāng)微波信號(hào)用低頻fm調(diào)制時(shí)，偏移頻率等于fm偶數(shù)倍的相位噪聲將頻率波動(dòng)轉(zhuǎn)化為伺服回路的探測(cè)信號(hào)，根據(jù)該交調(diào)效應(yīng)，微波相位噪聲對(duì)短期頻率穩(wěn)定度的貢獻(xiàn)為[14]

(1)

式(1)中,fm是原子鐘微波的調(diào)制頻率，Sφ(2nfm)是頻偏為fm偶次倍的微波相位噪聲，C2n是相應(yīng)諧波的系數(shù)，對(duì)于氣泡型原子鐘，調(diào)制頻率一般在百赫茲量級(jí)，交調(diào)效應(yīng)的貢獻(xiàn)以低次諧波為主。因此，我們著重考慮100 Hz～1 kHz范圍內(nèi)的相位噪聲。最近的研究表明高性能CPT 原子鐘對(duì)微波相位噪聲表現(xiàn)出更大的敏感性[15]，因而，研制低相噪微波頻率綜合器顯得更加必要。

在本實(shí)驗(yàn)中，通過測(cè)量所研制的微波頻率合成器輸出3.417 GHz微波信號(hào)的相位噪聲,如圖3中曲線(d)所示，并根據(jù)公式(1)進(jìn)行估計(jì)，在平均時(shí)間為1 s處，微波通過交調(diào)效應(yīng)對(duì)原子鐘頻率穩(wěn)定度的貢獻(xiàn)為 5.8×10-14，要比目前 CPT 原子鐘最好的頻率穩(wěn)定度低半個(gè)數(shù)量級(jí)[16]。

4 結(jié)語(yǔ)

本工作展示了一種低相位噪聲的3.417 GHz 微波頻率綜合器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相位噪聲低。對(duì)于1 Hz、100 Hz、1 kHz和10 kHz頻率偏移處，其輸出的3.417 GHz信號(hào)的絕對(duì)相位噪聲分別為-61、-107、-118.6和-124 dBc/Hz。當(dāng)應(yīng)用于 CPT 原子鐘時(shí)，通過交調(diào)效應(yīng)，對(duì)CPT原子鐘的短期頻率穩(wěn)定度影響僅為5.8×10-14@1 s。因此，本工作中的微波頻率合成器可以滿足高性能CPT原子鐘的要求，同時(shí)，該頻率合成器也可用于POP、冷原子CPT、拉曼原子干涉儀或陀螺儀等需要低相噪微波的實(shí)驗(yàn)。目前我們的微波頻率綜合器主要受DDS輸出0.5 MHz信號(hào)的相位噪聲限制，這是我們下一步改進(jìn)的方向。