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.中國科學(xué)院 國家授時中心，西安 710600；2.中國科學(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型氣泡型原子鐘，因其激勵原子的鐘躍遷的微波調(diào)制在光場上，省去了微波腔，可實現(xiàn)小型化甚至芯片級的原子鐘，可應(yīng)用于對體積、功耗、重量有嚴(yán)格限制而又需要精密時間的場景，如無人機、GNSS便攜接收機、水下勘探等[2-3]，因而成為歐美等發(fā)達(dá)國家原子鐘研究的重要方向。目前芯片級原子鐘的頻率穩(wěn)定度在10-10@1 s量級[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[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，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，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，可以實現(xiàn)中心頻率為 100.5 MHz通帶小于1 MHz的濾波，同時應(yīng)用了鎖相介質(zhì)振蕩器(PDRO)可以實現(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，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，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，可以簡化微波頻率合成器的整體結(jié)構(gòu)。……