一種用于微型原子鐘的微波信號源的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及量子技術領域，尤其涉及一種用于微型原子鐘的微波信號源。
【背景技術】
[0002]微波信號源是微型原子鐘的重要組成部分，目前常見的微型原子鐘主要有微型銣原子鐘和微型CPT原子鐘，其中微型銣原子鐘所需微波頻率為6.8GHz，CPT銫原子鐘所需微波頻率為4.6GHz，CPT銣原子鐘所需微波頻率為3.4GHz。傳統(tǒng)模擬倍頻技術設計的微波信號源尺寸大、功耗高，不適用于微型化原子鐘。數(shù)字鎖相環(huán)倍頻技術在尺寸、功耗、調試方便性等方面較傳統(tǒng)模擬倍頻技術有大幅改善，被廣泛應用于各類微型原子鐘，但目前該技術通常采用分離的VC0和鎖相環(huán)芯片，且通常還需加入頻率綜合(如DDS)以得到精確小數(shù)頻率，增大了電路尺寸、功耗和復雜度。此外，由于VC0輸出端的微波信號需要反饋至鎖相環(huán)的微波輸入端，因此VC0輸出端的微波功率分配與阻抗匹配也非常重要，直接影響微波信號源輸出微波功率的大小，因此需要對VC0輸出端設計功率分配器，有效提高微波信號源輸出微波功率的可調性。

【發(fā)明內容】

[0003]針對微型原子鐘的需求和目前基于數(shù)字鎖相環(huán)倍頻技術的微波信號源的不足，本發(fā)明提供了一種用于微型原子鐘的微波信號源，僅用一步實現(xiàn)10MHz至需要頻率的精確倍頻，簡化了倍頻電路，同時VC0輸出端設計有功率分配器，有效提高輸出微波功率的可調性。
[0004]—種用于微型原子鐘的微波信號源，包括微控制單元(1)、10MHz晶振⑵、鎖相環(huán)芯片(3)、T型功率分配器(4)、環(huán)路濾波器(5)、壓控衰減器(7)、D/A轉換器(8)和高穩(wěn)參考電壓源(9);
[0005]所述10MHz晶振⑵的壓控端與所述微控制單元⑴內置的數(shù)模轉換器DAC輸出端連接，接收微控制單元⑴的調節(jié)信號，用以調節(jié)輸出的基準信號頻率；所述10MHz晶振
(2)向所述鎖相環(huán)芯片(3)輸出所述基準信號；
[0006]所述鎖相環(huán)芯片(3)依據(jù)從微控制單元(1)接收的倍頻倍數(shù)對所述基準信號進行倍頻，以此產生需要頻率的微波信號；還對該基準信號按照設定的分頻系數(shù)r進行分頻處理；
[0007]所述T型功率分配器(4)接收鎖相環(huán)芯片(3)產生的微波信號，并將該微波信號根據(jù)鎖相環(huán)微波輸入端所需的微波功率大小確定功率分配的比例，將其中一部分微波信號送回鎖相環(huán)芯片(3)微波輸入端，將另一部分信號送入壓控衰減器(7);
[0008]所述壓控衰減器(7)根據(jù)所述D/A轉換器(8)的控制，將輸出微波信號的功率調整至用戶需要的范圍；其中，所述微控制單元(1)調整D/A轉換器(8)的輸出電壓，調節(jié)壓控衰減器(7)的衰減系數(shù)；
[0009]所述鎖相環(huán)芯片(3)對送回到鎖相環(huán)芯片(3)微波輸入端的微波信號根據(jù)設定的分頻系數(shù)η進行分頻處理；鎖相環(huán)芯片(3)將分頻后的微波信號與分頻后的基準信號進行相位比較，產生表征兩者相位大小關系的電流信號，定義為第二鑒頻信號；其中分頻系數(shù)η與分頻系數(shù)r的比值等于所述的倍頻倍數(shù)；
[0010]所述環(huán)路濾波器(5)將第二鑒頻信號進行濾波處理后，再送回鎖相環(huán)芯片(3)的壓控晶振VC0端口，壓控晶振VC0根據(jù)該第二鑒頻信號對產生的微波信號進行頻率調整后再輸出至T型功率分配器(4);
[0011]所述微控制單元(1)根據(jù)用戶選擇的調制方式驅動鎖相環(huán)芯片(3)對微波信號的調制:所述調制方式包括周期變換倍頻倍數(shù)調制和方波調制；其中，當采用倍頻倍數(shù)的方式時:發(fā)送的倍頻倍數(shù)取兩種數(shù)值，微控制單元(1)將該兩種倍頻倍數(shù)交替發(fā)送給鎖相環(huán)芯片(3)，其交替發(fā)送頻率根據(jù)微波信號被調制頻率決定；當采用方波進行調制時，微控制單元(1)向鎖相環(huán)芯片(3)發(fā)送固定的倍頻倍數(shù)，鎖相環(huán)芯片(3)產生相應頻率的微波信號后，通過所述方波對微波信號進行調制后輸出；
[0012]所述高穩(wěn)參考電壓源(9)用于對微控制單元⑴的DAC以及外置的DA轉換器提供數(shù)字-模擬電壓轉換時的精確參考電壓。
[0013]進一步的，還包括緩沖電路(6)，該緩沖電路(6)的兩個輸入端分別與環(huán)路濾波器
(5)輸出端和微控制芯片的功能引腳連接，將環(huán)路濾波器(5)輸出的第二鑒頻信號與微控制單元(1)輸出的方波進行隔離；
[0014]較佳的，所述緩沖電路(6)由跟隨器電路和加法器電路構成。
[0015]較佳的，所述接收微控制單元(1)輸出調節(jié)信號以調節(jié)輸出的基準信號的頻率的方式為:為控制單元接收外部的鑒頻信號，依據(jù)規(guī)定的零點對該鑒頻信號進行判斷:當鑒頻信號在零點之上，控制10MHz晶振(2)壓控端電壓，使之降低輸出頻率；反之，提高輸出頻率，從而實現(xiàn)對10MHz晶振⑵輸出頻率的調節(jié)。
[0016]較佳的，T型功率分配器(4)由微帶線和微波電容、電感結合實現(xiàn)，兩個輸出支路根據(jù)需要的微波功率大小確定設計參數(shù)。
[0017]較佳的，所述兩種數(shù)值的倍頻倍數(shù)之間的區(qū)別是整數(shù)部分相同，小數(shù)部分不同。
[0018]本發(fā)明具有如下有益效果:
[0019](1)簡化電路，減小尺寸，降低功耗。VC0、Σ-Δ調制器和鑒相器均集成在數(shù)字鎖相環(huán)芯片內部，一次倍頻實現(xiàn)微波頻率的制備，有效減小了微波信號源尺寸和功耗。
[0020](2)軟件控制，調試方便。微波信號源各功能模塊均由軟件控制，輸出微波信號的頻率、功率、調制頻率和深度等均可通過軟件調節(jié)，電路調試更方便，提高微型原子鐘的研制效率。
[0021](3)鎖相環(huán)芯片的微波輸出端采用T型功率分配器進行設計，能夠根據(jù)需要有效調節(jié)流入衰減器的微波功率，配合衰減器增加微波信號源輸出功率的可調性。
[0022](4)微控制單元除可通過軟件設置控制鎖相環(huán)倍頻系數(shù)外，還有功能引腳通過緩沖電路與數(shù)控鎖相環(huán)芯片的VC0壓控端相連，能夠方便地提供兩種信號調制方法，可根據(jù)需要和調試效果任意選取。
[0023](5)設計有高穩(wěn)參考電壓模塊，為D/A轉換器提供精確的參考電壓，使微控制單元對輸出微波功率和10MHz的頻率控制更穩(wěn)定，提高原子鐘的性能。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明的一種用于微型原子鐘的微波信號源的原理框圖。
[0025]其中，1-微控制單元，2-lOMHz晶振，3_數(shù)字鎖相環(huán)芯片，4-T型功率分配器，5_環(huán)路濾波器，6-緩沖電路，7-壓控衰減器，8-D/A轉換器，9-高穩(wěn)參考電壓源。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。
[0027]本發(fā)明的一種用于微型原子鐘的微波信號源，包括微控制單元l、10MHz晶振2、鎖相環(huán)芯片3、T型功率分配器4、環(huán)路濾波器5、壓控衰減器7、DA轉換器(8)和高穩(wěn)參考電壓
(9)。采用微控制芯片作微控制單元1，倍頻器核心為數(shù)字鎖相環(huán)芯片3，內部集成有VC0、Σ-Δ調制器和鑒相器，衰減器為壓控衰減器7。微波信號源在微控制單元1的控制下工作，10MHz信號由數(shù)控鎖相環(huán)芯片3倍頻得到所需頻率的微波信號后經衰減器進行功率調節(jié)后輸出，鎖相環(huán)芯片3的倍頻倍數(shù)和衰減器的衰減系數(shù)由微控制芯片通過軟件進行設定。還對該基準信號按照設定的分頻系數(shù)r進行分頻處理。
[0028]上述方案中，10MHz晶振2的壓控端與微控制單元1的內置的數(shù)模轉換器(DAC)輸出端連接，微控制單元1接收外部的鑒頻信號，依據(jù)規(guī)定的零點對該鑒頻信號進行判斷:當鑒頻信號在零點之上，控制10MHz晶振2壓控端電壓，使之降低輸出頻率；反之，提高輸出頻率，從而實現(xiàn)對10MHz晶