一种基于超窄带锁相环的主动型氢钟脉泽信号探测系统

技术领域

本发明涉及原子钟，尤其涉及主动型氢原子钟电子学部分，属于时间频率计量技术领域，具体涉及一种基于超窄带锁相环的主动型氢钟脉泽信号探测系统。高集成窄带锁相脉泽信号探测装置用于将谐振腔输出的物理信号转化为10MHz用户信号，是构成主动型氢原子钟和评价氢原子谐振腔泡系统不可缺少的重要部分。也可为其他类型窄带锁相接收装置设计提供参考。

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。主动型氢原子钟是一种微波原子钟，满足我国下一代导航系统、时间频率计量、空间科学实验和航天工程对甚高精度小型化空间主动型氢原子钟的技术需求。主动型氢原子钟整机由介质低损耗微波谐振腔泡系统和电子学部分组成。氢原子经过原子制备系统和准直系统后，(F＝1，mF＝0)态的氢原子射入微波谐振腔中的储存泡，在高Q值微波腔的共同作用下，储存泡内的氢原子基态(F＝1，mF＝0)和(F＝0，mF＝0)两超精细能级之间的跃迁过程产生自激振荡，产生高精度、高稳定度的氢原子共振脉泽信号。腔泡系统输出的脉泽信号质量评估，通常使用频谱分析仪进行观测，但是无法评估其稳定度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于超窄带锁相环的主动型氢钟脉泽信号探测系统，能够在单一模块中实现将脉泽信号转换成用户可用的标准频率信号，既可以构成整钟，也实现了对脉泽信号的探测与评价，相对传统模拟锁相接收方案，提高了氢原子钟短期稳定度指标和相位噪声指标，本发明的全数字环路可对输出频率进行精确调整，满足主动型氢原子钟输出频率精确可调的要求，取得了良好的效果。

本发明的基于超窄带锁相环的主动型氢钟脉泽信号探测系统，包括氢脉泽信号的混频放大电路、晶振倍频放大电路、数字直接频率合成器、数字窄带锁相环以及输出缓冲电路；

其中，晶振倍频放大电路先将10MHz的本地晶振信号倍频为100MHz信号，再接着倍频为1.4GHz信号，并对倍频信号进行放大、滤波后，由功分器分为2路，一路作为J2输出，对本振进行观测；另一路参与氢脉泽信号的混频放大电路的混频；

氢脉泽信号的混频放大电路用于对接收的氢脉泽信号1.420405751GHz±40kHz进行放大，并与本地晶振倍频后的1.4GHz信号进行混频，带通滤波后得到20.405751MHz信号；混频20.405751MHz信号放大后，经功分器分为2路，一路放大后作为J5输出，用于观测脉泽信号的频谱；另一路参与锁相环实现锁相；

数字直接频率合成器用于将本地晶振倍频后的100MHz信号作为参考，合成带有精确尾数的405.571kHz信号；

锁相环以氢脉泽信号的混频放大电路输出的20.405751MHz信号与数字直接频率合成器输出的405.571kHz信号混频得到的20MHz信号为参考信号，对本地晶振信号10MHz进行锁相；

输出缓冲电路利用功分器将本地晶振信号10MHz分成2路后，分别进行放大和滤波后，作为J3输出和J4输出。

较优的，使用混频器前三级，混频带通滤波后两级的结构形式设计氢脉泽信号的混频放大电路。

较优的，通过窄带锁相环路使用脉泽信号混频得到的20MHz信号与晶振功分得到的10MHz信号通过数字鉴相器进行锁相控制10MHz恒温晶振，超窄带的环路滤波器设计和10MHz鉴相频率的使用，使得10MHz晶振的输出能够反应输入脉泽信号的频率稳定度，并且保证该10MHz信号的相位噪声指标；通过测量本地晶振10MHz信号的频率稳定度，评价腔泡系统输出脉泽信号的频率稳定度。

较优的，中频直接频率合成器模块使用100MHz作为参考，输出带有精确尾数的405kHz低中频信号，与脉泽信号经过混频降到高中频的20.405MHz信号进行混频，得到20MHz的鉴相参考信号，通过数字接口修改直接频率合成器输出信号的尾数，可以直接改变20MHz鉴相信号的尾数，从而微调由晶振给出的10MHz信号的频率，该系统设计使得晶振输出频率的调整精度达到E-15量级。

有益效果：

本发明使用超窄带锁相环配合全数字直接频率合成技术，可以方便地将氢脉泽信号变频到方便进行稳定度测量的10MHz信号，并保证10MHz的稳定度与脉泽信号相同，可以使用标准设备对腔泡系统脉泽信号的稳定度进行测试。另外本装置也可用于构成氢原子钟整机，由于使用直接频率合成技术进行变频，与腔泡系统构成整机后，可以方便的修正脉泽信号与理论值的误差，从而实现氢原子钟输出频差E-15水平的调整。

附图说明

图1为本发明基于超窄带锁相环的主动氢钟脉泽信号探测系统的原理框图。

该图是脉泽探测系统的基本原理图，在一个模块中高度集成了氢脉泽信号混频放大电路、全数字窄带锁相电路、输出缓冲电路、直接频率综合器等模块。实现了全部功能。其中氢脉泽信号的混频放大电路使用前三级后两级的方案，能够保证到达混频器的脉泽信号可靠的推动混频器的同时，获得最好的噪声系数指标。窄带锁相环路使用全数字结构，使用脉泽信号混频得到的20MHz信号与晶振功分得到的10MHz信号通过数字鉴相器进行锁相控制10MHz恒温晶振，超窄带的环路滤波器设计和10MHz鉴相频率的使用，使得10MHz晶振的输出能够反应输入脉泽信号的频率稳定度，并且保证该10MHz信号的相位噪声指标。

输出缓冲电路使用两级放大加滤波器的结构，保证输出信号之间的隔离度，减小频率牵引效应，对最终测试指标的获得具有重要意义。中频直接频率合成器模块使用100MHz作为参考，输出带有精确尾数的405kHz低中频信号，与脉泽信号经过混频降到高中频的20.405MHz信号进行混频，得到20MHz的鉴相参考信号，通过数字接口修改直接频率合成器输出信号的尾数，可以直接改变20MHz鉴相信号的尾数，从而微调由晶振给出的10MHz信号的频率，该系统设计使得晶振输出频率的调整精度达到E-15量级。

图2为供电电路原理框图，该系统在一个模块内部实现了全部功能，结构复杂，频率成分众多，同时所测量的脉泽信号-110dB功率非常小，系统需要保证最终两路10MHz晶振输出信号稳定度不损失，电源系统的设计至关重要，因此选择了晶振单独+12V供电，氢脉泽信号的混频放大电路中的低噪声放大器单独+8V供电，其他的一般放大器和数字锁相环+5V供电，以及直接频率合成器(DDS)3.3V供电的结构，每一路均使用低压差线性电源进行级联变压，最终效果满足要求。

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。

本发明提供了一种基于全数字超窄带锁相环的主动型氢钟脉泽信号探测系统，输入信号为氢钟物理部分输出的脉泽信号1.420405751GHz±40kHz，并将其作为锁相环的参考信号，锁定10MHz压控晶振，输出为两路互相隔离，功率和性能完全一致的10MHz正弦信号(图1J3、J4)、一路20MHz±40k脉泽信号高中频测试输出信号(图1J5)，和一路1400MHz本振测试信号(图1J2)。整套系统使压控晶振输出信号具有氢脉泽信号的准确度和稳定度。

本发明的基于超窄带锁相环的主动氢钟脉泽信号探测系统的原理框图如图1所示，具体包括如下几个部分：

(1)氢脉泽信号的混频放大电路

氢脉泽信号的混频放大电路主要用于接收的氢钟物理部分输出的脉泽信号的放大、脉泽信号与本地本振信号的混频，以及混频信号的放大。脉泽信号混频放大后，由等比例功分器分为两路，一路信号经放大器、与1400MHz本振信号混频得到20MHz±40kHz的高中频测试信号，并经滤波放大后，作为J5输出，用于方便的观测和推算脉泽信号放大电路和本振电路工作情况。另一路进一步与中频直接频率合成器产生的405kHz信号进行混频，最终得到20MHz信号送入窄带数字锁相环作为参考，与晶振的10MHz信号进行鉴相，构成窄带锁相环。

本实施例中，J1端口输入的氢脉泽信号1.420405751GHz±40kHz经三级串联的低噪声微波放大器(噪声系数小于0.4)放大后，与本振信号进行混频，得到20.405751MHz±40kHz信号。其中，本振信号由本地恒温压控晶振输出的10MHz信号先经10倍频得到100MHz信号，再经14倍频得到1.4GHz信号，1.4GHz信号经过放大器放大、滤波器滤波后，作为本振信号参与脉泽信号的混频；脉泽信号与本地1.4GHz本振信号混频后，经带通滤波器滤除±40kHz的腔频锁定调频信号后，采用两级串联的低噪声微波放大器进行放大。脉泽信号混频放大后，由功分器分为两路，一路信号经放大器放大后，作为J5输出，另一路作为参考信号进入锁相环。

(2)输出缓冲电路

输出缓冲电路主要是对用户使用的J3、J4信号进行输出缓冲，该输出缓冲器使用告诉运算放大器级联并在输出端使用高阶LC滤波器进行滤波和阻抗匹配，对两路输出信号的功率进行调整，并且增高了隔离度，避免了负载对恒温晶振的频率牵引效应，滤波器提高了输出信号的谐波抑制度。

具体的，本地恒温压控晶振输出的10MHz信号经过放大器放大、功分器功分后，输出J3、J4两路供用户使用，提供给用户使用前，先对功分器的输出信号经过二级射频放大器放大，然后通过无源滤波器滤波，之后再输出给用户。

(3)锁相电路

脉泽信号经放大混频后，得到20.405751MHz信号；该20.405751MHz信号由功分器分为两路，一路放大后作为J5输出；另一路放大、滤波后，与10倍频晶振信号经数字直接频率合成器DDS产生的405.571kHz信号进行混频，产生20MHz信号；使用20MHz作为数字锁相环参考，简化电路，充分使用数字锁相环内部分频功能，最终使用10MHz作为鉴相频率，避免10MHz信号倍频至20MHz再鉴相造成的相位噪声损失和引入额外的噪声。20MHz作为参考信号进入锁相环PLL锁定10MHz晶振。该锁相环使用全数字锁相环，设置环路带宽小于100mHz，因此能够过滤环宽以外的噪声，使得锁定后10MHz信号频率稳定度与脉泽信号完全一致。由于10MHz信号频率稳定度可以使用标准仪器方便的测试，从而通过测量该10MHz信号，由于晶振输出的10MHz信号与脉泽信号频率稳定度完全一致，因此可以评价腔泡系统输出脉泽信号的频率稳定度。

另外由于锁相环路使用数字直接频率合成器合成405.571kHz信号，使用数字接口，调节405.571kHz信号的精确尾数，相当于改变了锁相环路参考信号的频率，因此可以直接改变锁相环恒温晶振10MHz的频率。，当使用本装置与腔泡系统构成氢原子钟整机时，整机的输出信号频率准确度可以通过数字接口进行精度为E-15水平的调整，使得整钟输出频率准确度达到E-14水平，并且具备被其他频率源驾驭的能力。

(4)供电电路

系统提供+12V电源，考虑到高度集成模块内部的抗干扰问题，+12V经滤波后供给10MHz晶振使用，经稳压产生+8V供给低噪声放大器单独使用，一般放大器和数字锁相环使用由+8V稳压产生的+5V供电，直接频率合成器(DDS)使用由+5V稳压产生的+3.3V供电，电源系统使用低压差线性电源进行级联变压。使得各部分电源相互影响降低，模、数部分互不干扰，实现整机功能。

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。