《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置：首頁 > 通信與網(wǎng)絡(luò) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 一種用于銣原子鐘的低相位噪聲壓控振蕩器
一種用于銣原子鐘的低相位噪聲壓控振蕩器
2016年電子技術(shù)應(yīng)用第11期
鞠青云1，湯 亮2，栗新偉1，喬東海1，2，季 磊1
1.蘇州大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 蘇州215006；2.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京100190
摘要： 基于相干布局囚禁(CPT)現(xiàn)象研制的原子鐘與傳統(tǒng)原子鐘相比，能夠提供更高的時(shí)間精度，且有利于原子鐘向微型化、低功耗方向發(fā)展。在不同種類的CPT原子鐘中，銣原子鐘應(yīng)用最為廣泛，而其性能的優(yōu)劣很大一部分取決于自身內(nèi)部的用于提供微波信號源的壓控振蕩器（VCO）。基于此，利用高品質(zhì)因數(shù)的同軸諧振器和Clapp振蕩電路，首先根據(jù)負(fù)阻分析法使電路快速起振，并結(jié)合虛擬地技術(shù)對電路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，完成了一個(gè)小體積、低相位噪聲的3.035 GHz壓控振蕩器的設(shè)計(jì)。其相位噪聲為-60.49 dBc/Hz@300 Hz、-73.08 dBc/Hz@1 kHz和-97.48 dBc/Hz@10 kHz，壓控調(diào)節(jié)靈敏度為12 MHz/V，輸出信號的功率為-1.13 dBm，滿足銣原子鐘的應(yīng)用需求。
中圖分類號： TN752
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.11.022
中文引用格式： 鞠青云，湯亮，栗新偉，等. 一種用于銣原子鐘的低相位噪聲壓控振蕩器[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(11)：84-87.
英文引用格式： Ju Qingyun，Tang Liang，Li Xinwei，et al. Design of a low phase noise VCO for rubidium atomic clocks[J].Application of Electronic Technique，2016，42(11)：84-87.
Design of a low phase noise VCO for rubidium atomic clocks
Ju Qingyun1，Tang Liang2，Li Xinwei1，Qiao Donghai1，2，Ji Lei1
1.School of Electronic and Information Engineering，Soochow University，Suzhou 215006，China； 2.Institute of Acoustics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China
Abstract： Compared to the traditional atomic clocks, the ones based on coherent population trapping(CPT) can provide a higher time precision and have the potential to develop in the direction of miniaturization and low power consumption. Among different CPT atomic clocks, the one made with the rubidium atom is used widely, and its operating performance largely depends on its internal voltage-controlled oscillator(VCO) which is used to provide a proper microwave signal. Based on this, a small size and low phase noise 3.035 GHz VCO is designed with a modified Clapp circuit topology and a coaxial resonant with high quality factor. The designed VCO is simulated and optimized with the combined use of the negative resistance analysis method and the transmission analysis with a virtual-ground. The test results show that the phase noises of the VCO are -60.49 dBc/Hz@300 Hz，-73.08 dBc/Hz@1 kHz and -97.48 dBc/Hz@10 kHz，the output power is -1.13 dBm and the voltage-controlled tuning sensitivity is about 12 MHz/V. The index meets the application requirements of rubidium atomic clocks.
Key words : CPT；rubidium atomic clocks；coaxial resonant；VCO；low phase noise

0 引言

    隨著科技的進(jìn)步，軍工、深海探測等領(lǐng)域需要更高精度的時(shí)間基準(zhǔn)為其提供有力的保障，而利用相干布局囚禁(CPT)技術(shù)研制的原子鐘不僅能滿足精度要求，且正在向微型化、低功耗方向發(fā)展。CPT銣原子鐘是其中應(yīng)用最普遍的一種[1]。對于銣原子鐘的制造和應(yīng)用，具有一個(gè)高穩(wěn)定度、低噪聲的信號源是至關(guān)重要的，且要求信號源的頻率等于銣原子基態(tài)超精細(xì)分裂頻率的一倍或者一半[2]，從而能夠有效地調(diào)制系統(tǒng)后端的激光器。此外，由于工作環(huán)境溫度的變化、器件的老化以及外界干擾等因素影響，信號源的頻率會出現(xiàn)漂移現(xiàn)象，因而要求該電路具有適當(dāng)?shù)念l率調(diào)節(jié)能力，以補(bǔ)償由于各種因素引起的頻漂。

    本文針對銣85原子鐘設(shè)計(jì)了一個(gè)工作頻率為銣85原子基態(tài)超精細(xì)分裂頻率一半的3.035 GHz的壓控振蕩器(VCO)。該VCO首先利用具有快速起振優(yōu)點(diǎn)的負(fù)阻分析法進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，再結(jié)合虛擬地技術(shù)將電路演變成增益電路和諧振電路串聯(lián)的形式，根據(jù)奈奎斯特判據(jù)確定電路的振蕩頻率和起振條件，對電路的開環(huán)增益和相位響應(yīng)等參數(shù)進(jìn)行觀察，實(shí)現(xiàn)對電路參數(shù)的優(yōu)化，并能有效地對電路的工作機(jī)制進(jìn)行洞察。

1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與方法

1.1 電路結(jié)構(gòu)

    設(shè)計(jì)的壓控振蕩器采用Clapper結(jié)構(gòu)變形實(shí)現(xiàn)，主要由諧振電路、增益電路、壓控偏置電路和輸出隔離電路四部分組成。其中，電路的工作頻率主要由諧振電路決定，該電路主要由高品質(zhì)因數(shù)的同軸諧振器和具有良好線性度的變?nèi)荻O管組成；增益電路給振蕩器電路提供合適的增益用于起振和維持后續(xù)的穩(wěn)定振蕩，增益太小則電路無法起振，太大則電路工作在高增益壓縮區(qū)；壓控偏置電路用于控制電路中變?nèi)荻O管的反向偏置電壓，從而實(shí)現(xiàn)對電路振蕩頻率的調(diào)節(jié)；輸出隔離電路主要由電阻構(gòu)成，用于測試時(shí)隔離VCO和測試儀器以及工作時(shí)隔離VCO和后面連接的電路，可以降低由于阻抗失配引起的負(fù)面影響和負(fù)載牽引現(xiàn)象，其衰減值可以根據(jù)實(shí)際功率需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖1為所設(shè)計(jì)VCO的原理圖。

tx1-t1.gif

1.2 分析方法

    利用負(fù)阻分析法[3]設(shè)計(jì)振蕩器，要求電路的總阻抗ZT=RT+jXT=0，可以將其分解為總阻抗實(shí)部RT=RS+RL=0和總阻抗虛部XT=XS+XT=0，其中RS、XS、RL、XL分別為源阻抗和負(fù)載阻抗的實(shí)部和虛部。對于無源負(fù)載，其阻抗的實(shí)部一定是正的，若電路的總阻抗實(shí)部為0，則意味著有源器件應(yīng)存在適當(dāng)?shù)呢?fù)阻。該條件主要決定了電路是否可以起振，且在振蕩器起振時(shí)，要求電路的總電阻小于0，此時(shí)振蕩器中將有對應(yīng)頻率下持續(xù)增長的電流流過，而隨著電流的增大，總電阻的絕對值會逐漸減小，直到電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，此時(shí)電路的總電阻為0?？傋杩固摬繛?的條件則主要決定著電路的振蕩頻率。根據(jù)負(fù)阻分析法，電路的總電阻在穩(wěn)定振蕩之后為0，意味著此時(shí)的品質(zhì)因數(shù)為無窮大，這顯然是不可能的，此時(shí)利用電路的品質(zhì)因數(shù)來評估電路的相位噪聲也是沒有意義的，因此需要通過Leeson公式對相位噪聲進(jìn)行評估[4]。

    另外，利用負(fù)阻分析法對電路的增益也不能直觀地觀察，而利用虛擬地技術(shù)，將電路的結(jié)構(gòu)根據(jù)選擇的虛擬地重新連接，可以將圖1中的電路轉(zhuǎn)換為增益電路和諧振電路串聯(lián)形成的雙端口電路，此時(shí)通過S參數(shù)可以觀察電路開環(huán)增益的幅值和相位響應(yīng)，同時(shí)也可以根據(jù)零相位穿越點(diǎn)得到電路的諧振頻率，根據(jù)群延時(shí)粗略估計(jì)電路的有載品質(zhì)因數(shù)。

2 電路的仿真與實(shí)現(xiàn)

    利用相同的電路結(jié)構(gòu)和分析法，即圖1中去除同軸諧振器COAX，設(shè)計(jì)的只是由普通LC諧振電路構(gòu)成的VCO，受制于其諧振電路低品質(zhì)因素的特點(diǎn)，在1 kHz頻率偏移處的相位噪聲達(dá)到極限值-60 dBc/Hz。因此，本文采用高品質(zhì)因素的同軸諧振器設(shè)計(jì)電路，克服了普通LC電路的缺點(diǎn)，增加整體電路的Q值，從而達(dá)到優(yōu)化VCO的相位噪聲的目的。

    如圖1所示，將高品質(zhì)因數(shù)的同軸諧振器構(gòu)成的諧振電路(COAX，L2，C4)加載到晶體管的基極。在3.035 GHz的工作頻率時(shí)，該晶體管具有高的增益、合適的截止頻率和低的噪聲系數(shù)。變?nèi)荻O管選取的是超突變結(jié)型的器件，其具有良好的線性調(diào)節(jié)特性以及低的等效串聯(lián)電阻，在仿真時(shí)利用等效串聯(lián)RLC電路(C8，L3，R7)代替該變?nèi)荻O管，并將其通過一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娙軨2耦合到電路中，與同軸諧振器電路、晶體管、電容(C5、C6)一起構(gòu)成了Clapp式振蕩電路。R1和R8為晶體管提供基極分壓式偏置電路，并在發(fā)射極放置一個(gè)提供負(fù)反饋的電阻R9，用于穩(wěn)定晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)。振蕩信號由電容耦合輸出，輸出端口的衰減器用于實(shí)現(xiàn)隔離。

2.1 負(fù)阻分析法起振設(shè)計(jì)

    首先基于負(fù)阻分析法，調(diào)節(jié)優(yōu)化圖1中的C5、C6和R9的器件參數(shù)值，使得當(dāng)從晶體管基極看入時(shí)，電路具有適當(dāng)?shù)呢?fù)阻和較大的端口反射系數(shù)。端口反射系數(shù)的仿真結(jié)果如圖2所示，可看出其在3.035 GHz的工作頻率處達(dá)到最大值，為8.304 dB，說明電路存在足夠的負(fù)阻，電路可以起振。

tx1-t2.gif

    對電路進(jìn)行瞬態(tài)仿真，可以得到其時(shí)域與頻域的振蕩信號波形，如圖3所示?？梢钥闯?，電路很快實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的等幅振蕩，輸出信號的基波頻率為3.035 GHz，功率為-8.251 dBm，功率較小是因?yàn)樾盘柦?jīng)過了輸出端口的7 dB衰減器。

tx1-t3.gif

2.2 虛擬地分析優(yōu)化性能

    經(jīng)過負(fù)阻分析法設(shè)計(jì)，電路實(shí)現(xiàn)了起振并最終達(dá)到穩(wěn)定振蕩，不過該分析方法缺乏對電路工作機(jī)制的有效洞察，需要結(jié)合虛擬地分析法對電路的增益以及品質(zhì)因數(shù)等參數(shù)進(jìn)行評估，并根據(jù)仿真結(jié)果對器件的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)低相位噪聲VCO的設(shè)計(jì)。

    虛擬地技術(shù)是為了方便分析電路，在不改變原電路信號傳遞特性的同時(shí)，選擇一個(gè)新的接地參考點(diǎn)。一般選擇晶體管的發(fā)射極作為新的參考點(diǎn)，因?yàn)榘l(fā)射極既在控制電路中，又在被控制電路中，這么做可以將電路的增益模塊與調(diào)諧電路分離。之后為電路選擇一個(gè)斷開點(diǎn)作為分析端口，用于分析振蕩電路的特性，斷開點(diǎn)選在晶體管的基極[5]，最后得到的電路原理圖如圖4所示。

tx1-t4.gif

    為了實(shí)現(xiàn)最大的功率傳輸，兩個(gè)端口的阻抗值設(shè)置為共軛狀態(tài)。首先對電路進(jìn)行S參數(shù)仿真，然后根據(jù)式(1)[6]計(jì)算電路的開環(huán)增益。

    tx1-gs1.gif

    仿真結(jié)果如圖5所示。在極坐標(biāo)中繪制開環(huán)增益的曲線，可以看出隨著頻率的增大，曲線沿著點(diǎn)(1，0)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了一周，滿足電路起振的奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)[6]，電路可以起振。另外在直角坐標(biāo)系中繪制出增益的幅值相應(yīng)曲線（實(shí)線）和相位響應(yīng)曲線（虛線），可以看到在3.035 GHz附近有兩個(gè)零相位穿越點(diǎn)，但是右邊的穿越點(diǎn)處其增益小于0 dB，此時(shí)電路無法起振。在3.037 GHz處，不僅相位是負(fù)斜率穿越零點(diǎn)，且在該點(diǎn)處有8.542 dB的增益，可以滿足電路起振。零相位穿越點(diǎn)的頻率與3.035 GHz的工作頻率有些許差別，主要是該方法與瞬態(tài)分析稍有不同，但不影響電路功能的正確分析和參數(shù)的優(yōu)化。從相位響應(yīng)可以看出，在左邊零相位穿越點(diǎn)處其斜率較大，意味著電路有較高的有載品質(zhì)因數(shù)。根據(jù)式(2)可以得到在該穿越點(diǎn)處的有載品質(zhì)因數(shù)約為139。

    tx1-gs2.gif

tx1-t5.gif

2.3 諧波平衡分析

    對VCO電路進(jìn)行諧波平衡仿真觀察相位噪聲，仿真結(jié)果如圖6所示?？芍?00 Hz和1 kHz頻偏處的相位噪聲分別為-71.87 dBc/Hz和-85.123 dBc/Hz，可以很好地滿足銣原子鐘對低相位噪聲的要求。

tx1-t6.gif

2.4 測試結(jié)果

    根據(jù)仿真的電路圖以及確定的器件進(jìn)行電路實(shí)物圖的設(shè)計(jì)。為了使得電路的實(shí)際測試結(jié)果更加符合仿真結(jié)果，所用的器件的精度均在1%的容差范圍內(nèi)。同時(shí)根據(jù)更小的尺寸要求，電路中所用的電容、電阻、電感均是0402分裝的貼片式器件，并且器件在電路板中分布相對緊湊，根據(jù)實(shí)際的實(shí)物圖測量可以得知，該振蕩器的實(shí)際有效部分尺寸大約為10 mm×9 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1元人民幣硬幣的尺寸，同時(shí)厚度不到5 mm，對于原子鐘的小型化有很大的幫助。因?yàn)樗O(shè)計(jì)的振蕩器處于高頻段，對于PCB基質(zhì)板的選擇，雖然FR4基質(zhì)板的成本較低，但由于其阻抗等參數(shù)的離散性較大，寬頻率范圍內(nèi)的一致性、平坦性也較差，因而不能滿足應(yīng)用需求。最終選擇的PCB基質(zhì)板為Rogers的高頻板，其介質(zhì)成分、物理尺寸的一致性非常好，而且穩(wěn)定，有利于降低相位噪聲。

    利用頻譜分析儀對其性能進(jìn)行測試，在實(shí)際測試中，由于所設(shè)計(jì)的頻率屬高頻范圍，對于外界環(huán)境、焊接水平等因素比較敏感，實(shí)際的測試結(jié)果和仿真結(jié)果很難一致，因此通過微調(diào)關(guān)鍵器件的參數(shù)值，最終獲得符合設(shè)計(jì)要求的結(jié)果。

    根據(jù)測試可知，該振蕩器的基波信號頻率為3.035 GHz，輸出信號的功率經(jīng)過7 dB衰減器后為-8.13 dBm，則可知輸出功率值為-1.13 dBm，符合文獻(xiàn)[7]中針對3.035 GHz微波信號源提出的功率指標(biāo)，即-5~-2 dBm。相位噪聲的測試結(jié)果如圖7所示，可以得到所設(shè)計(jì)VCO的相位噪聲為-60.49 dBc/Hz@300 Hz、-73.08 dBc/Hz@1 kHz和-97.48 dBc/Hz@10 kHz，優(yōu)于文獻(xiàn)[7]中針對銣原子鐘系統(tǒng)中壓控振蕩器相位噪聲提出的指標(biāo)，即-90 dBc/Hz@10 kHz。此外，根據(jù)圖8可知，該壓控振蕩器在0~2 V的電壓范圍內(nèi)，壓控靈敏度大約為12 MHz/V，通過調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管兩端的電壓，可以彌補(bǔ)頻率的漂移，使得該壓控振蕩器始終能夠在3.035 GHz頻點(diǎn)振蕩工作。

tx1-t7.gif

tx1-t8.gif

3 結(jié)論

    本文根據(jù)銣85原子鐘的相關(guān)應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)了一個(gè)在3.035 GHz頻點(diǎn)工作的低相位噪聲的壓控振蕩器，同時(shí)具有小尺寸、低功率輸出的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合負(fù)阻分析法和虛擬地分析法，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)合理選擇器件，高品質(zhì)因數(shù)的同軸諧振器、低噪聲系數(shù)的晶體管和高線性調(diào)節(jié)能力的變?nèi)荻O管給振蕩器的良好性能提供了保障。為了精確仿真，在ADS軟件中對重要器件在工作頻率下建模，利用瞬態(tài)仿真、開環(huán)增益仿真和諧波平衡仿真等對電路起振條件和功率、相位噪聲等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和驗(yàn)證。測試結(jié)果表明，振蕩器性能良好，符合銣原子鐘的應(yīng)用要求。

參考文獻(xiàn)

[1] KNAPPE S，SCHWINDT P D D，SHAH V，et al.A chip-scale atomic clock based on 87Rb with improved frequency stability[J].Optics Express，2005，13(4)：1249-1253.

[2] BRANNON A，BREITBARTH J，POPOVIC Z.A low-power，low phase noise local oscillator for chip-scale atomic clocks[C].Microwave Symposium Digest，2005 IEEE MTT-S International，2005.

[3] KUROKAWA K.Some basic characteristics of broadband negative resistance oscillator circuits[J].Bell Labs Technical Journal，1969，48(6)：1937-1955.

[4] LEESON D B.A simple model of feedback oscillator noise spectrum[J].Proceedings of the IEEE，1966，54(2)：329-330.

[5] BRANNON A，JANKOVIC M，BREITBARTH J，et al.A Local oscillator for chip-scale atomic clocks at NIST[C].International Frequency Control Symposium and Exposition，2006：443-447.

[6] RANDALL M，HOCK T.General oscillator characterization using linear open-loop S-parameters[J].Microwave Theory & Techniques IEEE Transactions on，2001，49(6)：1094-1100.

[7] 鄧科.微型化相干布居囚禁原子鐘的實(shí)驗(yàn)研究[D].北京：北京大學(xué)，2011.

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng)，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。