一种应用于CPT原子钟的低相噪微波频率合成器

句博文，云恩学

(1.中国科学院 国家授时中心，西安 710600；2.中国科学院大学，北京 100049)

0 引言

基于相干布居囚禁CPT(Coherent Population Trapping)[1]量子干涉原理的被动型气泡型原子钟，因其激励原子的钟跃迁的微波调制在光场上，省去了微波腔，可实现小型化甚至芯片级的原子钟，可应用于对体积、功耗、重量有严格限制而又需要精密时间的场景，如无人机、GNSS便携接收机、水下勘探等[2-3]，因而成为欧美等发达国家原子钟研究的重要方向。目前芯片级原子钟的频率稳定度在10-10@1 s量级[4]，还有较大提升空间以满足需要更高精度要求的应用，如深空导航、微纳卫星编队组网、水下潜航器等。为了进一步提升CPT原子钟的频率稳定度性能，目前国际上基于lin⊥lin、push-pull等构型的高性能CPT原子钟[5-6]，频率稳定度达到了10-13@1 s量级[7-9]，展现了CPT原子钟良好的性能潜力。

在前期的合成器研制中[10]，基于梳状谱发生器来产生 3.417 GHz微波信号，获得了较低相位噪声，但可以发现其结构仍然较为复杂、功耗偏大。在此基础上，我们进一步研究了一种低相位噪声微波频率合成器，该方案减少了电子器件和系统复杂性，保证了低相噪的同时，微波功率稳定性得到改进，可用于CPT原子钟。该合成器利用声表面滤波器[11]的窄带宽特性，可以实现中心频率为 100.5 MHz通带小于1 MHz的滤波，同时应用了锁相介质振荡器(PDRO)可以实现锁相输出 3.417 GHz，结构进一步优化。

1 低相噪频率微波合成器

我们频率合成器基本结构是基于100 MHz恒温晶体晶振(OCXO)和直接频率合成器(DDS)混频后生成100.5 MHz频率信号，通过含有锁相环的介质振荡器(DRO)倍频后生成输出的 3.417 GHz频率信号，这种结构可以通过DDS产生小频率，通过窄带宽滤波器滤波，可以简化微波频率合成器的整体结构。

如图1所示，具有超低相位噪声的OCXO晶振(AXTAL,AXIOM5050ULN)被选择作为微波频率合成器的本地晶振。OCXO晶振的输出信号通过一个频率分配器(Sync-tech,STMFP4)被分为两路信号并且每一路信号的输出信号功率为+13 dBm。第一路输出信号直接送入DDS(ADI,AD9912)作为DDS的参考输入信号，DDS输出0.5 MHz信号送入到混频器的IF端。第二路输出信号直接连接到混频器的LO端，通过混频器(Mini-Circuits,ZFM-2-S+)混频输出100.5 MHz信号，混频器输出信号通过中心频率为100.5 MHz的声表面滤波器和功率放大器(Mini-Circuits,ZFL-1000VH2X+)送入到用于锁相 DRO 的采样相位检测器，DRO 的 3.417 GHz 信号使用子采样 PLL 直接锁相到 100.5 MHz 信号上，产生的 3.417 GHz 信号经过滤波和放大，可用于后续的相位噪声测量和 CPT 原子钟的实验。

图1 3.417 GHz微波频率合成器结构图

2 频率综合器性能

图2 滤波之前和滤波之后混频器输出100.5 MHz信号频谱(RBW=VBW=47 kHz)

注：(a)为参考晶振OXCO 100 MHz输出信号，(b)为频率分配器100 MHz的输出信号，(c)为100.5 MHz功率放大后输出信号，(d)为实际输出的 3.417 GHz 信号，(e)为理论输出的3.417 GHz 信号，(f)为自由运行PDRO的相位噪声

从图3中(d)和(e)曲线可以看出，PDRO 输出的 3.417 GHz 信号在偏移频率小于 30 kHz 时的相位噪声因理想化的 20logN而恶化。对于f>30 kHz，与理想倍增的3.417 GHz 信号相比，输出3.417 GHz 信号的相位噪声会有所降低，尤其是在锁定带宽的偏置频率处，相位噪声最大恶化了8 dB。此外，PLL的锁定带宽约为400 kHz。因此无法完全抑制微波综合器在400 kHz处的相位噪声。限制该3.417 GHz 信号的相位噪声的最大原因是混频输出的100.5 MHz频率信号。在≤20 kHz时，DDS输出的0.5 MHz小频率信号与频率分配器直接输出的100 MHz信号混频输出的100.5 MHz相位噪声决定最终输出3.417 GHz信号的相噪水平，而≥20 kHz时，则由功率放大后的100.5 MHz信号影响输出信号。在下一节的测量和分析中，发现是由于DDS输出0.5 MHz信号的相位噪声恶化了100.5 MHz信号的信号质量进而限制了3.417 GHz输出信号的相位噪声。

在自由运行状态下，DRO在f=100 kHz时表现出-125 dBc/Hz的相位噪声。f>10 MHz 时的相位噪声基底为-172 dBc/Hz(此处未显示)。在锁定状态下，3.417 GHz输出信号在f=1 Hz、100 Hz、1 kHz和10 kHz时分别表现出-61、-107、-118.6和-124 dBc/Hz的相位噪声性能。

在上述工作的基础上，我们测量了频率合成链的关键信号和组件的绝对相位及残余相位噪声性能，如图4所示。在整个链路中，由于3.417 GHz输出频率是通过100.5 MHz频率锁相倍频得到的，所以影响最终输出3.417 GHz信号质量的是100.5 MHz信号质量，100.5 MHz信号是由100 MHz信号和0.5 MHz信号进行混频得到，通过测量0.5 MHz残余相噪和100 MHz信号的绝对相噪，明显显示出0.5 MHz信号残余相噪在>200 Hz后限制了其绝对相噪的质量，造成了混频后信号的恶化。由于最终输出3.417 GHz的参考信号是100.5 MHz信号，所以最终会恶化输出的3.417 GHz信号。在图3中，锁定 DRO 输出的3.417 GHz性能比100.5 MHz信号的性能高约31 dB，这与理想倍频情况吻合。

3 稳定度影响

目前对高性能CPT原子钟短期频率稳定性限制的主要贡献之一是微波相位噪声，它通过脉冲工作模式下的Dick效应或连续工作模式的交调效应来影响原子钟的频率稳定度[12-13]。以后者为例，当微波信号用低频fm调制时，偏移频率等于fm偶数倍的相位噪声将频率波动转化为伺服回路的探测信号，根据该交调效应，微波相位噪声对短期频率稳定度的贡献为[14]

(1)

式(1)中,fm是原子钟微波的调制频率，Sφ(2nfm)是频偏为fm偶次倍的微波相位噪声，C2n是相应谐波的系数，对于气泡型原子钟，调制频率一般在百赫兹量级，交调效应的贡献以低次谐波为主。因此，我们着重考虑100 Hz～1 kHz范围内的相位噪声。最近的研究表明高性能CPT 原子钟对微波相位噪声表现出更大的敏感性[15]，因而，研制低相噪微波频率综合器显得更加必要。

在本实验中，通过测量所研制的微波频率合成器输出3.417 GHz微波信号的相位噪声,如图3中曲线(d)所示，并根据公式(1)进行估计，在平均时间为1 s处，微波通过交调效应对原子钟频率稳定度的贡献为 5.8×10-14，要比目前 CPT 原子钟最好的频率稳定度低半个数量级[16]。

4 结语

本工作展示了一种低相位噪声的3.417 GHz 微波频率综合器，其结构简单，相位噪声低。对于1 Hz、100 Hz、1 kHz和10 kHz频率偏移处，其输出的3.417 GHz信号的绝对相位噪声分别为-61、-107、-118.6和-124 dBc/Hz。当应用于 CPT 原子钟时，通过交调效应，对CPT原子钟的短期频率稳定度影响仅为5.8×10-14@1 s。因此，本工作中的微波频率合成器可以满足高性能CPT原子钟的要求，同时，该频率合成器也可用于POP、冷原子CPT、拉曼原子干涉仪或陀螺仪等需要低相噪微波的实验。目前我们的微波频率综合器主要受DDS输出0.5 MHz信号的相位噪声限制，这是我们下一步改进的方向。