应用于相干布居囚禁原子钟的低相位噪声微波频率综合器

姚明昊， 段俊毅， 王学影， 韩琪娜， 施 杨，周琨荔， 茹 宁， 刘小赤， 屈继峰

(1.中国计量大学 计量测试工程学院，浙江 杭州 310018；2.中国计量科学研究院 前沿计量科学研究中心,北京 102200)

1 引 言

针对进一步提升CPT原子钟的性能，国内外学者提出了多种研究方案。在短期频率稳定度方面，包括采用新型光抽运构型、优化探测噪声等手段，目前高性能的CPT原子钟短期频率稳定度已进入10-13量级[10～14]。同时，针对中长期性能，采用更紧凑的物理系统和更稳定的温度控制、或者利用激光冷却原子[15,16]替代热原子气室，都可以进一步优化CPT原子钟的中长期频率稳定度。

微波原子钟的频率稳定度由以下几个因素限制：散弹噪声极限，依赖于原子跃迁信号信噪比；交互调制噪声极限，依赖于微波链噪声；物理环境效应引入的漂移，光、微波功率、温度漂移等。

包括CPT原子钟在内的微波原子钟采用的本地振荡器为一个微波源/微波综合器。对于CPT原子钟来说，尽管微波场并没有和原子直接作用，但源自微波综合器的相位噪声仍是限制其短期、中长期稳定度的重要因素之一。

微波源系统的核心器件为晶体振荡器，种类包括普通晶振(PXO)、恒温晶振(OCXO)、温度补偿晶振(TCXO)、压控晶振(VCXO)、蓝宝石晶振等，晶振的快速发展为原子钟的指标提升打下了基础。其中，压控晶振短期频率稳定度可达5×10-6，温度补偿晶振短期频率稳定度可达5×10-8，恒温晶振短期频率稳定度可达3×10-13，蓝宝石晶振短期频率稳定度[17～19]可达10-15，但由于低温蓝宝石晶振需要低温环境，系统较为复杂和对环境要求苛刻，不适于小型化和量产，通常会选择使用恒温晶振作为微波源的本振。

目前，针对微波原子钟的小型化微波源研究，其合成微波的路线思路为将10 MHz或100 MHz微波信号使用不同倍频手段倍频至目标频率附近，同时使用本振产生一个小信号进行混频得到目标频率。将本振进行多次倍频的方式有NLTL(非线性传输线)、PLL(锁相环)、DRO(介质振荡器)等[20～25]。

微波信号的相位噪声由于Dick效应[23～25]限制了CPT原子钟的频率稳定度。原子钟频率稳定度限制和微波综合器的相位噪声关系如式(1)所示：

(1)

式中：C表示不同调制频率下的系数；Sφ(2nfm)表示本振信号在2nfm处的功率谱密度。当微波源作用在连续微波场的原子钟上时，fm为原子钟锁定的调制频率，一般为100 Hz，故需要关注的微波综合器相位噪声的偏置频率为200 Hz;当微波源作用于脉冲式的微波源时，fm为一个原子钟反馈周期。

根据表4各区县的风险值及表5的雷电灾害综合风险值R评判标准，可得到长沙地区雷电灾害风险区划结果，如表6所示，结果表明长沙县、宁乡县为雷击灾害极高易损区，望城区为高易损区，天心区、岳麓区、浏阳市为中易损区，芙蓉区、开福区、雨花区为低易损区。

在本研究中设计并构建了小型化超低相位噪声微波综合器系统，根据相位噪声测量结构与理论计算，可以完全满足高性能CPT原子钟的性能要求。

2 微波综合器总体结构设计

CPT的原理是相干光场提供一个原子由基态1能级跃迁到激发态3能级的光，另一束光可提供原子由基态2能级跃迁到激发态3能级的光。当基态1能级和基态2能级上的原子同时受到激发跃迁到激发态3能级的光时，原子将被囚禁在暗态，CPT透射信号即可被捕捉到。对铷87原子来说，基态1、2能级之间的频率差为6.834 GHz，原子跃迁如图1所示，故需要一个能输出6.834 GHz微波信号的微波源用来调制激光光源，实现相干双色光场的输出。

图1 CPT原理图Fig.1 CPT scheme

在本设计中，将锁相介质谐振振荡器(PDRO)和直接数字合成(DDS)相结合，生成了高纯度、低相噪的微波信号谱。相较于文献[26],本设计在频率合成过程中采用了更少的器件。微波合成器结构示意图如图2所示。

图2 微波频率综合器结构图Fig.2 Architecture of microwave synthesizer

整体系统采用输出信号频率为100 MHz的恒温晶振(ZF550)最终生成6.834 GHz的微波信号。恒温晶振的输出信号经过分频器(STMFP4-1-120)分为两路，一路输入DDS(AD9912)作为参考，DDS产生66 MHz微波信号;另一路经过衰减器后进入PDRO(PDRO-006F-100-6900-13G)，此时信号功率为8 dBm。PDRO经过锁频鉴相倍频至6.9 GHz，与DDS产生的66 MHz信号进行混频，产生6.834 GHz的信号，经过腔体带通滤波器后经过放大器，最终得到干净的6.834 GHz信号，由于DDS产生的66 MHz信号功率可调节，故此时信号功率为-16～-6 dBm。由于实际实验中使用EOM对激光进行调制故，要求微波信号的功率需达到20 dBm以上，故在最终信号输出前加入功率放大器将微波信号放大35 dBm，此时信号功率可达25 dBm。

在元器件放置底板有设置控温功能，具体实施方式为使用TEC制冷片将元器件产生的热量传递到机箱外，采用热敏电阻作为温度传感器，采集到的温度转换为电压经单片机进行PID计算，计算结果作为D/A的输出值，控制TEC制冷片的输出功率，达到使机箱保持恒温状态。

在晶振的选择上，尝试了2种不同晶振，型号为ZF550-5和OCXO-100-L，其相位噪声如图3所示。1～300 Hz范围内，ZF550-5性能表现更好，在1000 Hz时，两种晶振的相位噪声相差仅有 2 dBc/Hz。1 kHz之后两种晶振的相位噪声均可达到-160 dBc/Hz以下，其差距大概为10 dBc/Hz。原子钟的短期频率稳定度水平由LO限制，调制频率一般在100 Hz以内，kHz量级之后的相位噪声对原子钟性能不构成影响，并不会影响微波源最后输出信号的相位噪声，故在本系统的设计中选用频偏在200 Hz以内相噪表现更好的ZF550-5作为本振。

图3 两种晶振相位噪声对比图Fig.3 Phase noises of two different quartz oscillators

DDS芯片选用ADI公司AD9912[27]，该芯片内部主要组成部分为DDS核、14 bit的DAC，基于锁相原理的时钟倍频电路、调制参数寄存器、串行/并行寄存器、时序控制单元和产生器。其中，锁相倍频电路最多可以为输入参考时钟提供66倍频，DDS输出频率最高达400 MHz，输出频率步进不小于 4 μHz，低功耗，工作电压为1.8 V、I/O电荷泵电压为3.3 V，工作温度范围在-40 ℃至+85 ℃。可以使用仿真软件配合数据板卡或单片机使用SPI通信协议进行编程，实现对输出信号的编辑，完全满足产生66 MHz微波信号及后续设计实验的FM、PM需要。

DDS的参考频率可以使用不同频率做参考，对比了两种生成66 MHz微波信号的方案。内部倍频路线是指由晶振产生的100 MHz信号直接输入DDS芯片作为频率基准，DDS芯片内部进行数字倍频后生成1 GHz的基准频率然后生成目标频率 66 MHz。外部倍频方案是指由晶振产生的100 MHz信号在进入DDS芯片之前经过频率倍频器倍频至500 MHz，将此信号作为基准信号输入DDS芯片，然后产生66 MHz目标频率。两种方案下产生的 66 MHz 信号的相位噪声以及各自最终生成的6.834 GHz微波信号的相位噪声如图4所示：2种方式产生的66 MHz信号相位噪声(黑色和红色)，2种方式产生的6.834 GHz信号相位噪声(蓝色和绿色)，8257D产生的6.834 GHz信号的相位噪声(紫色)，由晶振推算的6.834 GHz信号的理论相位噪声(棕色)。

图4 不同频率信号的相位噪声Fig.4 Phase noises of various signals

从图4中可知，在1～100 Hz偏移范围内，两种方式虽然在66 MHz微波信号相位噪声上产生很大差异但并未影响最终输出信号的相位噪声，在2 kHz后几乎无偏差。在200 Hz～100 kHz范围内的6.834 GHz的相位噪声的差别是由DDS参考频率的不同带来的影响。两种DDS合成微波信号方式在和商用仪器8257D(Keysight)进行6.834 GHz相位噪声进行对比，在100～1 000 Hz范围内，两种方式在350 Hz内都比8257D的相位噪声更低。在大于350 Hz的范围，由于外部倍频方式比内部倍频方式相位噪声更好，所以最终的输出信号上会有更多的内部倍频方式合成的66 MHz信号的相位噪声影响。故若想要实现较大调制频率的相位噪声比较低，则需要使用外部倍频产生DDS参考频率的合成路线。无论哪种方式合成66 MHz信号均会在偏移200 Hz后逐渐与理论值偏离，这是由于PDRO和DDS的本底噪声共同决定的。

由于实验中调制频率为100 Hz，故在 200 Hz 处相位噪声与理论值相近，假设希望得到原子钟频率稳定度限制在10-13水平，由Dick效应公式推算出理论上6.834 GHz信号在200 Hz处的相位噪声至少要达到-106 dBc/Hz。故本设计选择使用DDS内部倍频方案作为基准生成66 MHz微波信号即符合设计需求，节省了合成路线、功耗及物理体积。

图5展示的是DDS在不同输出功率下的最终合成输出的6.834 GHz信号的相位噪声，由图中数据可知，在所关注的200 Hz频点上DDS输出功率的变化并未影响最终输出信号的相位噪声，只是会相应增大或减小最终6.834 GHz微波信号的输出功率。在大于200 Hz频偏时，DDS输出功率大会有相位噪声变差的情况出现但考虑到最后6.834 GHz信号需要放大至20 dBm以上，故选择6.834 GHz输出功率为-10.5 dBm，此时DDS输出功率为0 dBm。

图5 不同功率DDS信号下6.834 GHz信号的相位噪声Fig.5 Phase noises of 6.834 GHz signal with different DDS signal powers

3 微波频率综合器性能测试

频率综合器的输出频谱如图6所示。通过频谱测量结果可得，频率综合器的输出信号为6.834 GHz，满足Rb原子CPT钟的要求，输出功率为25 dBm(图示结果为信号用40 dB衰减器衰减后效果)，且无明显杂散频率。

图6 输出的6.834 GHz信号频谱图Fig.6 Spectrum of the output 6.834 GHz signal

图7 频率综合器各节点的相位噪声图Fig.7 Phase noise of each key component output in the frequency synthesizer

图7为低相位噪声微波频率综合器的关键信号绝对相位噪声性能，包括6.834 GHz信号的理论相位噪声。频率综合器输出6.834 GHz相位噪声和PDRO输出的偏移频率相似，范围为1 Hz～100 kHz。在200 Hz(时钟调制频率的二次谐波)处，微波信号的实测相位噪声值与理论相位噪声值相差3 dBc/Hz。然而，由于PDRO的本底相位噪声限制，6.834 GHz 信号的实测相位噪声在100 Hz量级开始较理论值有所恶化。在1 kHz后DDS相位噪声逐渐决定了输出信号相位噪声的恶化趋势，造成了输出信号比PDRO信号还要恶化5～8 dBc/Hz的现象。此外，锁相环的锁定带宽约为300 kHz。因此，在300 kHz时的微波合成器的相位噪声不能被完全抑制，也不能被DDS的相位噪声所降低。根据式(1)，使用本微波源的CPT原子钟的短期频率稳定度理论值能达到8.2×10-14。当需要微波源提供大功率微波输出时仅需选择合适放大倍数的功率放大器即可，本实验系统为配合EOM使用，故在系统中选用了放大倍数为35 dB的功率放大器。测试结果表明，该系统与已知系统[28]相比，使用了更少的组件，达到了相似的性能。

如前文提到，本研究构建的微波综合器是作为高性能CPT原子钟的本地振荡器和双色光场调制源。采用通过单色激光加电光调制器(EOM)的方案产生所需CPT双色光场，实验结构如图8所示。

图8 CPT信号实验结构图Fig.8 Architecture of CPT resonance signal system

光源为通过饱和吸收稳频技术锁定的780 nm半导体激光器，光场通过整形准直后进去光纤型EOM。EOM通过本文研制微波综合器产生的 6.834 GHz 信号驱动。为验证产生的双色光场是否符合CPT原子钟要求，使用法珀腔对EOM产生的光场进行测量。使用PBS以及λ/2波片分出一路光导入法珀腔，法珀腔的探测结果表明激光经EOM调制后产生了双色光场,由法珀腔的工作原理可知0、+1边带相距6.834 GHz。改变微波信号的功率即可改变双色光场的0、+1边带强度，当0、+1边带的强度近乎相等时，理论上将取得最好的CPT效果。图9为微波源输出信号功率为20 dBm时，0、±1 级光边带信号幅度比值为1。该结果验证了研制的微波综合器可以作为CPT双色光场的调制源。

图9 法珀腔探测光边带结果图Fig.9 Optical signal sidebands detected with the Fabry-Pérot cavity

4 结 论

研制了一种可应用于高性能CPT原子钟的小型化超低相位噪声频率综合器。实验结果表明，所研制的微波频率综合器产生的6.834 GHz微波信号在200 Hz偏置频率下的绝对相位噪声为-108 dBc/Hz。相较于文献[29],使用了更少的元器件达到了相同kHz量级的相位噪声表现。通过理论计算，可得出由微波源相位噪声引起的频率稳定度限制可达8.2×10-14，满足后续高性能CPT原子钟研制的要求。未来将基于此相噪水平探索输出功率稳定的功能并应用于CPT原子钟。所提出的高性能频率综合器也可用于微波原子传感器和标准，如原子磁强计、原子干涉仪和原子陀螺仪。