1、可編程數字功率器研討     引言相干布居囚禁(Coherentp叩ulation七rapPing，CPT)原子頻標是利用原子與相干激光相互作用所產生的一種量子干涉現象而實現的一種新型原子頻標川，也是目前從原理上唯一可實現微型化的原子頻標，其體積、功耗比氫原子頻標a、艷原子頻標s要小，甚至與目前體積、功耗最小的鉚原子頻標相比還要小得多。然而，由于受到原子譜線多普勒加寬的限制，原子光譜的線寬較寬，導致CPT原子頻標的穩定度偏低。為此，可以將時域的瓜msey分離振蕩場技術與cPT現象相結合，從而獲得線寬更窄、信噪比更佳的Ramsey一CPT干涉譜線，以此譜線

2、作為微波鑒頻信號，可以實現穩定度更高Ralllsey一CPT原子頻標rs。CPT原子頻標采用連續激光和原子相互作用的工作方式，而Ramsey一CPT原子頻標采用脈沖激光和原子相互作用的工作方式。但是目前已有的Ramsey一CPT原子頻標用聲光調制器(AOM)作為光開關產生脈沖激光，由于AOM體積較大、功耗較高，限制了Ramsey一CPT原子頻標向微型化和低功耗原子頻標方向的發展。本文采用可編程數字功率衰減器實現脈沖形式的微波信號，以實現相干脈沖激光與原子周期性相互作用。另外，Ramsey一CPT原子頻標以鉚85為工作原子，采用全寬調制，其頻率鎖定過程要求微波源以3.035732439GHzls

3、為中心頻率，在小頻率范圍內小步長進行掃描而獲得一個Ralnsey一CPT峰信號，通過控制電路將微波頻率鎖定在線寬很窄的Ramsey一CPT峰的最大值處，從而實現原子頻標的閉環鎖定v。顯然，Ramsey一CPT原子頻標對微波源精度和體積的要求都比較高，所以需要設計高性能、小體積的脈沖微波源。2Ramsey一CPT原子頻標中脈沖微波源的設計方案Ramsey一CPT原子頻標的具體實現原理框圖可以由圖1看出，微控制器通過控制頻率變換級電路和可編程數字功率衰減器，經過阻抗匹配電路，產生所需脈沖微波源，再經過偏置器與激光器驅動電流藕合來實現激光器的微波調制sl，從而產生所需相位差恒定、頻率差等于微波源頻率

4、的兩相干脈沖激光.為了進一步提高最終標準輸出頻率的性能和減小脈沖微波源的體積，Ramsey一CPT原子頻標脈沖微波源的設計方案顯得尤為重要。目前，對于Ramsey一cPT原子頻標微波源來說，設計方案主要有隊l)鎖相環(PLL)方案;2)注入式鎖相環方案;3)本地振蕩器(LO)方案。其中，PLL方案在相位噪聲和雜散等方面均滿足設計要求，是最成熟的設計方案。Symmetricom和Kernco是世界上現階段僅有的把CPT原子頻標商品化的廠家，它們均采用PLL方案，但微波源的體積和功耗仍然偏大。為了解決體積和功耗的問題，注入式鎖相環方案和LO方案正不斷地應用到CPT原子頻標中.LO方案采用體積很小的

5、介質振蕩器(DRO)直接產生高頻信號，在體積和實現難易程度上具有優勢，但相位噪聲方面要比前兩種方案差.而一般來說，原子頻標需要產生低頻的標準輸出頻率，這就需要加入復雜的小數分頻電路，很大程度上降低了LO小體積的優勢。出于高性能、小型化的考慮，本文對鎖相環方案進行改進，選擇體積小、集成度高的鎖相環頻率合成器集成芯片ADF4350，使其不需要外接壓控振蕩器、只需外加一個環路濾波器就可以構成一個完整的低噪聲、低功耗、高穩定度、高可靠性的鎖相環頻率合成器.采用直接數字頻率合成器(DDS)作為參考源驅動鎖相環頻率合成器，再結合可編程數字功率衰減器和阻抗匹配電路，從而實現高穩定度、高分辨率、快跳3高性能小

6、型脈沖微波源3.1系統原理脈沖微波源的基本原理組成框圖如圖2所示，采用相位噪聲、諧雜抑制都很好的壓控溫度補償晶體振蕩器(vcTcxo)作為DDs的參考時鐘源;通過微控制器把頻率控制字和相位控制字寫入DDS內部的寄存器中，DDS便可以產生一個頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出;然后把DDS的輸出信號作為PLL的參考信號，設定分頻器的分頻比N，便得到了頻率為DDS輸出頻率N/R倍的時鐘信號;通過可編程數字功率衰減器實現脈沖形式的微波信號，再經過阻抗匹配電路，最后根據期望輸出脈沖微波信號。這種結構利用DDS的高分辨率保證了足夠小的頻率步進，同時PLL的帶通特性很好地抑制了DDS輸出頻譜中的部分雜

7、散.該方案實現了DDS和PLL的優勢互補，兼顧了各個方面的性能.所以此方案實現的脈沖微波源具有小體積、較高頻率、較快頻率轉換速度和較高頻率分辨率的特點，同時也很好地保證了系統雜散和相位噪聲性能。3.2設計與測試322PLL部分PLL部分主要包括預分頻器、分頻器、鑒相器、環路濾波器(LPFZ)和壓控振蕩器(vCO)。根據設計需要采用ADF4350，它結合外部環路濾波器(LPFZ)和外部基準頻率(DDS提供)使用時，可實現低噪聲、低功耗、高穩定度、高可靠性、小體積的鎖相環頻率合成器。ADF4350的外圍電路主要由線性穩壓器LP5900SD一3.0和外部環路濾波器(LPFZ)等組成.LP5900sD

8、-3.0能提供100mA的輸出電流，具有低器件噪聲、高電源抑制比、低靜態電流和較低的線路瞬態響應。采用ADIsimPLL仿真軟件對鎖相環頻率合成器進行仿真設計，可以得到如圖4所示的相位噪聲仿真圖。環路濾波器(LPFZ)的電路是鎖相環電路中較重要的一個部分，它的性能好壞直接關系到鎖相輸出的相位噪聲和雜散指標.通過仿真優化濾波器可以得到更佳的輸出性能，采用Or-CAD/pspiee10.5軟件對LpFZ的仿真結果進行優化，得到如圖5所示帶寬為20kHz的LpFZ的設計圖(a)和仿真結果圖(b)。將上述設計進行電路實現，得到所需的微波源，4結論Ramsey一CPT原子頻標雖然是一種新型原子種，但由于

9、其功耗低、體積小和啟動快的優點而得到快速發展，在商用通信、軍用車、艦、空間星載導航等領域都有極大的應用前景。本文通過對Ramsey一CPT原子頻標所需的脈沖微波源設計方案進行論證，采用DDS激勵PLL的頻率合成方案產生所需的3035MHz的微波脈沖信號，頻率穩定、可靠，滿足系統高性能、小型化的設計要求，而且該電路通過仿真確定了電路參數，方便快捷，便于優化;通過微控制器控制輸出頻率，調試簡單，性能穩定.采用DDS與PLL相結合的混合結構、可編程數字功率衰減器方便實現脈沖信號所設計的脈沖微波源，綜合了各自的優點，具有優良的技術性能進一步提高了Ramsey一CPT原子頻標標準輸出頻率的性能。同時，達到了設計小型化的要求，有利于Ram