專利名稱：一種銣頻標(biāo)的鎖相倍頻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及銣原子頻標(biāo)領(lǐng)域，更具體涉及一種銣頻標(biāo)的鎖相倍頻器， 可廣泛適用于雷達、通訊、小型化原子頻標(biāo)、頻率穩(wěn)定度測量等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
小型銣原子頻標(biāo)是通過光、微波與原子的雙共振及鎖頻環(huán)路將87Rb原子的 0-0躍遷譜線的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性傳遞給本振而構(gòu)成的一種被動型原子頻標(biāo)。
它具有較小體積,較低功耗,較好的抗惡劣環(huán)境能力,同時具有較好的指標(biāo)，能
滿足絕大多數(shù)軍用和民用工程的需要。是目前應(yīng)用最為廣泛的一種原子頻標(biāo)，占 有目前原子頻標(biāo)市場份額的95%。它可用于預(yù)警機、戰(zhàn)機、飛航式導(dǎo)彈、電子對 抗、戰(zhàn)術(shù)移動通訊網(wǎng)、軍用時同系統(tǒng)、蜂窩基站、3G/4G網(wǎng)絡(luò)、電力監(jiān)控等工程 領(lǐng)域。
銣原子頻標(biāo)可以分為量子系統(tǒng)和電路系統(tǒng)兩部分。電路系統(tǒng)一般由射頻倍頻 器，頻率綜合調(diào)制器和同步檢波器組成。射頻倍頻器單元是產(chǎn)生6834.6875MHz 微波探詢信號的前級，倍頻按20/giV的關(guān)系擴大輸入源的相噪，而綜合單元輸出 的5.3125MHz信號在末級才參與混頻，因此射頻倍頻單元的附加相噪是決定整 個射頻鏈的相位噪聲的最重要因素。
傳統(tǒng)倍頻一般是利用非線性器件，如晶體管、整流器、階躍二極管，使輸入 信號的波形發(fā)生非線性變換，再接入帶通濾波器或具有選擇性的調(diào)諧放大器選出 所需要的諧波實現(xiàn)倍頻。典型的有三極管丙類倍頻，電流開關(guān)倍頻和階躍二極管 倍頻。三極管丙類倍頻由于輸入信號相位零點與經(jīng)過選頻后的輸出信號零點存在 相位差，因而相位噪聲高，頻率穩(wěn)定度差。后來美國richard等人提出的電流開 關(guān)倍頻，它依據(jù)高速邏輯電路中的射級耦合電流開關(guān)的原理工作，基于躍變電流 作用于臨街阻尼狀態(tài)的L-C-R電路時，在回路兩端可以得到短的暫態(tài)過程，因而可以形成窄脈沖，改善了相位噪聲和相位抖動。但受到回路分布參數(shù)(如寄生 電容)的影響，阻尼振蕩的脈沖寬度T和幅度值V都受到了限制，使其不能把 矩形脈沖很好的變成更窄的尖峰脈沖，限制了電流開關(guān)倍頻效率的進一步提高。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是在于提供了一種銣頻標(biāo)的鎖相倍頻器，其結(jié)構(gòu)簡單，集 成化程度高，具有合適的相位噪聲，易于調(diào)試，功耗低，成本低廉，倍頻效率高。 本實用新型是這樣實現(xiàn)的-
一種銣頻標(biāo)的鎖相倍頻器，它包括鎖相環(huán)芯片9(ADF4360-8)、環(huán)路濾波器3、 射頻放大器5、單片機7。外部20MHz壓控晶體振蕩器的輸出端與數(shù)字鎖相環(huán)8 的輸入端連接，數(shù)字鎖相環(huán)8的輸出端與射頻放大器5的輸入端連接，射頻放大 器5的輸出端為本倍頻器的輸出端。鎖相環(huán)芯片9 (ADF4360-8)集成了鑒相器 2 (PD)和壓控振蕩器4 (VCO),鑒相器2 (PD)的輸出端通過環(huán)路濾波器3 與壓控振蕩器4 (VCO)的輸入調(diào)諧端連接。由于鎖相環(huán)芯片9(ADF4360-8)內(nèi) 部集成了壓控振蕩器4(VC0)，壓控振蕩器4 (VCO)的一端已經(jīng)在芯片內(nèi)部和 反饋分頻器6的輸入端相連了，因此不需要在外部用功分器將壓控振蕩器4
(VCO)的輸出信號分兩路，而是直接通過LC阻抗匹配連接到射頻放大器5的 輸入端。射頻放大器5將180MHz的信號放大、匹配后和小數(shù)綜合5.3125MHz 信號一起送入銣原子頻標(biāo)的微波諧振腔進行階躍倍頻、混頻。單片機7上的 MOSI/P2.2、 OCD/P2.1 、 SCLK/P2.5分別與鎖相環(huán)芯片9 (ADF4360-8)上的時鐘線
(CLK)、數(shù)據(jù)線(DATA)、使能端(LE)依次連接。 其中，利用單片機7 (P89LPC932)對鎖相環(huán)芯片(ADF4360-8)的前置分頻器 和反饋分頻器賦值，可以隨時改變寄存器的值，從而改變鑒相頻率或輸出頻率， 易于調(diào)試。
本鎖相倍頻器與傳統(tǒng)用于銣頻標(biāo)的模擬倍頻器相比具有以下優(yōu)點
1、 電路結(jié)構(gòu)簡單、占用電路板面積小、功耗低。本倍頻器采用了內(nèi)部集成 壓控振蕩器(VCO)的鎖相環(huán)芯片。省掉了傳統(tǒng)鎖相倍頻的壓控振蕩器(VCO)。 節(jié)省了電路板面積，降低了成本。
2、 參數(shù)由軟件設(shè)置，易于修改調(diào)試。本倍頻器通過單片機配置PLL芯片的
4寄存器，可隨時改變鑒相頻率，從而調(diào)節(jié)倍頻器輸出頻譜的相噪。
3、 由于采用鎖相倍頻，可以方便的調(diào)節(jié)環(huán)路低通濾波器，找到一個抑制雜 散的最佳點，從而改善原子頻標(biāo)頻率輸出抖動。
4、 便于銣原子頻標(biāo)小型化。本倍頻器集成度高，易于調(diào)試，體積小，便于 生成集成套片，生產(chǎn)小型化銣原子頻標(biāo)。


圖1為一種銣頻標(biāo)的鎖相倍頻器原理方框圖
其中l(wèi)一前置分頻器；2—鑒相器；3—環(huán)路濾波器；4一壓控振蕩器；5—
射頻放大器；6—反饋分頻器；7—單片機。9一鎖相環(huán)芯片ADF4360-8它包括前 置分頻器l、鑒相器2、壓控振蕩器4和反饋分頻器6。 8—數(shù)字鎖相環(huán)它包括鎖 相環(huán)芯片9 (ADF4360-8)和環(huán)路濾波器3。 圖2為一種銣頻標(biāo)的鎖相倍頻器的軟件控制流程圖
圖3為單片機和鎖相環(huán)芯片的連接圖 部件選取
鎖相環(huán)芯片9選用美國ANALOG公司的ADF4360-8。
射頻放大器5選用中國電子科技集團第十三研究所的低噪聲線性放大器 HE389B。
環(huán)路濾波器3用電阻和電容搭建，各電阻和電容的值用美國ANALOG公司 的鎖相環(huán)仿真軟件ADIsimPLL計算得出。
單片機7選用飛利浦公司的LPC900系列的P89LPC932。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型做進一步的說明
如附圖1可知， 一種銣頻標(biāo)的鎖相倍頻器，它包括如下構(gòu)件鎖相環(huán)芯片
9(ADF4360-8)、環(huán)路濾波器3、射頻放大器5、單片機7。 其特征在于銣原 子頻標(biāo)壓控晶振20MHz信號與鎖相環(huán)芯片9(ADF4360-8 )內(nèi)的前置分頻器1輸入 端連接，經(jīng)分頻后作為鎖相環(huán)(PLL)的輸入?yún)⒖碱l率信號送入鑒相器2，鑒相 器2對前置分頻器1和反饋分頻器6輸出信號進行相位比較，鑒相器2輸出級集成了電荷泵，將兩路輸入信號的相位差反映為脈沖電流信號，其負(fù)載驅(qū)動能力比 較強。鑒相器2的輸出端與環(huán)路濾波器3的輸入端連接，環(huán)路濾波器3的輸出端 與壓控振蕩器4的調(diào)諧輸入端連接。環(huán)路濾波器3釆用無源三階濾波器濾掉電荷 泵輸出信號中的高頻成分。因為有源濾波器雖然直流功率增益大，但會引入更大 的附加相位噪聲及零點漂移的問題。而無源濾波器具有電路結(jié)構(gòu)簡單，噪聲低， 穩(wěn)定度高的特點。經(jīng)過濾波后的信號近似為直流，輸入到壓控振蕩器4的電壓調(diào) 諧端，去控制壓控振蕩器4的輸出頻率。壓控振蕩器4輸出頻率范圍通過外接兩 個電感來設(shè)置。壓控振蕩器4的輸出端經(jīng)LC阻抗匹配后與射頻放大器5的輸入 端連接。信號經(jīng)過射頻放大器5后變?yōu)楣β?4dBm，輸出阻抗50歐姆的信號， 即為本倍頻器的輸出信號。單片機7上的MOSI/P2.2、 OCD/P2.1 、 SCLK/P2.5 分別與與鎖相環(huán)芯片9 (ADF4360-8)上的數(shù)據(jù)線(DATA)、使能端(LE)、時 鐘線(CLK)依次連接，如附圖3所示。
如附圖2可知，本倍頻器的倍頻次數(shù)由單片機對ADF4360-8進行軟件控制 來實現(xiàn)。具體流程如下
(1) 主程序開始
(2) 初始化
(3) 調(diào)用子程序配置R寄存器
(4) 調(diào)用子程序配置control寄存器
(5) 調(diào)用子程序配置N寄存器
(6) 主程序結(jié)束 具體程序如下
根據(jù)芯片控制字配置時序要求，對寄存器賦值順序為R寄存器、control寄 存器、N寄存器。且Control寄存器和N寄存器賦值間隔應(yīng)大于15 ms。
P89LPC932配置寄存器的C程序如下
void byte—shift(unsigned long); void delay(unsigned int count) { int i;
for(i=0; i<count;i++);
void port一init(void) { sclk=0; le=l;
6sdata=l;
void main0 {P2M 1=0x00; P2M2=0xff; port一init();
byte—shift(0x300011 );〃 R latch， R=4
byte—shift(0x06fd64);〃 control latch
delay(7500);〃 15ms間隔
byte—shift(0x202402);〃 N latch， N=36
while(l);
void byte—shift(unsigned long data—24) { unsigned long temp; sclk=0; le=0;
for(temp=0x800000;temp;temp =l) { sdata=data—24&temp; delay(50); sclk=l; delay(50); sclk=0;
le=l;
d勿(20); 實驗結(jié)果
在實驗中，輸入信號頻率為20MHz，用頻譜儀觀察其180MHz輸出頻譜， 結(jié)果為在偏離載波10kHz處的相位噪聲約為-100dBc/Hz。邊帶雜散(1MHz) -75dBc，輸出幅度約為24dBm。
將該鎖相倍頻電路接入整機，取代整機中原有的射頻倍頻電路，進行了小型 銣原子頻標(biāo)整機閉環(huán)。閉環(huán)測得的秒級穩(wěn)定度為Oy(ls)《3E-11,達到商用小型 銣原子頻標(biāo)性能指標(biāo)，而其板面積僅為原倍頻電路的1/2，功耗僅為原倍頻電路 的1/3。實驗結(jié)果表明，對指標(biāo)要求不是太高的小型原子頻標(biāo)而言，采用該鎖相 倍頻方案應(yīng)是一個不錯的選擇。
權(quán)利要求1、一種銣頻標(biāo)的鎖相倍頻器，它由鎖相環(huán)芯片(9)、環(huán)路濾波器(3)、射頻放大器(5)、單片機(7)構(gòu)成，其特征在于外部20MHz壓控晶體振蕩器(4)的輸出端與數(shù)字鎖相環(huán)(8)的輸入端連接，數(shù)字鎖相環(huán)(8)的輸出端與射頻放大器(5)的輸入端連接，數(shù)字鎖相環(huán)(8)包括鎖相環(huán)芯片(9)和環(huán)路濾波器(3)；鎖相環(huán)芯片(9)內(nèi)部集成了鑒相器(2)和壓控振蕩器(4)并包括前置分頻器(2)和反饋分頻器(6)，鑒相器(2)的輸出端通過環(huán)路濾波器(3)與壓控振蕩器(4)的輸入調(diào)諧端連接，單片機(7)與鎖相環(huán)芯片(9)的三線接口連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種銣頻標(biāo)的鎖相倍頻器，其特征在于數(shù)字鎖相 環(huán)(8)的壓控晶體振蕩器(4)輸出分兩路， 一路和反饋分頻器(6)相連，一 路和射頻放大器(5)的輸入端相連，射頻放大器(5)的輸出端作為本倍頻器的 輸出端連接銣原子頻標(biāo)微波諧振腔的輸入端。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種銣頻標(biāo)的鎖相倍頻器，其特征在于單片機7 上的MOSI/P2.2、 OCD/P2.1 、 SCLK/P2.5分別與與鎖相環(huán)芯片(9)上的數(shù)據(jù)線( DATA)、使能端(LE)、時鐘線(CLK)依次連接。
專利摘要本實用新型公開了一種銣頻標(biāo)的鎖相倍頻器，它由鎖相環(huán)芯片、環(huán)路濾波器、射頻放大器、單片機構(gòu)成，外部20MHz壓控晶體振蕩器的輸出端與數(shù)字鎖相環(huán)的輸入端連接，數(shù)字鎖相環(huán)的輸出端與射頻放大器的輸入端連接，數(shù)字鎖相環(huán)包括鎖相環(huán)芯片和環(huán)路濾波器；鎖相環(huán)芯片內(nèi)部集成了鑒相器和壓控振蕩器并包括前置分頻器和反饋分頻器，鑒相器的輸出端通過環(huán)路濾波器與壓控振蕩器的輸入調(diào)諧端連接，數(shù)字鎖相環(huán)的壓控晶體振蕩器輸出分兩路，一路和反饋分頻器相連，一路和射頻放大器的輸入端相連，射頻放大器的輸出端作為本倍頻器的輸出端連接銣原子頻標(biāo)微波諧振腔的輸入端。該倍頻器結(jié)構(gòu)簡單，集成化程度高，具有合適的相位噪聲，易于調(diào)試，功耗低，成本低廉。
文檔編號H03L7/26GK201298839SQ20082019244
公開日2009年8月26日 申請日期2008年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月14日
發(fā)明者鈁 余, 超 李, 盛榮武, 睢建平, 蕾 秦, 管妮娜, 鑫 金, 陳云起, 陳智勇, 偉 高 申請人:中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所