可编程数字功率器研讨

引言

相干布居囚禁(Coherentp叩ulation七rapPing，CPT)原子频标是利用原子与相干激光相互作用所产生的一种量子干涉现象而实现的一种新型原子频标川，也是目前从原理上唯一可实现微型化的原子频标，其体积、功耗比氢原子频标[a]、艳原子频标[s]要小，甚至与目前体积、功耗最小的铆原子频标相比还要小得多。然而，由于受到原子谱线多普勒加宽的限制，原子光谱的线宽较宽，导致CPT原子频标的稳定度偏低。为此，可以将时域的瓜msey分离振荡场技术[’]与cPT现象相结合，从而获得线宽更窄、信噪比更佳的Ramsey一CPT干涉谱线，以此谱线作为微波鉴频信号，可以实现稳定度更高Ralllsey一CPT原子频标[rs]。CPT原子频标采用连续激光和原子相互作用的工作方式，而Ramsey一CPT原子频标采用脉冲激光和原子相互作用的工作方式。但是目前已有的Ramsey一CPT原子频标用声光调制器(AOM)作为光开关产生脉冲激光，由于AOM体积较大、功耗较高，限制了Ramsey一CPT原子频标向微型化和低功耗原子频标方向的发展。本文采用可编程数字功率衰减器实现脉冲形式的微波信号，以实现相干脉冲激光与原子周期性相互作用。另外，Ramsey一CPT原子频标以铆85为工作原子，采用全宽调制，其频率锁定过程要求微波源以3.035732439GHzls]为中心频率，在小频率范围内小步长进行扫描而获得一个Ralnsey一CPT峰信号，通过控制电路将微波频率锁定在线宽很窄的Ramsey一CPT峰的最大值处，从而实现原子频标的闭环锁定[v]。显然，Ramsey一CPT原子频标对微波源精度和体积的要求都比较高，所以需要设计高性能、小体积的脉冲微波源。

2Ramsey一CPT原子频标中脉冲微波源的设计方案Ramsey一CPT原子频标的具体实现原理框图可以由图1看出，微控制器通过控制频率变换级电路和可编程数字功率衰减器，经过阻抗匹配电路，产生所需脉冲微波源，再经过偏置器与激光器驱动电流藕合来实现激光器的微波调制[sl，从而产生所需相位差恒定、频率差等于微波源频率的两相干脉冲激光.为了进一步提高最终标准输出频率的性能和减小脉冲微波源的体积，Ramsey一CPT原子频标脉冲微波源的设计方案显得尤为重要。目前，对于Ramsey一cPT原子频标微波源来说，设计方案主要有队l)锁相环(PLL)方案;

2)注入式锁相环方案;

3)本地振荡器(LO)方案。其中，PLL方案在相位噪声和杂散等方面均满足设计要求，是最成熟的设计方案。Symmetricom和Kernco是世界上现阶段仅有的把CPT原子频标商品化的厂家，它们均采用PLL方案，但微波源的体积和功耗仍然偏大。为了解决体积和功耗的问题，注入式锁相环方案和LO方案正不断地应用到CPT原子频标中.LO方案采用体积很小的介质振荡器(DRO)直接产生高频信号，在体积和实现难易程度上具有优势，但相位噪声方面要比前两种方案差.而一般来说，原子频标需要产生低频的标准输出频率，这就需要加入复杂的小数分频电路，很大程度上降低了LO小体积的优势。出于高性能、小型化的考虑，本文对锁相环方案进行改进，选择体积小、集成度高的锁相环频率合成器集成芯片ADF4350，使其不需要外接压控振荡器、只需外加一个环路滤波器就可以构成一个完整的低噪声、低功耗、高稳定度、高可靠性的锁相环频率合成器.采用直接数字频率合成器(DDS)作为参考源驱动锁相环频率合成器，再结合可编程数字功率衰减器和阻抗匹配电路，从而实现高稳定度、高分辨率、快跳3高性能小型脉冲微波源

3.1系统原理脉冲微波源的基本原理组成框图如图2所示，采用相位噪声、谐杂抑制都很好的压控温度补偿晶体振荡器(vcTcxo)作为DDs的参考时钟源;通过微控制器把频率控制字和相位控制字写入DDS内部的寄存器中，DDS便可以产生一个频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出;然后把DDS的输出信号作为PLL的参考信号，设定分频器的分频比N，便得到了频率为DDS输出频率N/R倍的时钟信号;通过可编程数字功率衰减器实现脉冲形式的微波信号，再经过阻抗匹配电路，最后根据期望输出脉冲微波信号。这种结构利用DDS的高分辨率保证了足够小的频率步进，同时PLL的带通特性很好地抑制了DDS输出频谱中的部分杂散.该方案实现了DDS和PLL的优势互补，兼顾了各个方面的性能.所以此方案实现的脉冲微波源具有小体积、较高频率、较快频率转换速度和较高频率分辨率的特点，同时也很好地保证了系统杂散和相位噪声性能。

3.2设计与测试

3•2•1DDS部分DDS部分的时钟输入选用10MHz的VCTCXO;DDS部分的核心采用大规模集成芯片AD9954，通过AD9954的串行1/0口输人控制字可实现快速变频且具有良好的频率分辨率。DDS电路设计应遵循的主要原则是使其输出信号具有较好的控制时序、较低的相位噪声和窄带杂散，其次是正确的电路铺设和连接。DDS的电路并不复杂，主要由高性能、低噪声稳压电源LP3878MR-ADJ和低通滤波器LPFI等组成。AD9954频率控制字为32位，在本应用系统中工作时钟为10MHz，输出时钟的频率分辨率f，=10x106/232=0.0023Hz.AD9954相位控制字为14位，输出时钟的相位分辨率沪1=3600/2’4=0，0220。低通滤波器LPFI的仿真设计图如图3所示。采用orCAD/PSpice10.5软件对LPFI进行仿真设计，得到截止频率为nMHz的低通滤波器.

3•2•2PLL部分PLL部分主要包括预分频器、分频器、鉴相器、环路滤波器(LPFZ)和压控振荡器(vCO)。根据设计需要采用ADF4350，它结合外部环路滤波器(LPFZ)和外部基准频率(DDS提供)使用时，可实现低噪声、低功耗、高稳定度、高可靠性、小体积的锁相环频率合成器。ADF4350的电路主要由线性稳压器LP5900SD一3.0和外部环路滤波器(LPFZ)等组成.LP5900sD-

3.0能提供100mA的输出电流，具有低器件噪声、高电源抑制比、低静态电流和较低的线路瞬态响应。采用ADIsimPLL仿真软件对锁相环频率合成器进行仿真设计，可以得到如图4所示的相位噪声仿真图。环路滤波器(LPFZ)的电路是锁相环电路中较重要的一个部分，它的性能好坏直接关系到锁相输出的相位噪声和杂散指标.通过仿真优化滤波器可以得到更佳的输出性能，采用Or-CAD/pspiee10.5软件对LpFZ的仿真结果进行优化，得到如图5所示带宽为20kHz的LpFZ的设计图(a)和仿真结果图(b)。将上述设计进行电路实现，得到所需的微波源，

3.2.3可编程数字功率衰减器部分当微波信号导通时，相干激光将原子制备到CPT态，微波信号衰减至零时，激光与原子失谐而不发生明显地相互作用，此时CPT态会自由演化，当微波信号再次导通时，由于CPT态与拉曼频率存在相位差，CPT态的原子与入射相干激光相互进行调制，在透射光强上可以观察到干涉条纹，这就是Ranlse卜CPT干涉，其演化周期如图7所示，图中只显示了两个周期。加入阻抗匹配电路以保证微波脉冲信号有效地从脉冲微波源传送到偏置器，从而与激光器驱动电流进行更好地藕合。对数字可调衰减器进行编程控制实现所需的周期性脉冲信号，结合已经实现的微波源，从而实现最终的脉冲微波源，其实际的输出频谱特性如图8所示，达到了Ransey一CPT原子频标所需脉冲微波源的设计要求。

4结论

Ramsey一CPT原子频标虽然是一种新型原子种，但由于其功耗低、体积小和启动快的优点而得到快速发展，在商用通信、军用车、舰、空间星载导航等领域都有极大的应用前景。本文通过对Ramsey一CPT原子频标所需的脉冲微波源设计方案进行论证，采用DDS激励PLL的频率合成方案产生所需的3035MHz的微波脉冲信号，频率稳定、可靠，满足系统高性能、小型化的设计要求，而且该电路通过仿真确定了电路参数，方便快捷，便于优化;通过微控制器控制输出频率，调试简单，性能稳定.采用DDS与PLL相结合的混合结构、可编程数字功率衰减器方便实现脉冲信号所设计的脉冲微波源，综合了各自的优点，具有优良的技术性能进一步提高了Ramsey一CPT原子频标标准输出频率的性能。同时，达到了设计小型化的要求，有利于Ramsey一CPT原子频标的便携式应用。其实际的输出频谱特性如图6所示.可编程数字功率衰减器部分主要是针对上述混合结构设计的微波源，通过微控制器控制Mini一Circults公司的数字可调衰减器DAT一15R5一PP+，可以得到脉冲形式的微波信号，以实现相干脉冲激光与原子周期性相互作用。