基于CPT-maser的相干接收机研究与实现

摘要

基于相干布局囚禁设计的主动式铷原子频标，通过CPT-maser相干接收机实现微波相干检测与伺服锁定。CPT原子频标解决了原子频标的小型化问题并具有较高的频率稳定度，该新型原子钟一经提出便受到了各国的广泛重视。欧洲依托Galileo计划于2002年完成了主动式CPT原子钟样机的研制并指定其为下一代星载用钟。主动式CPT原子钟在国内正处于起步阶段，本文所研制的主动式CPT原子钟试验样机为该类原子钟的工程应用奠定了理论与实践基础。
　　主动式CPT原子钟将原子抽运并囚禁在基态两超精细能级间的相干叠加态上，从而形成相干布局囚禁现象。由于原子被囚禁在相干叠加态，原子系综会在相干叠加态产生一个基于两超精细能级的相干辐射，本文利用微波频率信号控制相干光的光频差，将微波信号频率特征锁定在相干叠加态的跃迁频率上，从而输出高频率稳定度的微波频率信号。然后利用微波频率信号和相干光频差的关系进行鉴频，锁定受控振荡器，实现从微波信号到标准信号频率的变换以及其稳定度的转移。
　　本文以CPT-maser原子频标的系统研制为导向，首先简单介绍原子频标的发展历史并总结了CPT-maser的国内外研究现状，然后详述相干布局囚禁的量子物理系统、主动式CPT-maser的基本原理以及相干接收机的电路系统组成，并对系统的各个部分进行了模型特性分析。通过建立锁相环路的噪声模型得到存在噪声干扰及相位杂散下的完备噪声谱密度方程。根据方程详细给出CPT-maser的特性分析并介绍了用于优化该类CPT-maser性能的变频锁相外差式相干接收方案。根据相关建模结果和特性分析，强调了各个模块对系统噪声系数的影响，进而分别对变频锁相接收环路中的级联低噪声放大器、同轴双平衡混频器、微波频率信号合成链路以及锁相环路等板级相关电路进行有重点的降噪优化设计，降低系统自身噪声对整个原子频标性能影响的同时提高了接收环路对maser信号相位噪声以及热噪声的双抑制能力。然后在CPT-maser量子系统与相干接收机系统设计研究的基础上进行了实际CPT-maser相干接收机的研制，并对完成的原理样机系统各部分性能指标进行测试并提供了相关测试结果。噪声系数、杂散抑制以及频率锁定等指标都满足我们对CPT-maser相干接收机的预期设计要求。最后对所研制的试验样机进行了工作总结和展望。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 原子频标的发展概述

1.3 CPT原子钟研究现状

1.4 CPT-maser原子钟研究意义

1.5 论文内容及结构

第2章 CPT-maser相干接收机原理分析

2.1 相干布局囚禁现象原理

2.2 CPT-maser原子钟工作原理

2.3 CPT-maser原子钟系统量化分析

2.4 本章小结

第3章 CPT-maser相干接收机系统方案及特性分析

3.1 CPT-maser原子频标系统方案

3.2 CPT-maser相干接收机噪声环路分析

3.3 优化相干接收机相噪指标的设计方案

3.4 本章小结

第4章 CPT-maser相干接收机伺服电路研制

4.1 低噪声放大器的设计

4.2 微波频率合成链路及DDS的设计

4.3 微波混频器的设计

4.4 相干锁相环路的设计

4.5 CPT-maser原理样机锁定测试

4.6 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的科研成果