CPT铷原子频标频率变换电路的设计与实现

摘要

CPT原子频标是新一代原子频标，与传统原子频标相比，具有体积小、重量轻和功耗低的特点，因而被广泛应用于时间校准、测量、通信和导航引导、导弹控制、天文观测和电网调节等诸多领域。被动式CPT原子频标是利用原子间的能级跃迁后产生电磁诱导透明现象来实现锁定高精度与高稳定度的标准频率。
　　本文研究工作主要是优化与改进了被动型CPT铷原子频标的伺服电路，与其它原子频标相比最大特点是采用非整数晶体振荡器代替了常用的整数晶体振荡器（5MHZ或10MHz），在减少环路内部器件的使用情况下，将不便于实用的微波频率信号转变为较低整数标准频率输出，降低了噪声与其它外部干扰，优化精简了电路硬件结构易于小型化。
　　论文首先回顾了传统原子频标的发展历史与研究进展，以及论述了新型CPT原子频标在国内外的研究概况与发展成果。通过构建数学模型对CPT共振现象进行定量分析，并讨论了被动式CPT原子频标的物理组成结构和工作原理，研究分析了主要参数指标，并设计了系统的整体方案，在此基础上引入伺服环路方程并对环路中的各个相关元器件的相位噪声进行分析，重点讨论了原子频标伺服环路中影响频率稳定度的因素，得出了环路中影响被动式CPT铷原子频标短期稳定度因素的是压控振荡器，长期稳定度主要由量子系统、倍频器和伺服放大器决定。然后重点分析与设计了倍频器与DDS频率合成电路，倍频电路采用的是低倍频与高倍频相结合的链路，这种设计方法能够极大降低倍频电路中的噪声，提升了整个系统的工作性能；同时利用ADS软件仿真设计实现了倍频电路中的带通滤波器并优化了参数指标。在链路当中，其中一路经过倍频后送入阶跃恢复二极管产生3417MHz的微波信号，另一路倍频输出信号作为参考时钟源，输入到基于CPLD设计的DDS合成电路中，经过窄带滤波降噪处理后输出固定10MHz标准频率信号。经过实际测试，设计的链路相关指标达到了期望要求。
　　最后本文在研究设计的基础上，总结一些经验并结合这次研究工作提出了一些改进与优化的方法，本文提出的设计方案减少了环路部件使用，实现了高稳频标信号的输出，通过后续工作的不断完善争取样机的实用化。

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第1章 绪 论

1.1原子频标发展概况

1.2 原子频标分类

1.3 CPT原子频标研究概况

1.4 论文研究的主要内容及结构安排

第2章 相干布局囚禁原子频标原理

2.1 相干布局囚禁共振现象

2.2 被动式CPT原子频标

2.3 CPT原子频标谱线鉴频原理

2.4 CPT原子频标参数研究

第3章 被动型相干布局囚禁原子频标环路分析

3.1相干布局囚禁原子频标物理设计方案

3.2伺服环路控制过程及特性

3.3 CPT铷频标伺服环路噪声分析

3.4环路各部件噪声对CPT铷频标输出频率稳定度的影响

第4章 系统相关电路设计与实现

4. 1倍频器工作原理及分析方法

4. 2有源倍频电路设计

4. 3频率调制模块设计

4. 4阶跃二极管与基于ADS仿真带通滤波器电路设计

4. 5 CPT原子频标频率合成电路

第5章 系统电路制作与测试分析

5.1系统电路制作

5.2系统电路测试分析

第6章 总结与展望

6.1总 结

6.2展 望

致谢

参考文献