用于铯原子频标的低相噪压控振荡器的研制

摘要

相干布居囚禁(CPT)是一种量子干涉现象，由原子与相干光相互作用所产生，利用该技术制造的原子频标具有体积小、功耗低、启动快等优点。在原理上，CPT原子频标是唯一能把物理系统制成芯片级尺寸的原子频标，其可以用不同的原子来实现，其中铯原子频标具有最高的精度和稳定度，因此具有更加广阔的应用前景。根据铯原子频标的工作原理，一个具有低功耗、小体积、低相位噪声性能且能在4.596GHz频率附近调谐的微波信号源是系统中至关重要的组成部分，用于在一定频率范围内进行小步长扫描而获得CPT的峰值信号，并实现铯原子频标的闭环锁定。基于此，本论文研制了一个可用为铯原子频标中微波信号源的低相位噪声4.596GHz压控振荡器，要求其面积小于1cm2，功耗小于20mW，输出功率高于-3dBm，自由运行时相位噪声优于-55dBc/Hz@1KHz，经过锁相环锁定后的环路相位噪声优于-75dBc/Hz@300Hz。
　　对于该压控振荡器的设计，采用的方法是负阻分析法和带虚拟地的传输分析法，并在时域和频域对其性能进行仿真评估。另外，为了实现电路的精准仿真，对该压控振荡器中的关键部件，即变容二极管进行了实际工作环境下的参数提取，并为其建立了等效电路模型。最终，所实现压控振荡器的PCB大小为0.60cm2，功耗为19.6mW，输出功率为-1dBm，自由运行的相位噪声为-60.86dBc/Hz@1kHz，经过锁相环锁定后的环路相位噪声为-83.57dBc/Hz@300Hz，压控调谐灵敏度约为110MHz/V，均优于设计指标。另外，所设计压控振荡器在高低温测试中能够保持性能稳定。目前，该压控振荡器已成功生产了1000个，且其测试性能均优于设计指标。

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第一章 绪论

1.1 时间与原子频标的发展

1.2 芯片级CPT原子频标及其微波信号源

1.3 本论文工作及其研究意义

第二章 振荡器的分类及其设计原理

2.1 振荡器的分类

2.2 振荡器电路中的瞬变现象

2.3 反馈振荡器

2.4 负阻振荡器

2.5 振荡器的分析方法

2.6 本章小结

第三章 器件的选取与建模

3.1 无源器件的选取

3.2 晶体管的选取与建模

3.3 变容二极管的选取与建模[68]

3.4 本章小结

第四章 压控振荡器的设计与仿真

4.1 设计指标

4.2 电路结构设计

4.3 压控振荡器的仿真

4.4 本章小结

第五章 压控振荡器的测试与结果

5.1 自由运行测试

5.2 锁相环中测试

5.3 高低温测试

5.4 量产测试

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

论文发表、专利申请及科研报告情况

致谢