小型化铷原子频标电子学系统和整机设计技术研究

【摘要】小型化一直是铷原子频标研究的重要方向。铷原子频标的小型化需从电子学系统和量子系统两方面入手。本论文主要研究电子学系统的小型化技术和噪声抑制问题,设计了一款小型化铷原子频标整机,取得的主要结果如下。研究了恒温压控晶体振荡器小型化设计技术。振荡电路采用了稳定性好的并联皮尔斯电路方案,采用2级π型LC级联滤波器抑制谐杂波,利用CMOS反相器实施隔离。振荡和放大电路选用了低噪声晶体管。晶体的温度控制在频率—温度曲线拐点处。实现了体积为4毫升晶振样件,相噪为-115.5dBc/Hz@1Hz,-152.6dBc/Hz@10kHz,短期频率稳定度为1.8×10-12/1s。对压控晶振噪声在铷原子频标环路中的传递进行了理论分析和研究。结论是,晶振噪声对铷原子频标稳定度贡献主要来源于两部分,一是晶振本身的噪声贡献,环路对该噪声表现出高通滤波特性；二是晶振在铷频标两倍调制频率处的噪声贡献,环路对此噪声是低通滤波特性,没有抑制作用。对于本文设计的小型化压控晶振,经分析和计算,上述两类晶振噪声对铷频标频率稳定度的总贡献为3.1×10-13π-1/-1/2,这表明该种晶振可以满足高稳铷频标需求。设计并实现了一种用于铷原子频标的小型化锁频环路。采用数字锁相倍频技术,实现了10MHz信号的45.5645833次倍频。再经过一级15次倍频后获得频率为6834.6875MHz的铷原子频标微波探寻信号。通过数字电路技术实现了455.645833MHz信号的小调频。测量并分析了455.645833MHz信号的相位噪声,结果表明电路系统对铷频标频率稳定度的贡献为3.5×10-12τ-1/2。测量了利用该电路得到的铷频标的短期频率稳定度,结果为5.7×10-12τ-1/2(1s≤τ≤100s),明显高于一般商品小型化铷原子频标。基于本文研制的电子学系统和本实验室研制的小型化铷频标量子系统,开展了小型化铷频标整机设计工作。在进行了必要的整机机械结构设计和热结构设计后,最终实现了一款体积为140cm3、稳态功耗7.5W的小型化铷原子频标样机。经初步测试,样机的短期频率稳定度为1.30×10-11τ-1/2(1s≤τ≤100s),略高于一般商品铷频标。分析表明,该样机的频率稳定度指标还有大幅改进的余地。
【作者】孙兵锋；
【导师】梅刚华；
【作者基本信息】中国科学院研究生院（武汉物理与数学研究所），无线电物理，2014，博士
【关键词】小型化铷原子频标；恒温晶体振荡器；数字锁频环路；相位噪声；频率稳定度；

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