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一种小型铷原子频标射频电路

阅读：758发布：2020-05-17

专利汇可以提供一种小型铷原子频标射频电路专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种小型铷原子频标射频电路，包括压控晶体振荡器，压控晶体振荡器分别与直接数字综合器和混频器连接，直接数字综合器通过运算放大器与混频器连接，混频器依次通过第一晶体滤波器、第一射频放大器、第二晶体滤波器、第二射频放大器与阶跃恢复二极管连接，直接数字综合器与单片机连接。避免了射频链中混频环节引入不需要的频率进入微波腔；避免了射频链中混频环节造成的变频损耗，增大进入微波谐振腔的信号大小；电路结构相对简单，易于调试，同时有助于铷原子频标小型化；晶体滤波器在频率选择性、频率稳定性、过渡带陡度和插入损耗等方面都优越得多，拥有更好的滤波效果。，下面是一种小型铷原子频标射频电路专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种小型铷原子频标射频电路，包括压控晶体振荡器(1)，其特征在于，压控晶体振荡器(1)分别输出晶振振荡信号到直接数字综合器(3)和混频器(5)，直接数字综合器(3)输出的70KHz±13Hz带调制信号经过运算放大器(4)放大后输入到混频器(5)，混频器(5)将晶振振荡信号和放大后的70KHz±13Hz带调制信号进行混频后输出89.93MHz±13Hz带调制信号，89.93MHz±13Hz带调制信号依次经过第一晶体滤波器(6)、第一射频放大器(7)、第二晶体滤波器(8)和第二射频放大器(9)后得到89.93MHz±13Hz窄带信号，89.93MHz±13Hz窄带信号经过阶跃恢复二极管(10)后获得6834.6875MHz±1KHz 微波探询信号。

说明书全文

一种小型铷原子频标射频电路

技术领域

[0001] 本发明涉及微波、原子频标领域，具体涉及一种小型铷原子频标射频电路，可广泛用于小型铷原子频标、空间通信、雷达测量、卫星导航等领域。

背景技术

[0002] 铷原子频标只是一种二级频标，相比铯原子频标，它的准确度较差，长期稳定度也没有铯原子频标好，但是铷原子频标量子物理部分的结构非常简单，重量轻，体积小，功耗低，便于制作和批量生产，便于小型化，价格低廉，而且其频率稳定度及漂移指标足以满足大多数航天、民用及军用的要求，被广泛应用于导航、定位以及通讯等领域。所以虽然它只能作为二级频标，但是仍然是目前应用最广泛的原子频标。

[0003] 铷原子频标从功能上可分为两部分：量子系统与电路系统，而电路系统又可以划分为射频链路与伺服系统，射频链路的功能主要是输出6834.6875MHz±1KHz微波探询信号，激励铷原子的两个能级发生磁共振以实现光检测。

[0004] 现阶段产生6834.6875MHz±1KHz微波探询信号射频电路主要有三种形式：1、使用带尾数晶振加调制，然后依次低次倍频、阶跃倍频得到；2、利用整数晶振经低次倍频、阶跃倍频至6840MHz，再与直接数字综合器输出的5.3125MHz±1KHz调制信号混频得到；3、以整数晶振为参考，直接用数字综合器输出带尾数调制中频信号，然后通过阶跃倍频得到。

[0005] 直接数字频率合成是一种新的频率合成技术和信号产生方法，是继直接频率合成和间接频率合成后发展起来的第三代频率合成技术。直接数字综合器(DDS)具有超高速频率转换时间，极高的频率分辨率，低的相位噪声，在频率改变与调频时能保持相位连续，容易实现频率、相位、幅度调制。此外，其还具有可编程控制的优点。因此，直接数字综合器得到广泛的应用。

发明内容

[0006] 本发明提供了一种小型铷原子频标射频电路，通过整数晶振依次倍频、混频、阶跃倍频得到6834.6875MHz±1KHz微波探询信号。其电路集成度高，功耗低，成本较低，进入阶跃倍频的信号边带噪声小，同时调试简单，有助于铷频标小型化。

[0007] 一种小型铷原子频标射频电路，包括压控晶体振荡器，压控晶体振荡器分别输出晶振振荡信号到直接数字综合器和混频器，直接数字综合器输出的70KHz±13Hz带调制信号经过运算放大器放大后输入到混频器，混频器将晶振振荡信号和放大后的70KHz±13Hz带调制信号进行混频后输出89.93MHz±13Hz带调制信号，89.93MHz±13Hz带调制信号依次经过第一晶体滤波器、第一射频放大器、第二晶体滤波器和第二射频放大器后得到89.93MHz±13Hz窄带信号，89.93MHz±13Hz窄带信号经过阶跃恢复二极管后获得
6834.6875MHz±1KHz微波探询信号。

[0008] 本发明现阶段射频电路有以下优点：

[0009] 1、该电路省去了在射频链混频的环节，避免了射频链中混频环节引入不需要的频率进入微波腔，同时避免了射频链中混频环节造成的变频损耗，增大进入微波谐振腔的信号大小；

[0010] 2、相较于带尾数晶振，使用整数晶振可以降低成本；

[0011] 3、新的射频电路结构相对简单，调试难度降低，整体功耗也有所降低，有助于铷原子频标小型化；

[0012] 4、相比LC谐振回路构成的滤波器，晶体滤波器在频率选择性、频率稳定性、过渡带陡度和插入损耗等方面都优越得多，拥有更好的滤波效果，使得阶跃倍频前的信号更为纯净稳定。附图说明

[0013] 图1为本发明的原理方框图。

[0014] 图2为实施例2中混频器输出频谱。

[0015] 图3为实施例2第一晶体滤波器输出频谱。

[0016] 图4为实施例2第一射频放大器输出频谱。

[0017] 图5为实施例2第二晶体滤波器输出频谱。

[0018] 图6为实施例2第二射频放大器输出频谱。

[0019] 其中：1-压控晶体振荡器；2-单片机；3-直接数字综合器；4-运算放大器；5-混频器；6-第一晶体滤波器；7-第一射频放大器；8-第二晶体滤波器；9-第二射频放大器；10-阶跃恢复二极管。

具体实施方式

[0020] 下面结合附图对本发明做进一步说明：

[0021] 实施例1：

[0022] 如图1所示，一种小型铷原子频标射频电路，包括压控晶体振荡器1(VCXO)、单片机2、直接数字综合器3(DDS)、运算放大器4、混频器5、第一晶体滤波器6、第一射频放大器7、第二晶体滤波器8、第二射频放大器9以及阶跃恢复二极管10(SRD)。压控晶体振荡器1分别与直接数字综合器2、混频器5相连；单片机2与直接数字综合器3相连；直接数字综合器3分别与压控晶体振荡器1、单片机2、运算放大器4相连；运算放大器4分别与直接数字综合器3、混频器5相连；混频器5分别与压控晶体振荡器1、运算放大器4、第一晶体滤波器6相连；第一晶体滤波器6分别与混频器5、第一射频放大器7相连；第一射频放大器7分别与第一晶体滤波器6、第二晶体滤波器8相连；第二晶体滤波器8分别与第一射频放大器7、第二射频放大器9相连；第二射频放大器9分别与第二晶体滤波器8、阶跃恢复二极管10相连。

[0023] 压控晶体振荡器1输出的晶振振荡信号(10Mhz)分为三路，第一路直接作为铷钟输出，第二路与直接数字综合器3相连为其提供参考频率，第三路与混频器5相连进行混频，单片机2与直接数字综合器3相连并通过SPI协议控制直接数字综合器输出频率为70KHz±13Hz带调制信号，直接数字综合器3的输出端与运算放大器4输入端相连以放大70KHz±
13Hz带调制信号，经过运算放大器4放大的70KHz±13Hz带调制信号与压控晶体振荡器1输出的晶振振荡信号输入到混频器5进行混频以实现89.93MHz±13Hz带调制信号输出，混频器5输出端与第一晶体滤波器6输入端相连以滤除杂波，第一晶体滤波器6输出端与第一射频放大器6输入端相连以放大选中频率，第一射频放大器6输出端与第二晶体滤波器7输入端相连以进一步滤除杂波，第二晶体滤波器7输出端与第二射频放大器8输入端相连再次放大选中信号，第二射频放大器8输出端与阶跃恢复二极管10输入端相连，从而将第二射频放大器8输出的89.93MHz±13Hz窄带信号转化为6834.6875MHz±1KHz微波探询信号进行输出，阶跃恢复二极管10输出端连接到铷原子频标微波谐振腔激发出量子跃迁信号。

[0024] 实施例2：

[0025] 压控晶体振荡器1选用10Mhz晶振。

[0026] 单片机2选用ST公司的STM32F103CBT6；STM32F103CBT6增强型系列使用高性能的CortexTM-M3 32位的RISC 内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口(32个)和联接到两条APB总线的外设。同时包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和1个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C接口和SPI接口、3个USART接口、一个USB接口和一个CAN接口。

[0027] 直接数字综合器3选用ADI公司的AD9832；AD9832是ADI公司新型直接数字综合器，最高时钟可以达到25MHz，可最大输出10MHz的稳定频率信号。AD9832提供片内Sin查找表并集成10位DAC，功率只有200mW。AD9832有两个频率控制寄存器，实现FSK非常容易，其频率转换速度快，集成度高，使用方便灵活。AD9832输出信号幅度一般在-10dBm到0dBm之间，与其输出信号频率以及具体电路配置有关。

[0028] 运算放大器4选用ADI公司的OP37；OP37是ADI公司的一款高速低噪声运算放大器，失调电压低至25uV，最大漂移为0.6uV/℃，因此OP37是精密仪器仪表应用的理想之选。OP37压摆率为17V/us，增益带宽积63MHz，同时拥有1800000的高开环增益，共模抑制比为126dB。输出级具有良好的负载驱动能力。由于直接数字综合器AD9832输出信号太小不足以驱动混频器进行混频，经过OP37方法之后能驱动混频器。

[0029] 混频器5选用TI公司的SN74LVC1G11；SN74LVC1G11是TI公司的单三输入与门，电源电压在1.65V到5.5V范围内均可以，输入高电平电压、输入低电平电压与电源电压有关，例如5V供电情况下，输入高电平电压为3.5V，输入低电平电压为1.5V，AD9832输出电压过低，无法驱动SN74LVC1G11，所以在进混频器之前先用OP37将AD9832输出信号进行放大。

[0030] 第一晶体滤波器6以及第二晶体滤波器8选用深圳科玛通信公司的MCF89M93A；MCF89M93A是深圳科玛通信公司生产的89.93MHz晶体滤波器。石英晶体滤波器是指用石英材料做成的石英晶体滤波器，起滤波的作用，具有稳定，抗干扰性能良好的特点。MCF89M93A标称频率为89.930MHz，3dB带宽为±5KHz，40dB带宽为±25KHz，带内波动小于1dB，插入损耗小于4dB，阻带衰减40dB，绝缘电阻大于500MΩ/DC 100V。

[0031] 第一射频放大器7选用Mini-Circuits公司的ERA-8SM；ERA-8SM是Mini-Circuits公司的一款宽带宽微型微波放大器，其工作频率可从直流到8GHz，增益以及P1dB与工作频率相关。当工作频率为2GHz时，其增益为17dB，P1dB典型值为12.5dBm。

[0032] 第二射频放大器9选用RFMD公司的SXB-2089Z；SXB-2089Z是RFMD公司的一款高线性度异质结双极型晶体管放大器，其工作频率从5MHz到2500MHZ。输出三阶交调点、P1dB以及增益与工作频率有关。当工作频率为450MHz时，小信号增益典型值为25dB，P1dB典型值为24dBm，三阶交调点为40dBm，噪声系数为4.9dB。

[0033] 阶跃恢复二极管10选用MPLUS公司的MP4022。

[0034] 其他与实施例1相同。

[0035] 混频器输出频谱如图2所示，可见89.93MHz信号幅度-18.19dBm，混频产生的间隔70KHz的旁频信号幅度也都比较大。

[0036] 第一晶体滤波器6输出频谱如图3所示，89.93MHz信号幅度衰减大约7.5dB，旁频谐波衰减大于30dB。

[0037] 第一射频放大器7输出频谱如图4所示，第一射频放大器7对89.93MHz及其旁频都实现了放大32dB左右。

[0038] 第二晶体滤波器8输出频谱如图5所示，89.93MHz信号由于晶体滤波器的插入损耗衰减5dB左右，而旁频谐波得到进一步压制，普遍比89.93MHz小50dB以上。

[0039] 第二射频放大器9输出频谱如图6所示，第二射频放大器对89.93MHz及其旁频都放大了17dB左右。

[0040] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

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