用于铯原子频标的低相噪压控振荡器的研制

发布时间：2017-09-30 12:07

  本文关键词：用于铯原子频标的低相噪压控振荡器的研制

  更多相关文章： 相干布居囚禁 原子频标 低相位噪声 压控振荡器 参数提取

【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。
【关键词】：相干布居囚禁 原子频标 低相位噪声 压控振荡器 参数提取
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN752
【目录】：

• 中文摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-14
• 1.1 时间与原子频标的发展9-11
• 1.2 芯片级CPT原子频标及其微波信号源11-13
• 1.3 本论文工作及其研究意义13-14
• 第二章 振荡器的分类及其设计原理14-34
• 2.1 振荡器的分类14-15
• 2.2 振荡器电路中的瞬变现象15-17
• 2.3 反馈振荡器17-26
• 2.3.1 反馈振荡器的平衡和起振条件18-21
• 2.3.2 反馈振荡器平衡状态的稳定条件21-26
• 2.3.2.1 振幅平衡的稳定条件21-24
• 2.3.2.2 相位平衡的稳定条件24-26
• 2.4 负阻振荡器26-30
• 2.4.1 负电阻的物理意义26-27
• 2.4.2 负阻振荡器原理27-28
• 2.4.3 晶体管双端口负阻振荡器28-30
• 2.5 振荡器的分析方法30-33
• 2.5.1 虚拟地分析法30-32
• 2.5.2 奈奎斯特稳定性判据32-33
• 2.6 本章小结33-34
• 第三章 器件的选取与建模34-42
• 3.1 无源器件的选取34-35
• 3.2 晶体管的选取与建模35-37
• 3.3 变容二极管的选取与建模37-41
• 3.3.1 参数提取电路的设计38-41
• 3.3.2 参数测试与模型建立41
• 3.4 本章小结41-42
• 第四章 压控振荡器的设计与仿真42-59
• 4.1 设计指标42
• 4.2 电路结构设计42-50
• 4.2.1 直流偏置电路的设计44-46
• 4.2.2 输出端隔离网络的设计46-48
• 4.2.3 负阻网络的设计48-49
• 4.2.4 频率调谐网络的设计49-50
• 4.3 压控振荡器的仿真50-58
• 4.3.1 瞬态仿真51-52
• 4.3.2 谐波平衡仿真52-57
• 4.3.2.1 相位噪声的Leeson公式52-55
• 4.3.2.2 相位噪声仿真结果55-56
• 4.3.2.3 频率调谐范围仿真结果56-57
• 4.3.3 虚拟地分析与振荡稳定性判断57-58
• 4.4 本章小结58-59
• 第五章 压控振荡器的测试与结果59-68
• 5.1 自由运行测试59-63
• 5.2 锁相环中测试63-65
• 5.3 高低温测试65-66
• 5.4 量产测试66-67
• 5.5 本章小结67-68
• 第六章 总结与展望68-69
• 参考文献69-75
• 论文发表、专利申请及科研报告情况75-77
• 致谢77-78

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本文编号：948081