用于铷原子钟的低噪声晶体振荡器及锁相环电路设计

作     者：万文杰 

作者单位：中国科学院大学(中国科学院精密测量科学与技术创新研究院) 

学位级别：硕士

导师姓名：钟达

授予年度：2022年

学科分类：11[军事学] 080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 1105[军事学-军队指挥学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 081002[工学-信号与信息处理] 081102[工学-检测技术与自动化装置] 110503[军事学-军事通信学] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：铷原子钟 锁相环 晶体振荡器 相位噪声 频率稳定度 

摘      要：铷原子钟因体积小、功耗低、结构简单、稳定度高等优点广泛应用于卫星导航系统中,其频率稳定度指标对导航系统的定位精度有着重要影响,而降低电路噪声对于提升铷原子钟频率稳定度具有重要意义。本文的工作内容围绕本实验室提出的一种基于取样锁相环的铷原子钟频率综合电路方案展开,该电路方案优点在于相位噪声低,功率可控,调试方便,适用于高性能铷原子钟。本文工作的重点是完成该方案中低噪声晶体振荡器及锁相环电路的设计与实现。本文的主要工作内容如下:研究分析了晶体振荡器的基本特性,为晶体振荡器设计提供理论指导;对晶体振荡器各部分电路进行了分析,采用频率稳定性好的柯尔匹兹振荡电路方案,通过选用合适的电路元件,完成小型化低噪声100MHz及10MHz晶体振荡器硬件设计及实现;并对两种晶体振荡器进行了性能测试和评估。测试结果表明100MHz晶体振荡器近端相位噪声为-108dBc/Hz@10Hz,远端相位噪声为-169dBc/Hz@10kHz,短期频率稳定度为7.8×10-12/s;10MHz晶体振荡器近端相位噪声为-103dBc/Hz@1Hz,远端相位噪声为-164dBc/Hz@10kHz,短期频率稳定度为 1.7×10-12/s。对锁相环路的原理与特性进行分析,介绍了锁相环设计中各部件及其功能,并对锁相环的相位噪声特性进行理论研究,为后续锁相环设计打下理论基础。相继完成锁相环电路功能模块鉴相器、分频器及环路滤波器的硬件设计,最终完成了低噪声10MHz晶振锁相环电路的设计、制作及调试,在实现锁相功能后对其进行了性能测试,测试结果表明该锁相环电路在近端和远端都具有良好的相位噪声特性。经分析计算评估,基于本文设计的100MHz晶体振荡器(作为铷钟本振)和10MHz锁相环电路构成的频综电路新方案与铷钟传统频综电路方案相比,性能将可获得明显提升。其相位噪声对铷钟频率稳定度的贡献降低了约3.6倍,已达到4.1×10-14/τ1/2水平,从而为今后全面实现频综电路新方案并最终研制出频率稳定度为≤1×10-13/τ1/2的超高性能铷原子钟奠定了基础。