文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.11.022
中文引用格式： 鞠青云,，湯亮，栗新偉,，等. 一種用于銣原子鐘的低相位噪聲壓控振蕩器[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2016，42(11)：84-87.
英文引用格式： Ju Qingyun,，Tang Liang,，Li Xinwei,，et al. Design of a low phase noise VCO for rubidium atomic clocks[J].Application of Electronic Technique，2016,，42(11)：84-87.
0 引言
隨著科技的進(jìn)步,，軍工、深海探測(cè)等領(lǐng)域需要更高精度的時(shí)間基準(zhǔn)為其提供有力的保障,，而利用相干布局囚禁(CPT)技術(shù)研制的原子鐘不僅能滿足精度要求,，且正在向微型化、低功耗方向發(fā)展,。CPT銣原子鐘是其中應(yīng)用最普遍的一種[1],。對(duì)于銣原子鐘的制造和應(yīng)用，具有一個(gè)高穩(wěn)定度,、低噪聲的信號(hào)源是至關(guān)重要的,，且要求信號(hào)源的頻率等于銣原子基態(tài)超精細(xì)分裂頻率的一倍或者一半[2]，從而能夠有效地調(diào)制系統(tǒng)后端的激光器,。此外,，由于工作環(huán)境溫度的變化、器件的老化以及外界干擾等因素影響,，信號(hào)源的頻率會(huì)出現(xiàn)漂移現(xiàn)象,，因而要求該電路具有適當(dāng)?shù)念l率調(diào)節(jié)能力,，以補(bǔ)償由于各種因素引起的頻漂,。
本文針對(duì)銣85原子鐘設(shè)計(jì)了一個(gè)工作頻率為銣85原子基態(tài)超精細(xì)分裂頻率一半的3.035 GHz的壓控振蕩器(VCO),。該VCO首先利用具有快速起振優(yōu)點(diǎn)的負(fù)阻分析法進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，再結(jié)合虛擬地技術(shù)將電路演變成增益電路和諧振電路串聯(lián)的形式,，根據(jù)奈奎斯特判據(jù)確定電路的振蕩頻率和起振條件,，對(duì)電路的開環(huán)增益和相位響應(yīng)等參數(shù)進(jìn)行觀察，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路參數(shù)的優(yōu)化,，并能有效地對(duì)電路的工作機(jī)制進(jìn)行洞察,。
1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與方法
1.1 電路結(jié)構(gòu)
設(shè)計(jì)的壓控振蕩器采用Clapper結(jié)構(gòu)變形實(shí)現(xiàn)，主要由諧振電路,、增益電路,、壓控偏置電路和輸出隔離電路四部分組成。其中,，電路的工作頻率主要由諧振電路決定,，該電路主要由高品質(zhì)因數(shù)的同軸諧振器和具有良好線性度的變?nèi)荻O管組成；增益電路給振蕩器電路提供合適的增益用于起振和維持后續(xù)的穩(wěn)定振蕩,，增益太小則電路無(wú)法起振,，太大則電路工作在高增益壓縮區(qū)；壓控偏置電路用于控制電路中變?nèi)荻O管的反向偏置電壓,，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電路振蕩頻率的調(diào)節(jié),；輸出隔離電路主要由電阻構(gòu)成，用于測(cè)試時(shí)隔離VCO和測(cè)試儀器以及工作時(shí)隔離VCO和后面連接的電路,，可以降低由于阻抗失配引起的負(fù)面影響和負(fù)載牽引現(xiàn)象,，其衰減值可以根據(jù)實(shí)際功率需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖1為所設(shè)計(jì)VCO的原理圖,。
1.2 分析方法
利用負(fù)阻分析法[3]設(shè)計(jì)振蕩器,，要求電路的總阻抗ZT=RT+jXT=0，可以將其分解為總阻抗實(shí)部RT=RS+RL=0和總阻抗虛部XT=XS+XT=0,，其中RS,、XS、RL,、XL分別為源阻抗和負(fù)載阻抗的實(shí)部和虛部,。對(duì)于無(wú)源負(fù)載，其阻抗的實(shí)部一定是正的,，若電路的總阻抗實(shí)部為0,，則意味著有源器件應(yīng)存在適當(dāng)?shù)呢?fù)阻。該條件主要決定了電路是否可以起振,，且在振蕩器起振時(shí),，要求電路的總電阻小于0，此時(shí)振蕩器中將有對(duì)應(yīng)頻率下持續(xù)增長(zhǎng)的電流流過，而隨著電流的增大,，總電阻的絕對(duì)值會(huì)逐漸減小,，直到電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，此時(shí)電路的總電阻為0,?？傋杩固摬繛?的條件則主要決定著電路的振蕩頻率。根據(jù)負(fù)阻分析法,，電路的總電阻在穩(wěn)定振蕩之后為0,，意味著此時(shí)的品質(zhì)因數(shù)為無(wú)窮大，這顯然是不可能的,，此時(shí)利用電路的品質(zhì)因數(shù)來評(píng)估電路的相位噪聲也是沒有意義的,，因此需要通過Leeson公式對(duì)相位噪聲進(jìn)行評(píng)估[4]。
另外,，利用負(fù)阻分析法對(duì)電路的增益也不能直觀地觀察,，而利用虛擬地技術(shù)，將電路的結(jié)構(gòu)根據(jù)選擇的虛擬地重新連接,，可以將圖1中的電路轉(zhuǎn)換為增益電路和諧振電路串聯(lián)形成的雙端口電路,，此時(shí)通過S參數(shù)可以觀察電路開環(huán)增益的幅值和相位響應(yīng)，同時(shí)也可以根據(jù)零相位穿越點(diǎn)得到電路的諧振頻率,，根據(jù)群延時(shí)粗略估計(jì)電路的有載品質(zhì)因數(shù),。
2 電路的仿真與實(shí)現(xiàn)
利用相同的電路結(jié)構(gòu)和分析法，即圖1中去除同軸諧振器COAX,，設(shè)計(jì)的只是由普通LC諧振電路構(gòu)成的VCO,，受制于其諧振電路低品質(zhì)因素的特點(diǎn)，在1 kHz頻率偏移處的相位噪聲達(dá)到極限值-60 dBc/Hz,。因此,，本文采用高品質(zhì)因素的同軸諧振器設(shè)計(jì)電路，克服了普通LC電路的缺點(diǎn),，增加整體電路的Q值,，從而達(dá)到優(yōu)化VCO的相位噪聲的目的。
如圖1所示,，將高品質(zhì)因數(shù)的同軸諧振器構(gòu)成的諧振電路(COAX,，L2，C4)加載到晶體管的基極,。在3.035 GHz的工作頻率時(shí),，該晶體管具有高的增益、合適的截止頻率和低的噪聲系數(shù),。變?nèi)荻O管選取的是超突變結(jié)型的器件,，其具有良好的線性調(diào)節(jié)特性以及低的等效串聯(lián)電阻,，在仿真時(shí)利用等效串聯(lián)RLC電路(C8，L3,，R7)代替該變?nèi)荻O管,，并將其通過一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娙軨2耦合到電路中，與同軸諧振器電路,、晶體管、電容(C5,、C6)一起構(gòu)成了Clapp式振蕩電路,。R1和R8為晶體管提供基極分壓式偏置電路，并在發(fā)射極放置一個(gè)提供負(fù)反饋的電阻R9,，用于穩(wěn)定晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn),。振蕩信號(hào)由電容耦合輸出，輸出端口的衰減器用于實(shí)現(xiàn)隔離,。
2.1 負(fù)阻分析法起振設(shè)計(jì)
首先基于負(fù)阻分析法,，調(diào)節(jié)優(yōu)化圖1中的C5、C6和R9的器件參數(shù)值,，使得當(dāng)從晶體管基極看入時(shí),，電路具有適當(dāng)?shù)呢?fù)阻和較大的端口反射系數(shù)。端口反射系數(shù)的仿真結(jié)果如圖2所示,，可看出其在3.035 GHz的工作頻率處達(dá)到最大值,，為8.304 dB，說明電路存在足夠的負(fù)阻,，電路可以起振,。
對(duì)電路進(jìn)行瞬態(tài)仿真，可以得到其時(shí)域與頻域的振蕩信號(hào)波形,，如圖3所示,。可以看出,，電路很快實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的等幅振蕩,，輸出信號(hào)的基波頻率為3.035 GHz，功率為-8.251 dBm,，功率較小是因?yàn)樾盘?hào)經(jīng)過了輸出端口的7 dB衰減器,。
2.2 虛擬地分析優(yōu)化性能
經(jīng)過負(fù)阻分析法設(shè)計(jì)，電路實(shí)現(xiàn)了起振并最終達(dá)到穩(wěn)定振蕩,，不過該分析方法缺乏對(duì)電路工作機(jī)制的有效洞察,，需要結(jié)合虛擬地分析法對(duì)電路的增益以及品質(zhì)因數(shù)等參數(shù)進(jìn)行評(píng)估，并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)器件的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,，從而實(shí)現(xiàn)低相位噪聲VCO的設(shè)計(jì),。
虛擬地技術(shù)是為了方便分析電路,，在不改變?cè)娐沸盘?hào)傳遞特性的同時(shí)，選擇一個(gè)新的接地參考點(diǎn),。一般選擇晶體管的發(fā)射極作為新的參考點(diǎn),，因?yàn)榘l(fā)射極既在控制電路中，又在被控制電路中,，這么做可以將電路的增益模塊與調(diào)諧電路分離,。之后為電路選擇一個(gè)斷開點(diǎn)作為分析端口，用于分析振蕩電路的特性,，斷開點(diǎn)選在晶體管的基極[5],，最后得到的電路原理圖如圖4所示。
為了實(shí)現(xiàn)最大的功率傳輸,，兩個(gè)端口的阻抗值設(shè)置為共軛狀態(tài),。首先對(duì)電路進(jìn)行S參數(shù)仿真，然后根據(jù)式(1)[6]計(jì)算電路的開環(huán)增益,。
仿真結(jié)果如圖5所示,。在極坐標(biāo)中繪制開環(huán)增益的曲線，可以看出隨著頻率的增大,，曲線沿著點(diǎn)(1,，0)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)了一周，滿足電路起振的奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)[6],，電路可以起振,。另外在直角坐標(biāo)系中繪制出增益的幅值相應(yīng)曲線（實(shí)線）和相位響應(yīng)曲線（虛線），可以看到在3.035 GHz附近有兩個(gè)零相位穿越點(diǎn),，但是右邊的穿越點(diǎn)處其增益小于0 dB,，此時(shí)電路無(wú)法起振。在3.037 GHz處,，不僅相位是負(fù)斜率穿越零點(diǎn),，且在該點(diǎn)處有8.542 dB的增益，可以滿足電路起振,。零相位穿越點(diǎn)的頻率與3.035 GHz的工作頻率有些許差別,，主要是該方法與瞬態(tài)分析稍有不同，但不影響電路功能的正確分析和參數(shù)的優(yōu)化,。從相位響應(yīng)可以看出,，在左邊零相位穿越點(diǎn)處其斜率較大，意味著電路有較高的有載品質(zhì)因數(shù),。根據(jù)式(2)可以得到在該穿越點(diǎn)處的有載品質(zhì)因數(shù)約為139,。
2.3 諧波平衡分析
對(duì)VCO電路進(jìn)行諧波平衡仿真觀察相位噪聲，仿真結(jié)果如圖6所示,?？芍?，在300 Hz和1 kHz頻偏處的相位噪聲分別為-71.87 dBc/Hz和-85.123 dBc/Hz，可以很好地滿足銣原子鐘對(duì)低相位噪聲的要求,。
2.4 測(cè)試結(jié)果
根據(jù)仿真的電路圖以及確定的器件進(jìn)行電路實(shí)物圖的設(shè)計(jì),。為了使得電路的實(shí)際測(cè)試結(jié)果更加符合仿真結(jié)果，所用的器件的精度均在1%的容差范圍內(nèi),。同時(shí)根據(jù)更小的尺寸要求,，電路中所用的電容、電阻,、電感均是0402分裝的貼片式器件,，并且器件在電路板中分布相對(duì)緊湊，根據(jù)實(shí)際的實(shí)物圖測(cè)量可以得知,，該振蕩器的實(shí)際有效部分尺寸大約為10 mm×9 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1元人民幣硬幣的尺寸,，同時(shí)厚度不到5 mm,，對(duì)于原子鐘的小型化有很大的幫助。因?yàn)樗O(shè)計(jì)的振蕩器處于高頻段,，對(duì)于PCB基質(zhì)板的選擇,，雖然FR4基質(zhì)板的成本較低，但由于其阻抗等參數(shù)的離散性較大,，寬頻率范圍內(nèi)的一致性,、平坦性也較差，因而不能滿足應(yīng)用需求,。最終選擇的PCB基質(zhì)板為Rogers的高頻板,，其介質(zhì)成分、物理尺寸的一致性非常好,，而且穩(wěn)定,，有利于降低相位噪聲。
利用頻譜分析儀對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試,，在實(shí)際測(cè)試中,，由于所設(shè)計(jì)的頻率屬高頻范圍，對(duì)于外界環(huán)境,、焊接水平等因素比較敏感,，實(shí)際的測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果很難一致，因此通過微調(diào)關(guān)鍵器件的參數(shù)值,，最終獲得符合設(shè)計(jì)要求的結(jié)果,。
根據(jù)測(cè)試可知，該振蕩器的基波信號(hào)頻率為3.035 GHz,，輸出信號(hào)的功率經(jīng)過7 dB衰減器后為-8.13 dBm,，則可知輸出功率值為-1.13 dBm,，符合文獻(xiàn)[7]中針對(duì)3.035 GHz微波信號(hào)源提出的功率指標(biāo)，即-5~-2 dBm,。相位噪聲的測(cè)試結(jié)果如圖7所示,，可以得到所設(shè)計(jì)VCO的相位噪聲為-60.49 dBc/Hz@300 Hz、-73.08 dBc/Hz@1 kHz和-97.48 dBc/Hz@10 kHz,，優(yōu)于文獻(xiàn)[7]中針對(duì)銣原子鐘系統(tǒng)中壓控振蕩器相位噪聲提出的指標(biāo),，即-90 dBc/Hz@10 kHz。此外,，根據(jù)圖8可知,，該壓控振蕩器在0~2 V的電壓范圍內(nèi)，壓控靈敏度大約為12 MHz/V,，通過調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管兩端的電壓,，可以彌補(bǔ)頻率的漂移，使得該壓控振蕩器始終能夠在3.035 GHz頻點(diǎn)振蕩工作,。
3 結(jié)論
本文根據(jù)銣85原子鐘的相關(guān)應(yīng)用要求,，設(shè)計(jì)了一個(gè)在3.035 GHz頻點(diǎn)工作的低相位噪聲的壓控振蕩器，同時(shí)具有小尺寸,、低功率輸出的優(yōu)點(diǎn),。設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合負(fù)阻分析法和虛擬地分析法,，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)合理選擇器件,，高品質(zhì)因數(shù)的同軸諧振器、低噪聲系數(shù)的晶體管和高線性調(diào)節(jié)能力的變?nèi)荻O管給振蕩器的良好性能提供了保障,。為了精確仿真,，在ADS軟件中對(duì)重要器件在工作頻率下建模，利用瞬態(tài)仿真,、開環(huán)增益仿真和諧波平衡仿真等對(duì)電路起振條件和功率,、相位噪聲等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明,，振蕩器性能良好,，符合銣原子鐘的應(yīng)用要求。
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