Rubidyum atom saati için düşük fazlı gürültü voltaj kontrollü osilatör
Ju Qingyun 1, Tang Liang 2, Li Xinwei 1, Qiao Donghai 1, 2, Ji Lei 1
(1. Elektronik Bilgi Okulu, Soochow Üniversitesi, Suzhou 215006, Jiangsu; 2. Akustik Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi, Pekin 100190)
Geleneksel atom saatleriyle karşılaştırıldığında, tutarlı düzen tuzağı (CPT) fenomenine dayalı olarak geliştirilen atomik saatler, daha yüksek zaman doğruluğu sağlayabilir ve atomik saatlerin minyatürleştirme ve düşük güç tüketimi yönünde geliştirilmesine yardımcı olur. Farklı CPT atom saati türleri arasında rubidyum atomik saatler en yaygın kullanılanlardır ve performansının büyük bir kısmı mikrodalga sinyal kaynaklarını sağlamak için kullanılan dahili voltaj kontrollü osilatörüne (VCO) bağlıdır. Buna dayanarak, yüksek kalite faktörlü koaksiyel rezonatör ve Clapp osilatör devresini kullanarak, önce devrenin negatif direnç analizi yöntemine göre hızlı bir şekilde salınmasını sağlayın ve devre parametrelerini optimize etmek için sanal zemin teknolojisini birleştirerek küçük hacimli, düşük faz gürültüsünü tamamlayın. 3.035 GHz voltaj kontrollü osilatör tasarımı. Faz gürültüsü -60.49 dBc / Hz @ 300 Hz, -73.08 dBc / Hz @ 1 kHz ve -97.48 dBc / Hz @ 10 kHz, voltaj kontrol hassasiyeti 12 MHz / V ve çıkış sinyal gücü -1.13 dBm, Rubidyum atom saatlerinin uygulama gereksinimlerini karşılayın.
Tutarlı düzen sayı tuzağı; rubidyum atom saati; koaksiyel rezonatör; voltaj kontrollü osilatör; düşük faz gürültüsü
TN752
Belge tanımlama kodu: Bir
10.16157 / j.issn.0258-7998.2016.11.022
Çince alıntı biçimi: Ju Qingyun, Tang Liang, Li Xinwei, et al.Rubidyum atomik saatler için bir düşük faz gürültü voltajı kontrollü osilatör.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2016, 42 (11): 84-87.
İngilizce alıntı biçimi: Ju Qingyun, Tang Liang, Li Xinwei ve diğerleri.Rubidyum atomik saatler için düşük faz gürültülü VCO'nun tasarımı.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2016, 42 (11): 84-87.
0 Önsöz
Bilim ve teknolojinin gelişmesiyle birlikte, askeri sanayi ve derin deniz keşfi gibi alanlar, güçlü bir garanti sağlamak için daha yüksek hassasiyetli bir zaman tabanı gerektirir.Koherent düzen tuzağı (CPT) teknolojisi kullanılarak geliştirilen atom saati, sadece doğruluk gereksinimlerini karşılamakla kalmaz, aynı zamanda minyatür hale gelir, Düşük güç tüketiminin gelişimi. CPT rubidyum atom saati en yaygın kullanılanlardan biridir. Rubidyum atom saatlerinin üretimi ve uygulaması için, yüksek kararlılığa sahip, düşük gürültülü bir sinyal kaynağına sahip olmak çok önemlidir ve sinyal kaynağının frekansının, rubidyum atom temel durumunun ultra ince bölünme frekansının bir veya yarısına eşit olması gerekir, böylece etkili bir şekilde modüle edilebilir. Sistemin arkasındaki lazer. Ek olarak, çalışma ortamı sıcaklığındaki değişiklikler, cihaz eskimesi, harici parazit ve diğer faktörler nedeniyle sinyal kaynağının frekansı kayacaktır.Bu nedenle, devrenin çeşitli faktörlerin neden olduğu frekans kaymasını telafi etmek için uygun frekans ayarlama yeteneklerine sahip olması gerekmektedir.
Bu yazıda, rubidyum 85 atom saati için rubidyum 85 atom temel durumunun aşırı ince bölme frekansının yarısı kadar çalışma frekansına sahip 3.035 GHz voltaj kontrollü bir osilatör (VCO) tasarlanmıştır. VCO, genel tasarımı gerçekleştirmek için önce hızlı titreşimin avantajlarıyla birlikte negatif direnç analizi yöntemini kullanır ve ardından devreyi bir kazanç devresi ve bir rezonans devresi formuna dönüştürmek için sanal zemin teknolojisini birleştirir ve devrenin salınım frekansını belirler ve başlar. Titreşim koşulları, devrenin ve diğer parametrelerin açık döngü kazancını ve faz yanıtını gözlemleyin, devre parametrelerinin optimizasyonunu gerçekleştirin ve devrenin çalışma mekanizması hakkında etkili bir şekilde fikir edinebilir.
1 Tasarım yapısı ve yöntemi
1.1 Devre yapısı
Tasarlanan voltaj kontrollü osilatör, esas olarak rezonans devresi, kazanç devresi, gerilim kontrollü öngerilim devresi ve çıkış izolasyon devresi olmak üzere dört bölümden oluşan Clapper yapı deformasyonu kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bunlar arasında, devrenin çalışma frekansı, esas olarak yüksek kalite faktörlü bir koaksiyel rezonatör ve iyi doğrusallığa sahip bir varaktör diyottan oluşan rezonans devresi tarafından belirlenir; kazanç devresi, titreşim için osilatör devresi için uygun kazanç sağlar ve Sonraki kararlı salınımı koruyun.Kazanç çok küçükse, devre salınmaya başlayamaz.Kazanç çok büyükse, devre yüksek kazançlı sıkıştırma bölgesinde çalışacaktır; voltaj kontrollü öngerilim devresi, devreyi elde etmek için devredeki varaktör diyotunun ters öngerilim voltajını kontrol etmek için kullanılır Salınım frekansı ayarı; çıkış izolasyon devresi, esas olarak test sırasında VCO'yu ve test cihazını izole etmek ve VCO'yu ve sonraki devreleri izole etmek için kullanılan dirençlerden oluşur; bu, empedans uyumsuzluğunun neden olduğu olumsuz etkiyi ve yük çekme olayını ve zayıflamasını azaltabilir Değer, gerçek güç gereksinimlerine göre tasarlanabilir. Şekil 1, tasarlanan VCO'nun şematik diyagramıdır.
1.2 Analiz yöntemi
Osilatörü tasarlamak için negatif direnç analizi yöntemini kullanarak, devrenin toplam empedansı gereklidir ZT = RT + jXT = 0, bu toplam empedans RT = RS + RL = 0 gerçek kısmına ve toplam empedansın sanal kısmı XT = XS + XT = 0 olarak ayrıştırılabilir. RS, XS, RL ve XL sırasıyla kaynak empedansının ve yük empedansının gerçek ve hayali parçalarıdır. Pasif yükler için, empedansın gerçek kısmı pozitif olmalıdır Devrenin toplam empedansının gerçek kısmı 0 ise, aktif cihazın uygun bir negatif dirence sahip olması gerektiği anlamına gelir. Bu durum esas olarak devrenin salınmaya başlayıp başlayamayacağını belirler ve osilatör salınmaya başladığında, devrenin toplam direncinin 0'dan az olması gerekir. Bu anda, osilatörde karşılık gelen frekansta akan ve akım arttıkça sürekli artan bir akım olacaktır. Büyükse, toplam direncin mutlak değeri, akım sabit durum değerine ulaşana kadar kademeli olarak azalacaktır, bu sırada devrenin toplam direnci 0'dır. Toplam empedansın sanal kısmının 0 olması koşulu, esas olarak devrenin salınım frekansını belirler. Negatif direnç analizi yöntemine göre, kararlı salınımdan sonra devrenin toplam direnci 0'dır, bu da şu anda kalite faktörünün sonsuz olduğu anlamına gelir ki bu açıkça imkansızdır.Şu anda devrenin faz gürültüsünü değerlendirmek için devrenin kalite faktörünü kullanmak anlamsızdır. Bu nedenle, faz gürültüsünün Leeson formülü ile değerlendirilmesi gerekir.
Ayrıca negatif direnç analizi yöntemi kullanılarak devrenin kazancı sezgisel olarak izlenemez.Sanal zemin teknolojisi kullanılarak devre yapısı seçilen sanal toprağa göre yeniden bağlanabilir ve Şekil 1'deki devre bir kazanç devresine ve seri olarak bir rezonans devresine dönüştürülebilir. Oluşturulan iki kapılı devre Bu esnada devrenin açık çevrim kazancının genliği ve faz yanıtı S-parametresi ile gözlemlenebilir.Aynı zamanda devrenin rezonans frekansı sıfır faz geçiş noktasına göre elde edilebilir ve devrenin yük kalite faktörü grup gecikmesine göre kabaca tahmin edilebilir. .
2 Devrenin simülasyonu ve gerçekleştirilmesi
Aynı devre yapısını ve analiz yöntemini kullanarak, yani Şekil 1'deki koaksiyel rezonatör COAX'ı kaldırarak, tasarım, 1 kHz frekans kaymasında, rezonans devresinin düşük kaliteli faktörlerinin özelliklerine tabi, sıradan bir LC rezonans devresinden oluşan bir VCO'dur. Faz gürültüsü -60 dBc / Hz sınır değerine ulaşır. Bu nedenle, bu makale, devreyi tasarlamak için yüksek kaliteli koaksiyel rezonatörler kullanır; bu, sıradan LC devrelerinin eksikliklerinin üstesinden gelir ve genel devrenin Q değerini arttırır ve böylece VCO'nun faz gürültüsünü optimize etme amacına ulaşır.
Şekil 1'de gösterildiği gibi, transistörün tabanına yüksek kalite faktörlü bir koaksiyel rezonatörden oluşan bir rezonans devresi (COAX, L2, C4) yüklenir. 3.035 GHz çalışma frekansında, transistörün yüksek bir kazancı, uygun bir kesme frekansı ve düşük bir gürültü rakamı vardır. Varaktör diyot, iyi doğrusal ayarlama özelliklerine ve düşük eşdeğer seri direncine sahip hiper-ani bir bağlantı cihazıdır Simülasyonda, eşdeğer seri RLC devresi (C8, L3, R7) varaktörün yerini almak için kullanılır. Ve devreye uygun bir C2 kapasitörüyle bağlanır ve koaksiyel rezonatör devresi, transistörler ve kapasitörler (C5, C6) bir Clapp tipi osilatör devresi oluşturur. R1 ve R8, transistör için bir temel voltaj bölücü öngerilim devresi sağlar ve transistörün statik çalışma noktasını stabilize etmek için, negatif geri besleme sağlayan bir direnç R9, yayıcıya yerleştirilir. Salınımlı sinyal, kapasitif kuplaj ile çıkarılır ve çıkış portundaki zayıflatıcı, izolasyon için kullanılır.
2.1 Negatif direnç analizi yönteminin titreşim tasarımı
İlk olarak, negatif direnç analizi yöntemine dayanarak, Şekil 1'deki C5, C6 ve R9 cihaz parametre değerlerini ayarlayın ve optimize edin, böylece transistörün tabanından bakıldığında, devre uygun bir negatif dirence ve daha büyük bir port yansıma katsayısına sahip olur. Bağlantı noktası yansıma katsayısının simülasyon sonucu Şekil 2'de gösterilmektedir. 3.035 GHz çalışma frekansında maksimum değere ulaştığı, yani 8.304 dB devrenin yeterli negatif dirence sahip olduğunu ve devrenin titreşmeye başlayabileceğini gösterir.
Devreye geçici simülasyonu gerçekleştirin, Şekil 3'te gösterildiği gibi zaman alanında ve frekans alanında salınım sinyali dalga formunu alabilir. Devrenin hızlı bir şekilde kararlı sabit genlik salınımını gerçekleştirdiği görülebilir.Çıkış sinyalinin temel frekansı 3.035 GHz ve güç -8.21 dBm idi.Düşük güç, sinyalin çıkış portundaki 7 dB zayıflatıcıyı geçmesinden kaynaklanıyordu.
2.2 Performansı sanal olarak analiz edin ve optimize edin
Negatif direnç analizi yönteminin tasarımından sonra, devre salınımı gerçekleştirdi ve sonunda kararlı bir salınıma ulaştı.Ancak, bu analiz yöntemi devre çalışma mekanizmasına ilişkin etkili bir kavrayışa sahip değildir.Devre kazancını ve kalite faktörünü ve diğer parametreleri değerlendirmek için sanal zemin analizi yöntemini birleştirmek gerekir ve Simülasyon sonuçlarına göre, cihazın parametreleri, düşük faz gürültülü VCO tasarımını gerçekleştirmek için optimize edilmiştir.
Sanal zemin teknolojisi, devrenin analizini kolaylaştırmak ve orijinal devrenin sinyal iletim özelliklerini değiştirmeden yeni bir toprak referans noktası seçmektir. Genel olarak, transistörün vericisi yeni referans noktası olarak seçilir, çünkü yayıcı hem kontrol devresinde hem de kontrollü devrede bu, devrenin kazanç modülünü ayarlama devresinden ayırabilir. Ardından, salınım devresinin özelliklerini analiz etmek için kullanılan analiz portu olarak devre için bir bağlantı kesme noktası seçin, bağlantı kesme noktası transistörün tabanından seçilir ve son devre şeması Şekil 4'te gösterilir.
Maksimum güç iletimi elde etmek için, iki portun empedans değerleri birleşik duruma ayarlanır. Devreye ilk önce S parametresi simülasyonunu uygulayın, ardından formül (1) 'e göre devrenin açık döngü kazancını hesaplayın.
Simülasyon sonucu Şekil 5'te gösterilmektedir. Açık döngü kazanç eğrisini kutupsal koordinatlarda çizin Frekans arttıkça eğrinin, devre başlangıcının Nyquist kararlılık kriterini karşılayan nokta (1, 0) boyunca saat yönünde döndüğü görülebilir. Devre salınım yapabilir. Ek olarak, Kartezyen koordinat sisteminde kazanç genliğine karşılık gelen eğriyi (düz çizgi) ve faz yanıt eğrisini (kesikli çizgi) çizin. 3,035 GHz civarında iki sıfır faz geçiş noktası olduğu ancak sağ kesişme noktasındaki kazancın daha az olduğu görülebilir. 0 dB, devre şu anda salınmaya başlayamaz. 3.037 GHz'de, faz sıfır noktasını geçen negatif bir eğim olmakla kalmaz, aynı zamanda bu noktada devrenin başlangıcını tatmin edebilecek 8.542 dB'lik bir kazanç vardır. Sıfır faz geçiş noktasının frekansı 3.035 GHz çalışma frekansından biraz farklıdır, çünkü bu yöntem geçici analizden biraz farklıdır, ancak devre fonksiyonlarının doğru analizini ve parametrelerin optimizasyonunu etkilemez. Faz cevabından soldaki sıfır faz geçiş noktasındaki eğimin daha büyük olduğu, bu da devrenin daha yüksek bir yük kalitesi faktörüne sahip olduğu anlamına gelir. Formül (2) 'ye göre, kesişme noktasındaki yükte kalite faktörü yaklaşık 139'dur.
2.3 Harmonik denge analizi
Faz gürültüsünü gözlemlemek için VCO devresine harmonik denge simülasyonunu uygulayın, simülasyon sonucu Şekil 6'da gösterildiği gibi gösterilir. 300 Hz ve 1 kHz frekans sapmasındaki faz gürültüsünün sırasıyla -71.87 dBc / Hz ve -85.123 dBc / Hz olduğu görülebilir; bu, düşük faz gürültüsü için rubidyum atomik saat gereksinimlerini iyi karşılayabilir.
2.4 Test sonuçları
Fiziksel devre şemasını simüle edilmiş devre şemasına ve belirlenen cihaza göre tasarlayın. Devrenin gerçek test sonuçlarının simülasyon sonuçları ile daha tutarlı hale getirilmesi için kullanılan cihazların doğruluğu% 1 tolerans dahilindedir. Aynı zamanda daha küçük boyut gereksinimlerine göre devrede kullanılan kondansatörler, dirençler ve indüktörler 0402 alt paketli SMD cihazlarıdır ve cihazlar devre kartında nispeten kompakt bir şekilde dağılmıştır.Gerçek fiziksel harita ölçümüne göre salınım olduğu bilinebilir. Cihazın etkili kısmının gerçek boyutu yaklaşık 10 mm x 9 mm'dir, bu 1 yuan madeni paranın boyutundan çok daha küçüktür ve kalınlık 5 mm'den azdır, bu da atomik saatin minyatürleştirilmesine büyük yardımcı olur. Tasarlanan osilatör, PCB substratı seçimi için yüksek frekans aralığında olduğundan, empedansının ve diğer parametrelerin daha fazla dağılması nedeniyle FR4 substratının maliyeti daha düşük olmasına rağmen, geniş bir frekans aralığında tutarlılık ve düzlük de daha iyidir. Yetersiz, bu nedenle uygulama gereksinimlerini karşılayamıyor. Seçilen son PCB substrat kartı Rogers'ın yüksek frekanslı kartıdır.Dielektrik bileşimi ve fiziksel boyutu çok tutarlı ve kararlıdır, bu da faz gürültüsünü azaltmak için faydalıdır.
Performansını test etmek için bir spektrum analizörü kullanın. Gerçek testte, tasarlanan frekans yüksek frekans aralığında olduğundan, dış ortam ve kaynak seviyesi gibi faktörlere duyarlıdır. Gerçek test sonucunun ve simülasyon sonucunun eşleşmesi zordur, bu nedenle ince ayar Anahtar cihazın parametre değeri nihayet tasarım gereksinimlerini karşılayan sonucu elde eder.
Teste göre, osilatörün temel sinyalinin frekansı 3.035 GHz, çıkış sinyalinin gücü ise 7 dB zayıflatıcıdan sonra -8.13 dBm'dir.Çıkış gücü değeri -1.13 dBm olup literatürdeki 3.035 GHz mikrodalga sinyal kaynağı ile uyumludur. Önerilen güç endeksi -5 ~ -2 dBm'dir. Faz gürültüsünün test sonucu Şekil 7'de gösterilmiştir. Tasarlanan VCO'nun faz gürültüsü literatürden daha iyi olan -60.49 dBc / Hz @ 300 Hz, -73.08 dBc / Hz @ 1 kHz ve -97.48 dBc / Hz @ 10 kHz'dir. Rubidyum atomik saat sistemindeki voltaj kontrollü osilatörün faz gürültüsü için ortaya konan endeks, yani -90 dBc / Hz @ 10 kHz. Ek olarak, Şekil 8'e göre, voltaj kontrollü osilatör, 0-2 V voltaj aralığında yaklaşık 12 MHz / V voltaj kontrollü hassasiyete sahiptir. Voltajı varaktör diyodu boyunca ayarlayarak, frekans kayması telafi edilebilir, böylece voltaj Kontrollü osilatör her zaman 3.035 GHz frekansında salınım yapabilir.
3 Sonuç
Rubidyum 85 atom saatinin ilgili uygulama gereksinimlerine göre, bu makale, küçük boyut ve düşük güç çıkışı avantajlarıyla 3.035 GHz frekansında çalışan düşük faz gürültülü voltaj kontrollü bir osilatör tasarlamaktadır. Tasarım sürecinde negatif direnç analizi yöntemi ve sanal zemin analizi yöntemi ile birleştirilen tasarım indeksine göre cihaz makul bir şekilde seçilmiştir.Yüksek kalite faktörlü koaksiyel rezonatör, düşük gürültülü şekil transistörü ve yüksek doğrusal ayarlama kabiliyetine sahip varaktör diyot osilatör için iyidir. Performans bir garanti sağlar. Doğru bir şekilde simüle etmek için, önemli bileşenler çalışma frekansında ADS yazılımında modellenir ve devre başlatma koşulları, güç, faz gürültüsü ve diğer anahtar parametreler, geçici simülasyon, açık döngü kazanç simülasyonu ve harmonik denge simülasyonu ile optimize edilir ve doğrulanır. . Test sonuçları, osilatörün iyi bir performansa sahip olduğunu ve rubidyum atom saatlerinin uygulama gereksinimlerini karşıladığını göstermektedir.
Referanslar
KNAPPE S, SCHWINDT P D, SHAH V, ve diğerleri Gelişmiş frekans kararlılığına sahip 87Rb'ye dayanan çip ölçekli bir atom saati Optics Express, 2005, 13 (4): 1249-1253.
BRANNON A, BREITBARTH J, POPOVIC Z.Çip ölçekli atomik saatler için düşük güçlü, düşük faz gürültülü yerel osilatör Mikrodalga Sempozyumu Özeti, 2005 IEEE MTT-S Uluslararası, 2005.
KUROKAWA K. Geniş bant negatif dirençli osilatör devrelerinin bazı temel özellikleri Bell Labs Technical Journal, 1969, 48 (6): 1937-1955.
LEESON D B. Basit bir geri besleme osilatörü gürültü spektrumu modeli.IEEE'nin Bildirileri, 1966, 54 (2): 329-330.
BRANNON A, JANKOVIC M, BREITBARTH J, ve diğerleri NIST'te çip ölçekli atomik saatler için bir yerel osilatör. Uluslararası Frekans Kontrol Sempozyumu ve Sergisi, 2006: 443-447.
RANDALL M, HOCK T. Doğrusal açık döngü S parametreleri kullanılarak genel osilatör karakterizasyonu Mikrodalga Teorisi ve Teknikleri IEEE İşlemleri, 2001, 49 (6): 1094-1100.
Deng Ke. Minyatürleştirilmiş tutarlı popülasyon hapsedilmiş atom saati üzerine deneysel araştırma. Pekin: Pekin Üniversitesi, 2011.
AET üyeleri için yıl sonu avantajları!
