铷原子频标的电路设计及其低相噪技术研究

【摘要】： 原子频标是一种具有优良稳定度和准确度的频率源,已广泛应用于卫星定位和导航、守时授时、通信、仪器仪表以及天文等领域。铷原子频率标准(铷原子频标)因其具有体积小、重量轻、功耗低、成本低等优势而成为目前应用最为广泛的原子频标。 本文是在实验室已有的铷量子物理模块的基础上,对铷原子频标的基本原理进行研究;设计出铷原子频标的硬件电路,实现了铷原子能级跃迁频率对压控晶体振荡器的锁频,得到了与铷原子跃迁频率同样准确和稳定的标准输出信号;研究了伺服环路各个部件对输出信号的影响,从而得出改善相位噪声的方法。本论文的主要内容有: 1、研究了被动型铷原子频标的基本量子原理、光抽运和光检测原理和伺服环路的控制过程。 2、研究了每个部件在铷原子频标伺服环路的作用,给出了铷原子频标电路的设计。包括了对微弱的误差信号进行处理的伺服电路,对频率偏移纠正并提供输出的压控晶体振荡器,实现频率倍增综合的倍频器、综合器电路以及频率调制电路等主要电路的原理仿真和实际电路设计。 3、研究了伺服环路各个部件的噪声对频标输出频率的影响,得出了铷原子频标的相位噪声主要由压控晶体振荡器的相位噪声决定的结论。得出了优化压控晶体振荡器的相位噪声的方法,从而改善铷原子频标输出的相位噪声。 本设计的铷原子频标的标准输出信号为10MHz,实验测试的相位噪声为-125dB/Hz@100Hz。