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第 40 卷 第 4 期2023 年 7 月量 子 电 子 学 报CHINESE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICSVol.40 No.4Jul.2023用于原子干涉重力仪的小型频率合成器用于原子干涉重力仪的小型频率合成器设计与实现设计与实现摆海龙,白金海,胡 栋,王 宇*(航空工业北京长城计量测试技术研究所计量与校准技术重点实验室,北京 100095)摘要:在原子干涉重力实验中,拉曼激光制备常采用光学锁相环方法,即先将主从激光器拍频信号与 6.8 GHz 微波信号源进行混频,再与直接数字频率合成信号发生器进行鉴频鉴相,得到的反馈信号用以控制激光器实现低噪声拉曼光输出,而拉曼光相噪将直接影响原子干涉重力仪的灵敏度。本设计采用 STM32F103C8T6 单片机对 LMX2594数字锁相环芯片进行编程控制,通过锁相环频率合成技术,最终获得 6.8 GHz的微波信号源。测试结果表明,该微波信号源相位噪声分别为 65.2 dB1 Hz、95.3 dB1 kHz,频率稳定度为 2.72 10-111 s,输出功率大于10 dBm。在脉冲间隔时间为 100 ms 时,信号源对原子干涉重力仪灵敏度的影响为 8 10-8 m/s2/Hz1/2,分辨率影响为 2 10-8 m/s2600 s,具有频率稳定度高、相位噪声低等优点,可以满足原子干涉重力实验。关 键 词:量子光学;原子干涉重力仪;微波信号源;相位噪声;锁相环中 图 分 类 号:O431.2 文 献 标 识 码:A 文章编号:1007-5461(2023)04-00510-09Design and implementation of a compact microwave synthesizer for atomic interference gravimeterBAI Hailong,BAI Jinhai,HU Dong,WANG Yu *(National Key Laboratory of Science and Technology on Metrology and Calibration,Changcheng Institute of Metrology and Measurement,Beijing 100095,China)AbstracAbstract t:In atom interferometer gravity experiments,Raman laser preparation commonly uses an optical phase-locked loop method,in which the master and slave laser beat signal is mixed with a 6.8 GHz microwave signal source firstly,then frequency discrimination is performed with direct digital frequency synthesis signal generator,and lastly the feedback signal obtained is used to control the low-noise Raman optical output.So the phase noise of Raman output will directly affect the sensitivity of the atom interference gravimeter.This design uses the STM32F103C8T6 microcontroller to program and control the LMX2594 digital phase-locked loop chip,and obtains a 6.8 GHz microwave signal source through the phase-locked loop frequency synthesis technology.The final experimental results show that the phase DODOI I:10.3969/j.issn.1007-5461.2023.04.010基金项目:国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目(61727819)作者简介:摆海龙(1996-),甘肃平凉人,研究生,主要从事原子干涉重力仪隔振技术方面的研究。E-mail:导师简介:王 宇(1978-),北京海淀人,博士,研究员,硕士生导师,主要从事量子计量方面的研究。E-mail:收稿日期:2021-03-25;修改日期:2021-05-12*通信作者。第 4 期摆海龙等:用于原子干涉重力仪的小型频率合成器设计与实现noise of the microwave signal source is 65.2 dB1 Hz,and 95.3 dB1 kHz,Allan deviation(ADEV)is 2.72 10111 s,and the output power is greater than 10 dBm.When the pulse interval time(T)is 100 ms,influence of signal source on sensitivity of the atom interference gravimeter is 8 10-8 m/s2/Hz1/2,and on the resolution of the atom interference gravimeter is 210-8 g600 s.It is shown that the design has the advantages of high frequency stability and low phase noise,which can meet the requirements of microwave reference sources for atom interferometer.K Keyey wordswords:quantum optics;atom interference gravimeter;microwave signal source;phase noise;phase-looked loop0 引 言1991年斯坦福大学朱棣文小组实现原子干涉重力仪后,原子干涉重力仪得到了空前的发展。精确的重力加速度测量有助于研究地球的内部结构,在矿场探测、精密计量、基本单位溯源、自然灾害预警等领域都有应用1。原子干涉重力仪的精度受限于对激光频率的精确控制,实验室常使用声光调制器(AOM)作为控制元件,AOM的调谐依赖于高精度的信号源2。相干激光的产生、射频信号的移相、数字鉴频鉴相都需要信号源做本振参考3。原子干涉重力仪的测量原理是上抛磁光阱中囚禁的87Rb原子,使其竖直向上形成原子喷泉。再采用两束相对传播频差为6.8 GHz的超精细拉曼脉冲,在重力场中对下落的原子团进行操控实现原子干涉,最终在探测区域对原子进行荧光探测,给出干涉条纹,从而获得当地重力加速度。光学锁相环技术(OPLL)是实验室常用的拉曼光制备方法,通过对两台激光器的拍频锁相得到6.8 GHz信号4,5。具体的实现过程是,主从激光器拍频信号与6.8 GHz微波信号源进行混频,混频后得到一个50 MHz的射频信号,该射频信号与直接数字频率合成(DDS)进行数字鉴频鉴相,得到的带宽为500 kHz的信号反馈到激光器的FET电流控制端口,1 kHz以下的信号反馈到PZT电压控制端口,以此控制激光器,实现低噪声拉曼光输出。原子干涉重力实验常用的E8257微波信号源6,7存在体积大、发热量大、功耗大、噪声大、冗余接口多的缺点,无法满足原子干涉重力仪高精度小型化的目标。国外商用的原子干涉重力仪(如CG68、FG59 等)在实验室阶段使用商用信号源,原理样机达到微伽级,进入工程化阶段都使用自制微波源。针对实验室常用信号源的缺点以及微伽级原子干涉重力仪工程化和小型化的要求,设计了各具特色的微波信号源,应用于导航、陀螺、加计等。微波信号源的设计方法有锁相环(PLL)频率合成、直接数字(DDS)频率合成、PLL+DDS频率合成、直接频率合成等10。本文采用PLL频率合成技术,使用STM32F103C8T6单片机对数字锁相环芯片进行编程控制,通过锁相环频率合成技术实现点频输出,再放大并倍频,实现了6.8 GHz的微波信号源设计。1 LMX2594锁相原理锁相环实际上是一个相位负反馈系统,用于消除频率误差和相位误差,具有跟踪特性。根据锁相环的结构,可分为模拟锁相环和数字锁相环。典型的模拟锁相环由鉴频鉴相器(PFD)、环路滤波器(LPF)和压控振511量 子 电 子 学 报40 卷荡器(VCO)组成;典型的数字锁相环是电荷泵锁相环,其组成部件在模拟锁相环的基础上加入了电荷泵(CP)和分频器(DIV)。与模拟锁相环相比,数字锁相环具有锁定范围广、零误锁、静态相位差为0(理想状态环路锁定后)、锁定速度快的优点。数字锁相环原理可简述为:鉴频鉴相器对支路参考信号和分频器输出信号的相位差进行比较,产生正比相位差,作用于电荷泵的电流,使电容充电;外部环路滤波器滤除直流量中的高频分量和噪声,用于VCO产生震荡;环路滤波器输出的直流信号与VCO的频率线性相关,通过改变直流信号来不断减小参考信号和分频信号的误差,最终实现频率相位一致,锁相环输出锁定11。电荷泵锁相环的结构如图1所示。图1 电荷泵锁相环结构Fig.1 Frame diagram of charge pump phase-locked loop本设计选用的LMX2594是Texas Instruments 生产的一款基于电荷泵锁相环的高性能数字频率合成器,可在不使用内部加倍器的情况下产生10 MHz15 GHz的任意频率信号,因而无需使用分谐波滤波器,其优势是可以实现非常低的带内噪声和集成抖动。高速N分频器没有预分频器,从而显著减少了杂散的振幅和数量。还有一个可减轻整数边界杂散的可编程输入倍频器,其具有集成的线性稳压源(LDO),无需板载低噪声LDO12。LMX2594同时支持单端和差分输入输出,参考信号fSOC可通过OSCinP或OSCinM从参考支路单端输入,也可差分输入,经过倍频(OSC_2X)、前R分频器(PLL_R_PRE)、倍频器(MULT)和后R分频器(PLL_R),最终得到鉴相频率fPD=fSOCNOSC_2XNMULTNPLL_R_PRENPLL_R,(1)式中:fSOC为参考信号输入频率,NOSC_2X为倍频数值,NMULT为倍频器数值,NPLL_R_PRE为前R分频器数值,NPLL_R为后R分频器数值。鉴相器输出的信号经过电荷泵由Cpout管脚输出到外置环路滤波器,滤波后的信号通过管脚Vtune经过VCO和N分频器进行反馈。N分频器不仅具备整数分频,还包含了分数补偿,可实现1232-1 的任意分母,整数和小数分频均可通过编程控制。VCO的输出可表示为fVCO=fPD(N+Nfrac),(2)式中:N为整数分频数,Nfrac为小数分频数。fVCO经由通道分频器(Channel divider)编程分频,通道分频器由4段组成,总的分频数等于4段的乘积,每512第 4 期摆海龙等:用于原子干涉重力仪的小型频率合成器设计与实现一段的分频数都是偶数,并不是所有的分频值都有效。分频系数为 k,最终通过管脚RFout的输出为Fout=fVCOk.(3)内部寄存器的控制字以SPI总线的方式经过管脚CSB、SCK、SDI写入,还可以通过管脚MUXout输出监控。2 信号源的软硬件设计本研究所设计的微波信号源主要由STM32F103C8T6单片机、LMX2594芯片、OLED 12864、键盘和超低噪声线性稳压源LP5912构成,整体结构图如图2所示。图2 整体设计结构框图Fig.2 Structure block diagram of overall design2.1 参考支路信源选择支路参考源信源的相噪、稳定度和杂散等性能水平直接限制最终信号源的性能13,14。高性能的本底需要高额的成本,本设计参考开发成本和性能要求,选择支路参考频率为 100 MHz 的同相锁频晶振模块(SPLLA-10-100),相位噪声为 91.4 dB1 Hz、139.9 dB1 kHz,频率稳定度为1.610-111 s、4.2810-1210 s,如图3所示。为发挥锁相晶振的最大性能,本设计给锁相晶振模块外参考10 MHz更高性能铷钟,从而使锁相晶振输出信号接近底噪。高性能铷钟相位噪声为 95 dB1 Hz、150 dB1 kHz,频率稳定度为510-121 s、210-1210 s、610-13100 s。2.2 外部环路滤波设计环路滤波器是锁相环系统的重要组成部分,其特点是时域积分、频域低通滤波,滤除鉴相器输入的杂波,环路滤波器的性能决定了锁相环系统的相噪、稳定度和杂散等重要指标。按照滤波电路中的电子元件构成,滤波器分为有源滤波和无源滤波。有源滤波具有输入阻抗高、输出阻抗低、开环增益高的优点,但其电路结构复杂、功耗大、运放自身具有噪声,并且带宽有限。无源滤波通过调谐原理滤除系统中的谐波,在高频系统中更具优势15。环路滤波器的输入是电荷泵的输出电流ICP,其输出电压VC输入到VCO。理论上,滤波器的阶数越高对高频噪声的抑制能力越强,但电路也会更加复杂,容易使系统失稳。本设计选用三阶无源环路滤波器,传输阻抗为513量 子 电 子 学 报40 卷FS=1+sC2R2s()C1+C2+C3()1+sC1C2R2C1+C2()1+sC2R3 .(4)以尾1标准型零极点法表示为FS=1Ct1+T2ss()1+T1s()1+T3s ,(5)式中Ct=C1+C2+C3,(6)T1=C1C2C3R2R3()C1+C2+C3()C1C2R2+C2C3R2+C1C3R3+C2C3R3-C1C2C3R2R3,(7)T2=R2C2 ,(8)T3=C1C2R2+C2C3R2+C1C3R3+C2C3R3-C1C2C3R2R3C1+C2+C3.(9)图3 SPLLA-10-100的(a)相位噪声与(b)频率稳定度Fig.3(a)Phase noise and(b)frequency stability of SPLLA-10-100环路滤波器的相角裕度范围一般设置为4555,在48 时系统具有超高的锁定速度,在50 时噪声抑制比最好16。本设计中,VCO频率为8000 MHz,鉴相频率为100 MHz,环路带宽为287.65 kHz,小于鉴相频率514第 4 期摆海龙等:用于原子干涉重力仪的小型频率合成器设计与实现的1/10,参考德州仪器仿真工具PLLatinum,同时兼顾信号源能够用作50 MHz鉴频鉴相本振源,对环路滤波器进行设计,如图4所示。图4 环路滤波器(a)幅频特性及(b)相频特性Fig.4(a)Amplitude-frequency characteristic and(b)phase-frequency characteristic of loop filter2.3 电源设计本设计采用 DC5 V 外供电,经过超低噪声线性稳压芯片 LP5912 输出 3.3 V 电源,供 LMX2594 和STM32F103C8T6单片机使用,设计原理图如图5所示。图5 频率合成器电源原理图Fig.5 Schematic diagram of the frequency synthesizer power supply515量 子 电 子 学 报40 卷2.4 程序设计本设计软件采用C语言编写,选择的IDE工具为Keil uVision5,控制MCU为STM32F103C8T6,具有工作频率高和IO口丰富的特点。LMX2594具有113个寄存器,通过SPI协议对寄存器进行数据写入,配置通过CSB、SCK、SDI管脚进行,数据通过J-Link烧录到MCU,然后由MCU的IO引脚根据PLL芯片的SPI控制时序对PLL进行寄存器控制写入。上电后,程序运作。首先初始化键盘、LCD和LMX2594;其次判断键盘状态,若无输入,进入等待键盘输入状态,当键入设定参数后,程序对键入值进行解析计算;最终通过SPI接口写入LMX2594。软件运作流程如图 6 所示。图6 软件流程图Fig.6 Flow chart of the software3 实验测试原子干涉重力仪的精度主要受限于拉曼光相噪和振动噪声,其中拉曼光相噪是目前迫切要解决的因素,国内外学者对此做了大量的研究,如美国斯坦福大学诺奖得主Steven小组17、欧洲德国洪堡大学Tino小组18、国内华中科技大学胡忠坤小组19。评判信号源对原子干涉重力实验的影响都是用相噪传递函数,要求信号源对原子干涉重力实验相噪的影响小于原子干涉重力仪要达到的分辨率20。相噪传递函数H()可表示为H()2=16 1-()22sin(T2)2 sin12(T-2)+cosT22,(10)式中:是Rabi频率,为/2脉冲长度,T 为脉冲时间间隔。信号源相噪对原子干涉重力灵敏度的影响可表示为2=0H()2S()d(11)式中S()是测得的信号源相噪数据。设置LMX2594的输出为6.820 GHz,与6.8 GHz微波信号(KeySight E8257)进行混频,使用同相科技相位噪声测试仪(ST8030)进行相噪和稳定度测试,测试结果如图7所示,相位噪声为 65.2 dB1 Hz、95.3 516第 4 期摆海龙等:用于原子干涉重力仪的小型频率合成器设计与实现dB1 kHz,频率稳定度ADEV为2.7210-111 s、6.1210-1210 s。在对本信号源设计进行评判的过程中,取脉冲时间间隔T=100 ms,脉冲持续时间=30 s,计算得到微波信号源对原子干涉重力仪灵敏度的影响为810-8 m/s2/Hz1/2,600 s积分时间对原子干涉重力仪分辨率的影响为210-8 m/s2。图7 微波信号源(a)相位噪声及(b)频率稳定度Fig.7(a)Phase noise and(b)frequency stability of microwave signal source4 结 论本设计中微波信号源对原子干涉重力仪灵敏度影响为810-8 m/s2/Hz1/2,600 s积分时间对原子干涉重力仪分辨率影响为210-8 m/s2。其替代了大功率KeySight E8257,实现了15 W小功率的频率合成器设计,为原子干涉重力实验降低功耗225 W,体积也远小于E8257,同时又能通过键盘改变频率实现50 MHz鉴频鉴相本振参考,符合原子干涉重力仪工程化和小型化的目标,为原子干涉重力仪从实验室到现场和机载操作做出了贡献。参考文献参考文献:1Freier C,Hauth M,Schkolnik V,et al.Mobile quantum gravity sensor with unprecedented stability C.Journal of Physics:Conference Series,2016,723:012050.2Zhang Q Z.Research of DDS Signal Source in An Atom Interferometry Gravimeter 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