一种多通道小型化高稳定的定频源设计与实现

1 引言

航空量子磁探仪依靠氦气光源的谱线变化精确测量磁场强度，为保证磁探仪测量的稳定性和准确性，用于激发氦气光源的信号设备至关重要。

本文设计了一款航空量子磁探仪中激发氦气光源专用的定频源模块，可实现四个通道同时输出频率为 32.768MHz，功率为 0.2W 的射频信号，优异的调幅噪声指标和长时间的功率稳定性，保证了氦气光源谱线变化的灵敏度和平稳性，从而提升磁探仪磁场测量的精确性，且在模块输出端口处使用 TVS 二极管[2]，有效抑制了氦气光源激发装置在激发时产生的瞬态高压，另外，该定频源模块体积小重量轻，便于安装，适配性高。本文设计了一款多通道、小型化、高稳定度的定频源模块，为提升磁探仪的精确性和稳定性提供了新的视角与方法。

2 总体构成方案

该定频源模块主要包括信号发生单元、信号放大单元、功率控制单元和功率分配单元，方案框图如图所示。

图1 定频源模块方案框图

定频源模块的信号发生单元采用了频率 32.768MHz 的温补晶振作为频率源，具有高频率稳定性，低功耗和小型化的优势，温补晶振的输出信号通过射频放大器进行功率放大，放大后的信号经耦合器耦合与精密参考电压源输出电平做积分运算，积分得到的误差电压通过电阻产生驱动电流，以此来驱动信号通路上的功率调制器，实现功率的闭环控制，保证定频源模块输出功率的稳定性，耦合器直通端口的信号经功率分配器将信号等功率大小分配成四路信号输出，且在四路输出端口处分别加装TVS 二极管防止激发装置的瞬态高压串入电路。

3 关键电路设计

3.1 信号发生设计

信号发生单元为定频源模块提供稳定频率源。此部分电路包括供电电源后滤波电路、低噪声线性稳压器、稳压器后滤波电路、温补晶振几部分。稳定的电压源是温补晶振实现标称功能的基础，不仅保障了温度补偿功能的精确性，而且可通过抑制噪声和维持元件稳定性，确保高精度应用场景下的频率稳定性，故使用低噪声线性稳压器为温补晶振进行供电。

3.2 信号放大设计

信号放大单元为定频源模块提供足够的功率放大增益，使模块输出功率达到要求。由于定频源模块具有四通道输出，采用两次功率分配，产生6.4dB 插入损耗，功率放大器选用Mini-Circuits 公司小体积模块化的中高功率放大器ZX60-100VH+作为此单元的核心器件，增益为36dB，P1dB 高达+30dBm ，输出三阶截断点 +43dBm ，噪声系数 4dB，具有高线性度、可靠性好的优势且供电电源 +12V320mA 与系统相适配。

3.3 功率控制设计

功率控制单元保证定频源模块输出功率的稳定性。此单元主要包括定向耦合器、二极管检波器、精密参考源积分求和电路和功率调制器[3]。

定向耦合器在单元末端进行功率采样，是功率闭环控制的反馈点。耦合器使用 Mini-Circuits 公司的 PDC-20-1+ ，耦合度21dB，直通插损在0.2dB以内，具有优良的方向性，驻波性能较好，反射信号小。检波器的性能受温度变化影响较大，本文使用了对管检波的方法补偿检波器的温漂特性，实时补偿温度变化对检波输出的影响。

积分求和电路将耦合检波的输出信号和参考电平信号的差值进行积分运算，通过闭环控制，不断减小直到消除稳态误差，此时耦合检波的输出信号和参考电平信号相等，环路稳定工作，积分产生的误差电压经电阻形成误差驱动电流，驱动功率调制器进行相应程度的衰减。

4 测试结果分析

定频源模块外形尺寸为 50mm×30mm×100mm （不含连接器、减振器等），体积小，便于携带与移动，节省安装空间。

本文使用安捷伦 N1912A 功率计对定频源模块输出功率在预热 30min 后的两小时内的功率稳定性进行测试，经标准差公式计算得功率稳定度0.214% ，长时间工作下稳定的输出功率保证了氦气光源谱线变化的平稳性，从而提升了磁探仪磁探测的精确性。

本文使用罗德与施瓦茨公司生产的噪声分析仪 FSWP 对模块四端口的调幅噪声进行测试，可达- ⋅130dBc/Hz 。优异的调幅噪声指标保证了磁探仪测量的信噪比、测量精度和灵敏度。

5 结论

本文主要介绍了一种多通道、小型化、高稳定的定频源模块设计与实现，相比于传统的激励信号源，该设计实现了射频信号在模块四个通道的同时输出，通过测试可得：四通道输出功率可达 0.2W ，调幅噪声优于-130dBc/Hz，且具有优异的长时间稳定性。测试结果表明，该定频源模块满足航空量子磁探仪中激发氦气光源的要求，保证了磁探仪的精确性和稳定性。

参考文献

[1]吴文福,袁皓.氦光泵磁力仪的应用与发展研究综述[J].声学与电子工程，2016 年 04 期.

[2]吴沛冬.TVS 瞬态电压抑制二极管及其应用[J].电子世界，2018 年 15 期.

[3]李卓明.宽带大动态范围自动电平控制技术研究[J].电子测量技术，2010,31(5):7-9.