星载原子钟的下变频信号处理方法和变频组件
阅读说明：本技术 星载原子钟的下变频信号处理方法和变频组件 (Down-conversion signal processing method and down-conversion assembly of satellite-borne atomic clock ) 是由 赵广东 吴晟 刘杰 黄奕 郑荣磊 闵康磊 谢晔 李思衡 董硕 方轶 于 2020-04-21 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种星载原子钟的下变频信号处理方法和变频组件,该方法包括：包括：接收星载氢原子钟物理系统输出的调幅信号；对所述调幅信号进行隔离,得到预设带宽的第一信号；对所述第一信号进行放大、滤波处理之后,与声表面波振荡器输出的振荡信号进行混频,得到混频信号；对所述混频信号进行放大处理,得到预设增益和预设频率的载波信号。从而可以将星载氢原子钟物理系统输出的L波段信号转换至较低的频段,且有效降低下变频过程中引入的噪声干扰,提高载波信号的质量。(The invention provides a down-conversion signal processing method and a frequency conversion component of a satellite-borne atomic clock, wherein the method comprises the following steps: the method comprises the following steps: receiving an amplitude modulation signal output by a physical system of the satellite-borne hydrogen atomic clock; isolating the amplitude-modulated signal to obtain a first signal with a preset bandwidth; amplifying and filtering the first signal, and mixing the first signal with an oscillation signal output by a surface acoustic wave oscillator to obtain a mixing signal; and amplifying the mixing signal to obtain a carrier signal with preset gain and preset frequency. Therefore, the L-band signal output by the satellite-borne hydrogen atomic clock physical system can be converted to a lower frequency band, noise interference introduced in the down-conversion process is effectively reduced, and the quality of the carrier signal is improved.)
技术领域
本发明涉及微波技术领域，具体地，涉及星载原子钟的下变频信号处理方法和变频组件。
背景技术
目前，全球卫星导航系统包括全球定位系统(Global Positioning System，GPS)、俄罗斯的GLONASS导航系统、欧洲的伽利略导航系统和中国的北斗导航系统。由天上的卫星发射的无线电信号(携带有卫星时间和位置)，经2万至3万公里的距离到达地面后，由地面终端接收。然后，通过提取卫星信号时间，并将其与本地时间进行求差，可得到信号的传播时间。将该传播时间乘上光速，即可得到卫星和地面间距离。由于光速非常高，要精确定位，就要求对时间的测量精度非常高，比如时间测量误差为10纳秒时，对应的空间距离误差就达到3米。日常活动中对定位的要求基本在数米左右，这就需要空间的卫星具有良好的时间保持能力，各个卫星之间的时间差需要保持在数纳秒以内。
北斗全球系统空间段包括30颗组网卫星，其中24颗中地球轨道(Medium EarthOrbit，MEO)卫星，3颗地球静止轨道(The geostationary orbit，GEO)卫星和3颗倾斜地球同步轨道(Inclined Geosynchronous Satellite Orbit，IGSO)卫星)。北斗全球系统主要为全球各类用户提供定位、导航、测速、授时和通信等服务。根据全球系统总体设计要求，北斗全球系统精度指标按照1小时更新一次全星座星历的运行管理模式，指标为UERE 0.6m。同时，北斗全球系统在考虑有星间链路支持的工作模式下，设定调整间隔不小于200天，故要求星载钟的频率准确度2E-11，秒稳定度3E-12，万秒稳定度3.3E-14，天稳定度1.2E-14，频率漂移率5.8E-13/天。
下变频组件位于星载氢原子钟物理系统后级输出，其将物理微波腔中激荡出的带有晶振及微波腔误差信息的微波信号频谱搬移至中频部分以供后级检波电路进行处理。下变频组件在变频处理过程中要控制其自身产生的噪声对信号通路的影响，且额外带来的相位抖动要尽可能地控制在最低水平。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种星载原子钟的下变频信号处理方法和变频组件。
第一方面，本发明提供一种星载原子钟的下变频信号处理方法，包括：
接收星载氢原子钟物理系统输出的调幅信号；
对所述调幅信号进行反向隔离，得到预设带宽的第一信号；
对所述第一信号进行放大、滤波处理之后，与声表面波振荡器输出的本地振荡信号进行混频，得到混频信号；
对所述混频信号进行放大处理，得到预设增益和预设频率的载波信号。
可选地，所述调幅信号包括：微波腔和晶振的误差信息；其中所述星载氢原子钟物理系统输出的调幅信号的中心频点的频率范围包括：1420.405MHz±1.75MHz。
可选地，所述对所述调幅信号进行反向隔离，得到预设带宽的第一信号，包括：
在所述调幅信号的接收通道中通过串联的铁氧体隔离器对所述调幅信号进行过滤，得到预设带宽的第一信号。
可选地，对所述第一信号进行放大、滤波处理，包括：
将所述第一信号依次通过第一放大器、滤波器、第一可调衰减网络、第二放大器，得到经过两级放大的滤波信号。
可选地，对所述混频信号进行放大处理，得到预设增益和预设频率的载波信号，包括：
将所述混频信号依次通过第二可调衰减网络、第一中频放大器、第三可调衰减网络、第二中频放大器，得到经过两级放大，且符合预设增益和预设频率的载波信号。
第二方面，本发明提供一种星载原子钟的变频组件，应用于上述第一方面中任一项所述的方法，所述变频组件包括L型外壳，所述L型外壳中安装有：输入接口、隔离器、第一放大链路、声表面波振荡器、第二放大链路、输出接口；其中：
所述输入接口，用于接收星载氢原子钟物理系统输出的调幅信号；
所述隔离器，用于对所述调幅信号进行反向隔离，得到预设带宽的第一信号；
所述第一放大链路，用于对所述第一信号进行放大、滤波处理；
所述声表面波振荡器，用于生成本地振荡信号；
所述第二放大链路，用于将所述第一信号进行放大、滤波处理之后与振荡信号混频得到的混频信号进行放大处理，得到预设增益和预设频率的载波信号；
所述输出接口，用于将所述载波信号传输给外部的检波电路。
可选地，所述调幅信号包括：微波腔和晶振的误差信息；其中所述星载氢原子钟物理系统输出的调幅信号的中心频点的频率范围包括：1420.405MHz±1.75MHz。
可选地，所述第一放大链路包括：依次串联的第一放大器、滤波器、第一可调衰减网络、第二放大器。
可选地，所述第二放大链路包括：依次串联的第二可调衰减网络、第一中频放大器、第三可调衰减网络、第二中频放大器。
可选地，所述L型外壳的两面微带板接地，且所述L型外壳内部构成单独的屏蔽腔。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供的星载原子钟的下变频信号处理方法和变频组件，可以将星载氢原子钟物理系统输出的L波段信号转换至较低的频段，且有效降低下变频过程中引入的噪声干扰，提高载波信号的质量。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的一种星载原子钟的下变频信号处理方法的原理示意图；
图2为本发明提供的一种星载原子钟的变频组件的信号处理流程示意图；
图3为本发明提供的一种星载原子钟的原理框图；
图4为本发明提供的星载原子钟的变频组件的主视图；
图5为本发明提供的星载原子钟的变频组件的右视图；
图6为本发明提供的星载原子钟的变频组件的左视图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供一种星载原子钟的下变频信号处理方法，包括：接收星载氢原子钟物理系统输出的调幅信号；对调幅信号进行反向隔离，得到预设带宽的第一信号；对第一信号进行放大、滤波处理之后，与声表面波振荡器输出的振荡信号进行混频，得到混频信号；对混频信号进行放大处理，得到预设增益和预设频率的载波信号。
本实施例中，根据星载氢钟物理系统的调制信号输出特性，需要对变频组件输入接口做信号隔离，以防后级有源器件反射信号对物理系统的原子跃迁性能产生不利影响，从而影响原子钟最终输出10MHz信号的性能。经过隔离电路后L波段射频信号第一级放大、信号放大后经过带通滤波器、射频第二级放大、超低相噪声表面波型本振源、无源混频及混频后中频放大链路，最终实现低噪声的中频信号输出。
需要说明的是，本实施例采用了声表面波振荡器一次性振荡出信号的方案，无需再次经过倍频从而恶化相位噪声。下变频组件的信号放大总增益达到70dB～80dB，链路高增益特性对相关参数分配计算以及结构接地设计都有着较高的要求。
可选地，调幅信号包括：微波腔和晶振的误差信息；其中星载氢原子钟物理系统输出的调幅信号的中心频点的频率范围包括：1420.405MHz±1.75MHz。
本实施例中，作为混频本地振荡器用的声表面波型振荡模块，一次性振荡生成中心频率1440MHz超低相位噪声正弦波本振源，且相位噪声需满足星载氢原子钟的使用要求。
示例性的，星载氢原子钟物理系统输出L波段载波频率、3.5MHz信号带宽，25Hz的误差调制信号的调幅信号。进入下变频组件后，需对上述L波段载波的调制信号、3.5MHz带宽的调制信号实行不小于25dB的反向隔离，以防后级有源器件反射信号对物理系统产生不利影响。
可选地，对调幅信号进行隔离，得到预设带宽的第一信号，包括：在调幅信号的接收通道中通过串联的铁氧体隔离器对调幅信号进行反向隔离，得到预设带宽的第一信号。
由于星载氢原子钟物理系统对外部噪声干扰敏感，故组件需对其反向通道需具备25dB以上的隔离能力，首先在接收通道串入铁氧体信号隔离器。
可选地，对第一信号进行放大、滤波处理，包括：将第一信号依次通过第一放大器、滤波器、第一可调衰减网络、第二放大器，得到经过两级放大的滤波信号。
本实施例中，射频放大链路包括两级射频放大器以及一级带通滤波器。每级放大器实现28dB的信号增益，增益平坦度≤±0.5dB，在对信号进行两级放大的中间通过带通滤波器对信号进行带外谐杂波抑制。
本实施例中，通过对第一信号进行第一级放大、接口匹配、信号滤波及信号的第二级放大，使得第一放大链路的整体增益不小于50dB。
可选地，对混频信号进行放大处理，得到预设增益和预设频率的载波信号，包括：将混频信号依次通过第二可调衰减网络、第一中频放大器、第三可调衰减网络、第二中频放大器，得到经过两级放大，且符合预设增益和预设频率的载波信号。
示例性的，无源混频用的本地振荡器为声表面波工艺类型的振荡器，其一次振荡后的输出频率范围：1.44GHz±500kHz；输出功率：13.5±1dBm；全温频率波动≤500kHz；杂波抑制≤-60dBc；相位噪声≤-90dBc/[email protected](表示本地振荡信号在1kHz处的相位噪声小于等于-90dBc/Hz)，或者≤-124dBc/[email protected](表示本地振荡信号在10kHz处的相位噪声小于等于-124dBc/Hz)。声表面波基于压电效应只在表面传播，介质材料选择灵活，因此其拥有优异的相位噪声及频率温度稳定性，将本地附加噪声对误差信号的不利影响降到了最低。混频后的中频信号首先通过一级CLC带通滤波，其次通过两级中频放大器，从而可以实现不小于40dB增益。
本实施例中，无源混频后，通过了一组CLC低通滤波器将本振泄露信号以及混频镜像频率实现不小于30dB的抑制，确保残留无用信号不会对后级检波电路产生影响。
本发明还提供一种星载原子钟的变频组件，应用于上述第一方面中任一项的方法，变频组件包括L型外壳，L型外壳中安装有：输入接口、隔离器、第一放大链路、声表面波振荡器、第二放大链路、输出接口；其中：输入接口，用于接收星载氢原子钟物理系统输出的调幅信号；隔离器，用于对调幅信号进行反向隔离，得到预设带宽的第一信号；第一放大链路，用于对第一信号进行放大、滤波处理；声表面波振荡器，用于生成振荡信号；第二放大链路，用于将第一信号进行放大、滤波处理之后与振荡信号混频得到的混频信号进行放大处理，得到预设增益和预设频率的载波信号；输出接口，用于将载波信号传输给外部的检波电路。
本实施例中的下变频组件，用于接收星载氢原子钟带有两路幅度调制误差信息的微波腔输出的L波段信号，并将频谱从L波段搬移至较低频段，且实现整个信号链路的高增益放大。同时将可能引入的本地噪声控制在较低水平。该组件的设计包括信号隔离、射频放大链路、带通滤波、超低相噪声表面波型本振源、无源混频及中频放大链路。其结构要点是：设计采用的是L型紧密型构造布局，适应星载氢钟圆柱形物理部分安装方式；接口包括两个SMA主信号输入输出端口，穿心电容方式的供电接口；链路通道采用中间壳体、微带基片两面大面积接地的方式以及设计单独屏蔽腔的方案来有效防止链路自激及串扰。这种结构设计可以适应氢钟物理系统圆柱形特征，充分利用了星载氢原子钟的空间。
示例性的，下变频组件共有两个SMA插座接口，其中输入SMA接口接收的是物理系统调制有微波腔及晶振误差信息的调幅信号，物理系统输出载波理论中心频点f＝1420.405MHz，中心频点视物理腔性能差异能够适应不小于±1.75MHz范围内可变。调制频率25Hz，载波信号强度-103dbm～-86dBm。
示例性的，下变频组件采用了L型紧密型构造布局，适应星载氢钟圆柱形物理部分安装方式；高频接口包括两个SMA主信号输入输出端口，穿心电容供电接口；链路通道采用中间壳体、两面微带板大面积接地的方式并设计了单独的屏蔽腔来有效防止整个变频放大链路的自激及串扰。
可选地，调幅信号包括：微波腔和晶振的误差信息；其中星载氢原子钟物理系统输出的调幅信号的中心频点的频率范围包括：1420.405MHz±1.75MHz。
可选地，第一放大链路包括：依次串联的第一放大器、滤波器、第一可调衰减网络、第二放大器。
可选地，第二放大链路包括：依次串联的第二可调衰减网络、第一中频放大器、第三可调衰减网络、第二中频放大器。
示例性的，低通滤波后的中频放大链路同样采用两级放大的方案，如果采用单级放大，会因为增益过高导致电路极不稳定从而增加放大通道自激的风险。同时设计了前后级间50Ω接口阻抗匹配。
可选地，L型外壳的两面微带板接地，且L型外壳内部构成单独的屏蔽腔。
示例性的，由于星载氢原子钟物理部分圆柱形结构的特性，因此下变频组件适应原子钟结构设计成L型结构。且组件整体放大增益高，故链路均采用微带基片与机壳大面积接触的接地方式，避免接地不良导致性能不佳。
示例性的，本实施例的下变频组件最终输出载波信号频率Fo＝19.6MHz±1.75MHz，调制频率25Hz，输出信号强度-32dbm～-15dBm。
需要说明的是，本发明提供的所述星载原子钟的下变频信号处理方法中的步骤，可以利用所述变频组件中对应的模块、装置、单元等予以实现，本领域技术人员可以参照所述系统的技术方案实现所述方法的步骤流程，即，所述系统中的实施例可理解为实现所述方法的优选例，在此不予赘述。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。