一种基于 HBAR 振荡器的 4.596~GHz 频率源：在相干布居囚禁铯蒸气室原子钟中的应用

本文报道了一种基于高次泛音体声波谐振器（HBAR）振荡器的 4.596~GHz 频率源的设计与表征。一个 2.298~GHz 信号由围绕热控双端口 AlN-蓝宝石 HBAR 谐振器（在 68$^{\circ}$C 时品质因数 Q 为 24000）构建的振荡器产生，经 2 倍频至 4.596~GHz，即铯原子钟频率的一半。测得 HBAR 的频率温度系数（TCF）在 2.298~GHz 时为 $-23$~ppm/$^{\circ}$C。测得的 4.596~GHz 频率源相位噪声在 1~kHz 频偏处为 $-105$~dBrad$^2$/Hz，在 100~kHz 频偏处为 $-150$~dBrad$^2$/Hz。该 4.596~GHz 输出信号在基于 Cs 微池的实验室原型相干布居囚禁（CPT）原子钟中用作本地振荡器（LO）。通过精细调谐置于 2.298~GHz HBAR 振荡器环路中的压控移相器（VCPS），该信号被稳定到原子跃迁频率，从而无需高功耗的直接数字频率合成（DDS）。自由运行振荡器的短期分数频率稳定度在 1 秒积分时间为 1.8 $\times$ 10$^{-9}$。在锁定状态下，后者在概念验证初步实验中提升至 6.6 $\times$ 10$^{-11}~\tau^{-1/2}$ 水平（可达几秒），并发现受限于所探测 CPT 共振的信噪比。