原子钟从工作机制上可以近似看成是一个输出基准频率的信号发生器。随着社会的发展,人们对于微小型化原子钟的需求越来越大,而相干布居数囚禁现象可以使原子钟向低功耗、小尺寸方向发展,且理论上可以将其物理系统做到芯片级。原子钟系统内部需要一个可调振荡信号,用于其在工作频率附近进行小步长扫描来检测峰值信号,最终实现原子钟的闭环锁定。因此,一个低功耗、小尺寸、低相位噪声的微波信号源就显得十分重要。现有原子钟内部所用的微波信号源,均是压控振荡器经过锁相环后输出的稳定振荡信号。之所以这样做,主要是由于此类压控振荡器是基于低品质因数的LC谐振电路设计的,若直接使用则无法获得足够低的、符合原子钟运用要求的相位噪声,而相应的尺寸功耗却会加大,不利于原子钟的微小型化发展。基于此,本论文研制了一种可以直接作为原子钟微波信号源的压控振荡器。为了使相位噪声足够低,本文将具有高品质因数的介质腔同轴谐振器作为谐振电路关键器件。根据原子钟微小型化相应的设计指标要求,该压控振荡器的尺寸要小于1cm~2,功耗小于30mW,输出功率高于-3dBm,相位噪声优于-43dBc/Hz@300KHz,在原子钟的工作频率附近产生稳定振荡且在振荡频率范围内具有良好的压控调谐性能。本文主要工作如下:1、研究了振荡器的原理,为本文设计的压控振荡器提供了理论指导。同时,探讨了两种高精度的校准方法——SOLT校准、TRL校准,分别对介质腔同轴谐振器和变容二极管进行了参数提取与建模,从而使仿真结果更加接近实际工作状况。2、设计了用于铷85原子钟与铯133原子钟的两种不同的压控振荡器。首先,通过负阻分析法仿真设计使得振荡器快速起振并且产生稳定的振荡。在振荡器起振的基础上,结合虚拟地分析技术以及奈奎斯特稳定性判据对振荡回路进行有效的洞察和稳定性的分析,调节优化器件的参数,得到最优的器件参数和仿真结果。最后根据仿真结果,进行实物板的设计,布局,制作与调试。3、测试结果显示:用于铷85原子钟的压控振荡器在3.035GHz附近产生稳定振荡并且频率可调,尺寸为0.86cm~2,功耗小于28mW,功耗为1.13dBm,相位噪声为-60.49dBc/Hz@300Hz;用于铯133原子钟的压控振荡器能够在4.596GHz附近产生稳定振荡并且频率可调,尺寸为0.83cm~2,功耗小于28mW,功耗为-0.84dBm,相位噪声为-44.66d Bc/Hz@300Hz。设计的两种压控振荡器的相应测试结果均符合原子钟的相关指标要求。