国外时频测控技术的发展.ppt

摘要 主要内容 1.概述时频计量 2.时频基标准器的发展 3.频率源的广泛应用 4.时间频率的测量和比对技术 5.基于频率信号的信号传感技术 6.频率信号的合成及变换技术 7.新的材料、器件及其发展 8.结论 1、概述 传统的时频计量主要是以其标准的建立、测量比对和量值传递 为主的。但是由于时间频率量的重要地位和作用，它也表现在科 学技术的广泛领域中的作用和联系，本身涵盖的内容越来越广泛 ，不仅精度越来越高而且应用的市场也越来越大，同时与不同的 学科和领域的联系也越来越密切。时频测控领域包括了时间频率 的基标准器、各种频率源、时频信号的测量比对与传输、时间频 率信号的处理技术、与频率量相关的传感器及材料、频率的合成 与变换、与gps相关的系列技术、以及其它基于时间频率量的应 用技术等。与时频测控技术紧密联系的领域有通讯、导航、空间 科学、仪器仪表、材料科学、计量技术、电子技术、天文、物理 学、甚至生物化学等。 因为频率和时间测控技术研究的广泛性和重要作用，国际交 流也是很频繁的。目前这方面很重要的国际会议有，美国的ieee 国际频率控制年会（ieee fcs）、欧洲的频率与时间研讨会（ eftf）和精密时间和时间间隔应用与规划会议（ptti）等。有的 会议上不但广泛地进行了时频测控领域各个方面的学术交流，在 会议上还开办了关于本领域最新技术发展的讲座，而且与会议同 步进行的展览会也向会议的参加者展示了近年来所发展起来的各 种仪器设备、频率控制器件与产品、新的材料和加工设备等。 2、时频基标准器的发展 近10多年来，有四项与此相关的成果获得了诺贝尔物理奖。 1.1989年dehmelt等人的离子阱和remsey的分离场技术 2.1993年taylor的脉冲星稳定周期 3.1997年朱隶文等人的激光冷却和捕陷原子 4.2001年美国科学家的玻色 爱因斯坦凝聚 5、2005年 光频标 目前原子频率标准器还是以铯、氢、铷原子频标为主。这些 基标准器不但被用于实验室，而且还被大量用于卫星上及许多使 用场合，发挥着更广泛的作用。激光冷却的铯原子频率标准是近 年来不少国家所致力发展的。目前报道的激光冷却的铯喷泉原子 钟的准确度可以达到 ；而进一步的努力目标是 到 ，这可以由空间钟的方式获得。目前德国的ptb所完成的铯原子 喷泉频率标准csf1的不确定度可以达到 ，典型的相对频 率不稳定度为 。通过三种频率传送技术，nist和 ptb之间进行了远距离的比对。这些技术是，双向卫星时间频率 传输（twstft）、gps载波相位和gps共视。保守的估计指出 ，twstft 和载波相位技术在频率传输环节中给出 的不 确定度，而gps共视环节中的不确定度量级为 。 为了获得高的稳定度，国外一些研究机构也致力于激光冷却的 铷原子频率标准的研究。在铷喷泉钟中，其冷碰撞的频率漂移至 少比铯钟小30倍。小的碰撞漂移就允许铷钟工作在更高的密度下 ，因此有更小的投射噪音。 光频率标准是时频标准发展的另一个方向。光频标是利用光 频谱线作为参考标准的。由nist完成的2个全光钟，一个是基于 在一个单的陷阱在 的282纳米的 - 四极跃迁；而另一 个使用了在激光冷却的 原子的集合的657纳米的 - 跃迁。 这些装置利用了一个由cw模锁定的激光和一个微结构的光纤而产 生的自参考频率梳而相位相干地提供一个直接来自于光钟跃迁的 射频输出。 这些装置已经被用来测量nist认可的si秒的绝对跃迁频率。频率是 ：hg = 1,064,721,609,899,140hz，而ca = 455,986,240,494,158hz。 这些测量的短期稳定度是由本地时间刻度的稳定度所控制的。相互 测量时，可以获得 的短期稳定度，这是受到预置的ca标准 和开路的130米光纤连接到 标准的限制。单离子hg标准的理论上 的稳定度是 。目前，ca标准中的相对不确定度是大约受剩 余一次多普勒影响所限制的 。在hg标准中限制的系统误差是 一个未校正的四极漂移，这在球形的paul陷阱中可望为 。由 于光频信号比微波波段高大约5个数量级，而谱线宽度又可以压缩 到与微波波段的原子谱线相当，因此光频段的原子谱线有极高的q 值。从光频标中潜在能够获得的频率准确度可望达到量级 。 石英晶体频标在所有的频率标准中是价 格最低的，其最突出的特点是具有比许多原 子频标更好的短期频率稳定度和相位噪声指 标，但是由于老化现象的存在，其长期指标 比原子频标明显差一些，需要定期校准。 bva型的精密晶体更由于其最优良的老化和 稳定度指标而成为晶体频标的稳频器件。目 前，采用这种精密晶体的ocxo最高的频率 稳定度指标可以达到 /秒，而老化率指 标进入了 /日量级，个别振荡器还能够达 到 日的老化率指标。有的国外公司还 声称，在许多场合下，他们的超稳定的精密 晶体振荡器能够替代铷原子频标。 3、频率源的广泛应用 石英晶体振荡器的广泛应用主要是由于以通讯业为主的it行 业、仪器仪表、计算机、导航、军工行业的市场需求。目前用量 最大的有时钟振荡器、温度补偿晶体振荡器tcxo、恒温晶体振 荡器ocxo等。其中以恒温晶体振荡器的精度最高，温度补偿晶 体振荡器能在更宽的温度范围内给出高的频率 温度稳定度。但 是近年来随着室外基站对高精度振荡器的大量需求，能够在诸如- 55到+85度工作并且具有优良的频率 温度稳定度的ocxo已经 大量在市场上应用。国外双层控温的晶体振荡器可以实现-20到 +70范围内 的频率 温度稳定度。 微机补偿晶体振荡器（mcxo）在所有的温度补偿型晶体振 荡器中仍然是补偿精度最高的。目前，以sc切晶体的双模振荡器 为基础的这种类型的温度补偿晶体振荡器在-55到+85度的温度范 围内可以获得 的频率 温度稳定度。如果采用软件补偿的 方法用于测量目的，还可以获得更高的补偿精度。 5、 mems 用作时间和频率的参考源 4、时间频率的测量和比对技术 时间频率量的测量和比对在时频测控的技术领域中具有很重 要的地位。随着频率基标准器的准确度和稳定度的不断提高，也 对相应的测量比对技术提出了更高的要求。没有与频标技术的提 高相匹配的测量技术，目前的 的频率稳定度指标和为了检 测频率基准所要求的 以上的准确度测量的分辨率就无从实 现。现代通讯、仪器仪表、导航、空间技术和电子技术则需要频 率测量覆盖的范围宽，响应时间快。时频测量技术发展是和频率 源精度的提高和应用面的扩大而同步进行的。其中不但包括了精 密频率信号之间的比对，而且也包括了宽频率范围的从几乎直流 、射频、微波甚至到光频的测量。 对于频率源的准确度及长期指标的比对，使用最多的是相位比 对的方法。而在其稳定度的时畴比对中，许多传统的比对方案还 在使用，如频差倍增、双混频时差法等，但是设备的工艺和线路 设计有所改进。对频率源的相位噪声的频畴测量中，松锁相回路 法和紧锁相回路法也还没有失去其在精度上的先进性。 值得注意的是，近年来由于光频标的发展对于光频等特高频 率的测量技术也取得了不断的进步。其结果将会借助于特高频率 的稳定频率源，或者以其为中介源进一步提高工作在射频段的常 用频标信号之间的比对精度。 5、基于频率信号的信号传感技术 6、频率信号的合成及变换技术 频率信号的合成及变换不仅大大扩展了精密频率信号的应用 ，而且也使得频率的测量和控制能够更灵活的进行。频率合成是 在一个或多个参考频率源的基础上产生所要求的输出频率信号。 最常用的频率合成方法有直接模拟合成方法、间接合成方法和直 接数字合成（dds）。高精度的dds一直是近年来研究开发的重 点。它被用于广泛用途的测量设备、任意波形合成器、频率与相 位调制以及精密的可调时钟产生器等。 它由一个单级的延迟单元构成，其负载能够被设置在8个不 同的增量结构中。由这个单元在第一和最后结构中引入的延迟的 差别要通过一个负反馈回路保持等于主延迟线单元的延迟，这就 需要两个进一步的延迟单元并通过插入或者除去8个负载电容器 组可靠地对环境及处理变化进行补偿。一个3位的数字输入控制 了每组中电容器的组成，这就完成了进一步的8级相位插入。最 终，只使用了35个延迟单元就得到了全部256级插入。 降低功耗是dds设计中另一个需要努力改进的问题。这也往 往和集成电路的设计结合在一起。如使用0.18mm的cmos技术， 实现了0.1mw/mhz的功率消耗。系统复杂程度减小，而且功耗减 小了相当于其它设计的80%。这里使用了线性段的正弦曲线函数 近似的途径。线段的斜率被限制到一个小的数值以带给它们好的 硬件实现。所跟随的原创的搜寻技术可以优化线段参数的选择以 把综合器的谱纯度提到最大。结果把系统的复杂程度和其它有相 同谱纯度输出途径相比较有一个数量级的减小。 7、新的材料、器件及其发展 在频率控制方面，对于器件和材料的研究也占有很重要的位置 。其中很大部分的工作是发展晶体材料和相应的谐振器、声表面 波器件和材料、体波器件和材料等。它们是实用频率控制器件及 标准器构成的重要基础。 由于加工工艺的逐渐进步，也为了适应超高频率的vcxo的 需求，晶体片可以被作的特别薄。620mhz at切的高基频晶体谐 振器已经被研制完成。它采用了翻转的台面晶体片，其厚度大概 是 ，使用了独特的磁控管等离子干刻蚀处理方法来完成超 薄晶体片的加工。620mhz高基频晶体做成的vcxo中不会含有由 倍频线路所产生的分谐波噪声的影响，而且体积也更小。 为了适应对频率源越来越高的频率和更小体积的要求，高性 能的声表面波器件saw和体波器件也是近年来国外发展的重点之 一。目前典型的saw器件电参数如下表所示。 其典型的外形封装有冷压焊to-8封装的saw谐振器，还有 75mm的smd封装的小型saw滤波器。 参数谐振器延迟线 100mhz1ghz100mhz2ghz 电调范围10ppm 100ppm200ppm 2000ppm 插入损耗3db12db16db24db 群时延2sec 0.2sec 等效加载q值250002500 8、时间频率信号的传输 利用英特网进行时间服务是利用现行的信息传递手段完成时 间传递的方便的方法。在网址，计算机显示时间的 精度可以好到几十分之一秒。在网络时间服务方面，设置计算机 时钟有日间规约（rfc867）、时间规约（rfc866）和网络时间 规约（rfc1305）。其中，日间规约有1ms的分辨率，时间规约 有1秒的分辨率，而网络时间规约会达到200ps的分辨率。前两种 情况可以采用单向法或者回路法，而后者只采用回路法。当考虑 到路径时间延迟时，经过处理会获得更好的结果。 nist目前运转着总共14个英特网时间服务器用大量不同的版 本回答对时间标记的要求。每天总共接收大约3亿2千万次的服务 请求。其中的90%是在用rfc1305和其它的标准文件定义的ntp （网络时间规约）版本，而其余的是对等地被分为“日间”（ rfc867）和“时间”（rfc866和868）版本。服务要求被以每月 9%的速度增加，所以就减少了提供服务的成本。此外，在14个 nist时间服务器中负载的分配是不均匀的，其中的几个常常工作 在设计的最大值，每秒1500到2000次的事务下。nist在两个方面 进行努力来改进服务的效率。一是设计了更高级的算法来更好的 利用从服务器接收的数据，其中也包括了结构参数以支持在所要 求的被服务的钟rms精度和得到这个精度所需要的成本之间的明 确的权衡。另外，他们也正在用各种方法实验在服务器中更匀衡 地分配负载，以减轻电流的不平衡。 利用地面的无线电广播仍然是时频服务的手段。它们是在单 向法的基础上进行工作的。目前常用的高频时码和语音的频率传 递精度可以为 ，在确知位置时的时间服务精度为几ms；用 低频时码的loran 100 khz，经过距离校正可以有1 的准确度 和100ns的精密度，经过24小时的比对频率准确度能够优于 利用gps系统进行时间和频率服务是高精度而且很方便的手 段。它之所以能够具有很高的时间服务精度和相当强的定位导航 功能，不但是因为卫星上所具有的高精度的星载原子频标，而且 还是由于相当庞大的地面的频率基准、测量比对、数据采集和处 理系统、通讯系统等。除了可以使用单向法和共视法之外，利用 gps载波相位也能够获得很高的时频传递精度。这种方法目前主 要还在实验阶段，用它也只能进行时间间隔（频率）服务，