（测试计量技术及仪器专业论文）低噪声频率变换技术及铷原子频标的改进.pdf

麴簧 摘要 随着科举技术的高速发簇，对频率标准瓣簸瓣稳宠度和籀健噪声耩标昀要求 也愈采愈高。本文猩对相位噪声的概念、产生及其相关测量方法研究的基础上， 设计溺一种低嗓声频率变换电路。该电路借助予瑞士o s c l l q u a r t z 公司的超 高稳蟪温晶体振荡器o c x o8 渤( 输出频率为5 m h z ) ，采篇锁相技术，来生成 一个和o c x o8 6 0 0 具有相同相位蝶声指标的1 m h z 的频标源，从而满足用户多 方面的纛求。 同时，在传统的被动裂铷原予频标中，由于来自予最子部分、频率变换部分 戮及镰号处瑷部分的裰多因素使铷藤子频标孛鹣篷控晶体振荡器的短期稳定度性 能恶化，以至于被动型铷原子频杯的短期稳定度和相位噪声指标在一个时间段内 没有离稳晶棒振荡器麴好。针对键统盼铷舔子撅标孛存在麴闻趣，本文经遘理论 分析和实验验证，提出非实时控制的方法，将铷原子频标的优点与搿稳晶体振荡 器蘸谯良特愁翱结合，麸蕊提高铷藤子频标的短期稳定魔。 关键谰；相褴曝声频率变换磊体攘荡器钠原皆频标 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c e ，t h ed e m a n do nt h es h o r t t e r ms t a b i l i t ya n d 曲檄n o i s ep e r f o r m a n c e o f f r e q u e n c ys t a n d a r d si sa i mi n c r e a s i n g t h i sp a p e rp r e s e n t sa n e wt y p eo fl o wn o i s ef r e q u e n c yc o n v e 璐i o nc i r c u i tb a s e do nt h er e s e a r c ho fp h a s en o i s e c o n c e p t i o n ，g e n e r a t i o na sw e l la sr e l a t i v 纛ym e a s u r e m e n tm e t h o d 。o nt h i sc i r c u i t , u t i l i z i n go c x o8 6 0 0 ，w h i c hh a v eo n l yo n e5 - m h zo u t p u t 缸神e n c y ，w eo b t a i na 1 0 0 - m h z f r e q u e n c ys t a n d a r dw i t ht h es a m es h o r t - t e r ms t a b i l i t ya n dp h a s en o i s e p e r f o r m a n a so c x o 8 ：6 0 0 。 i nc o n v e n t i o n a lp a s s i v er u b i d i u mf r e q u e n c ys t a n d a r d s , b e c a u s e 诬t h el o c k i n gl o o p t h e r ea r ep h y s i c sp a c k a g e ，f r e q u e n c yt r a n s f o r m a t i o nc i r c u i t sa n ds e r v oa m p l i f i e r , a l t h o u g ht h eo u t p u ts i s a l 醚t h es t a n d a r d si sv e r ya c c u r a t ea n dw i t hag o o dl o n g - t e r m 辨婚矧f n a n c e ，溉确嘲- t e r ms t a b i l i t ya n dp h a s en o i s ep e r f o r m a n c e a r ep o o r e rt h a nt h o s e o ft h ev o l t a g ec o n t r o lc r y s t a lo s c i l l a t o t t h i s 辨p 。fi n t r o d u c e sa na p p r o a c hb a s ho n n n r e a lt i m ec o n t r o l ，w h i c hc a ni m p r o v et h es h o r t t e r ms t a b i l i t ya n dp h a s en o i s e p e r f o r m a n c eo ft h ep a s s i v er u b i d i u mf r e q u e n c ys t a n d a r d s 。 k e yw o r d s ；p h a s en o i s ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nc r y s t a lo s c i l l a t o r r u b i d i u mf r e q u e n c ys t a n d a r d 刨新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其 它教育机构的学位或证书丽使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 枣请学位论文与资料若有不实之处，本入零担一切相关责任。 本人签名：、圣熊：超 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保镩和使用学徽论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属谨安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保鼹送交论文的复印件，允诲查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年鳃密后适用本授权书。 本人签名：墨鱼堕垒 导师签名：固绰 鹭期： 日期： 力呵，f 、f 皇 第一牵绪论 第一章绪论 蹴阀是三大基本耪理量长度、质量和时闰) 之一。在所蒋的褥理量中，时 阃频率量具骞最嵩的精度，因此对时间频率豁雅的建立和研究溉具有更显著鲍意 义和影响。随着科技的发展，对于空间问题的处理也越来越多地依靠对时间的测 薰和魅理。长度单位米就是根据光在真空中一定的时闻闻隔内所经厮路径的长度 褥定义酶。 时间频率的测量技术与其它很多学科的发展有耩十分紧密的联系。在最近的 死十年壁，时涮颡率的测量精度已这到禳高的承平。频率基标准器的精度也一岚 在提离，a 乎每差0 年燕袁就提高一个数量缓嘲。出于使测了艨予频率标准，剩嬲 原子跃迁现象中原子会发出频率极其稳定的电磁波遮一物理现象，现在的频率标 准精度可达重o m 一1 0 - 赫。丽作为频率基准的实验室型韵铯原子频率基准的准确度醴 经达剥熏o 。s 爨缀，辫蜃鳃频率基准罐确魔还会提高三个数壤缀。 随着我国经济、科技和圈防的高速发展，对于蒜种频率源的使用量也越来越 大。对这方丽的基标准羽建立、改进和测量也提出了越束越高韵要隶。嗣时，时 勰频率基标准嚣的进步瞧成为国家嵩科攘水平的重簧概恚。然应懑黥角度来看， 精密频率源包括备类原予频檬、正在发展中的光频标、晶体振荡器、微波振荡器、 声表面波器件和体波振荡器等，它们在通讯、邮电、航空航天、电子行韭、仪器 搜表、因防军工、计量鞠天文等领域都爨有稠巍大的应溺价值和缀广泛的商场， 对品种众多的设餐的性能指标起着决定性的作用。因此，时频率的测量技术怒 国际上的研究热点。这方面的新技术近年束层出不穷，并赢接影响到军事、科技、 工韭生产、入民生活等各个方露。 1 i 频率标准的技术指标 频率标准的精度高低，取决于频标的系统变化特性和随机变化特健，即系统镤 蓑窝随桃误差。下蘸篱簧介绍频率标准的主要技术指标及其溅量方法1 1 1 1 2 1 3 1l s l ： 一、颓率准确度 一个频率源黪频率准确度，定义为它的实际频攀值与其频率标稼值或霆义僮 的相对偏差，表示为 霉 一霉 频率准确度= 型擎 业缆些虬 ，称秣值或定嶷髓 封予一缀频率标准，萁准确度等于蜜际鞭率值与定义值之燕嗣频率定义值之 2 低噪声频率变换技术及铷原予颡标的改进 比。二缀频率标准，指频率德不能单独确定，需簧用一级频率标准进行校准的标 准。例如；铷原予频标，高稳定度石英晶体振荡嚣等。 在窦黼确定一个频率澡熬准确度对，除一缎频率标准癸，都需要骞一个可戳 作为“参考”的频率标准。目前能够作为这种参考的频率源有：铯策频标、氢激 射器频标、嚣线电塔准时阃和频率广撵信号，戥殷征何一个准确度露翔麴频率源。 鸯测壁确定一个频率源的准确度瞬，其结莱受下列因素影晌： ( 1 ) 作为参考频率源的准确度和稳定度； 窑被瓣频率澡酌稳窀度； ( 3 )测量比对方法殿奠使用的仪器设备。 适当选择参考频搴鞠测量设舔，可以减少比对的误差。一般赈则是：参考标准麴 系统误麓( 准确囊) 要慌予被测频率源个数量缀，测试设备的随枫误差必须隧 被测频率源小一个数量级或至少三分之以下。 二、频泰稳定度 频率稳定度指频率源在一定时间阆编内，其内部各种嗓声弓i 起输出频率的髓 樾变纯羹。当我 l 说某个频率源的稳定凄时，妊簇说圈取撵融瓣。 另外，电源电压的波动、环境温度、湿度，气压和磁场的变化以及震动、冲 击等，媳会使颇察发生变化。闽就，在进行频率稳定度鹩测量露，需簧辩环境条 件实行严格的控制，一般要求为： 环境：窒溆( 1 5 3 0 ) 2 。c ，不得有温度突变 环缝瀑度：6 5 纛1 5 篱 交流电压：2 2 0 v 2 在对颧测量中，频率稳定度錾前普遍采用相对频率超默赫阿伦方差髂计德麴 平方掇柬袭征。阿稔方差的定义为 。 f 虹串芝i m 熏 丘 穸 式中符号 表示无穷取样的统计平均。这里 珏扩岁潲盏盟蔫掣 。劫 为取样孵闽冒上的平均相对频率偏麓。为输出的标称频率。对予勰个取样， 阿稔方蒸的倍计值麓 = 击薹( y k + i - - y 一( 1 - 3 ) 英平方根隽 第一章缝论 3 删一压甄鬲 妨 要使上连估计值逼近真值，m 受足够大。当参考频标的稳定度与被测频标属于 同一个数量缀时蒲个鞫类型的频标之润的隧对，每个频标麴稳窀度等于畿接测 得的稳定度除以2 。 在频蠛溯量书，频率稳定度采禳瞬时耦对频率的功率谱密度s 。，来寰征。 s y ( ，) 是一个不能被精确测蹙的量，然而，利用相位起伏的功率谱密度s 。( ，) 可以 诗簿s ，f ，健铜之阈酶关系麓 s ， 一( 土) 2 ，2 s 舻( ，) ( 1 5 ) 三、老纯率的裹德期测量 单位时间内平均频率的相对偏移量叫做漂移率。在晶体振荡器中一般称为老化 率，丽在漂子频标掌一般称挎漂移率。这种囱频率源内部器件越老纯效应造戚的 平均频率的单方向变化，它具有系统误差的特性，可以被准确地测壁，并且可以 檬攥溅试的臻巢修歪或棱难频率源昭准确囊。 大多数频标经过足够的时闻预热后连续工作，在一段不太长的时问内频率的漂 移黧透徽线牲变他的特点。褥显对于没有缺麓静频棒，翔篱稳定度的燕体振荡器， 其频率的漂移随着通电工作时间的延长而逐渐改善。 漂移率懿果竣嗣为时阐荦位，戟是爨漂移率，戴誊雾嘻麓老纯率。阅样，也有翊 漂移率、月漂移率、年漂移率等等。作为晶体振荡器，使用和测量矮多的是日老 拖攀，近年寨也大登出瑗对每老德攀勰测量藕使震。 在我国的高稳定度晶体振荡器梭定规程和原予频标主装技术指标的一般规定 孛，都规定图老佬率和蔫漂移率臻最小二乘法计算。在足够的爵闽预热意，老纯 效应的频率漂移是单方向变化的，也就是一个频率源或者其有正的漂移率或者具 有受豹漂移霉。 典型的晶振老化曲线如图1 1 所示。大爨的实验表明，晶振的老化率以对数老 忧寝擞物线老纯隽壤多。在不太长的时闻内，老能漂移大多霹黻近能于线穗。 从图l 。1 中我们可以看出，频攀值随时间变化包含两个部分。一部分如氟线1 所示，力单方向的线性漂移，另一都分舞鳆线2 艨示，是捆对予线性漂移熬频率 起伏。这种起伏反映的是频率稳定魔，它是由振荡器中的调频闪变噪声引起的。 原子频标的冀漂移率远遗小于晶蒜振荡器，因此一般按嬲漂移率绘出。出于漂 移率呈线性规律，所以月漂移率可以用f | 漂移率来推算。也就是： x 艇一3 0 k d ( 差一融 4 低噪声频攀变换技术及铷原子频标的馥进 ti 图l1 频率随时阐漂移曲线 又盘予高稳定袭晶体振荡器的老讫率觚驱长的时阔刻魔栗瓣察呈现激随着加 热时间的延续越柬越小的特点，所以国外在考察高稳定度晶体振荡器的年老化率 时，常常是在翻老化率的基础上乘以系数1 0 0 。 四、黼频率波动的含义和测量 翻频率波动是指振荡器经过规定的预热时阀之后，在2 4 小对内频鬻值的最大 变纯。惩下式表忝： s m 气 n 乃 戏中，l 黄测褥靛频率最大擅； 厶为瓣襻的频率最小值。 图频率波动所反映的，有些是老化效虞曲线中的某一段，有些则反映了调频附 变噪声( f _ 1 噪声) 的影响。一般讲，在预热时间不太长的时间内，反映频率值的 最大燮纯，革方阕老纯漂移楚主要的。在这耪情况下，k 和厶都在测鐾遣的两 头。另外，在各种频标中，含霄的f _ 1 噪声霄很慢的变化成分( 频率可以达到每年 一周) 。这种噪声封取样时间为小时、天等频率稳定度产生影响，而在测同频率波 动辩，一般包台着一天内麴最大频率变纯，不徽进一步的鹾分。掰黻辩某些f 4 嗓声大的晶振，或槎测量预热时阕长酶鑫振翮频率渡动融，和氏套懋现在不 同的地方，如图l 。2 所示。对于以频率单方向漂移为主的频率源的e 1 波动，由于对 数老辱乜规律，大多数晶振预热时悯越长，妇糕率波动就越小。 第一鬻绪论 5 f 辩蔫 萎骥i 懑涎蒺爹惫裳鹁爨辩麓f4 瞵攀懑妻辫瓣遴灞 图1 2鼠频率波动曲线 对于隧频率波动的测量，翔暴蔫誊遵翁诗数式测量佼嚣，均采用l 蛰秒数上昀 取样时问以提高测量的分辨率。取样的周期一般鞭一个小时。 对于冈频率波动，有的国家已经不辩作为一个专f 1 的技术指标柬表示。因为躁 频率波动常鬻可黻表现为老貔、频率稳邃度醛及溢度对振荡器频率熬综合影响， 但是目前程我国的一些规程和产品的技术指标中仍然使用这个参数。 五、频率溢度稳定魔 由予蒜种精密晶体振荡器的广泛应用，无论是温度补偿晶体振荡器逐是恒温晶 体振荡黎都霸可麓被嗣于不感遗蘧的室外较为恶劣的环境爹，新醚飙工程应用的 角度，近年柬频率温度稳定度指标也成为考核频率源的一个重要因素。频率源频 率温度稳寇度的表达公式舞下 弘峄 ( 1 。8 ) 这里，k 和允。分嗣表示在一个宽的工作温度范围内频率源的频率最大氆和 最小值。矗是频率源的标称频率值。 1 2 原予频标概述 时问频率标准包括精密钟、膏叉、商稳定度石蕊晶体振荡器和各种服子频率栝 准1 1 j i j j i 引，另外近年柬又发展了光频标，并可能成为新一代的频率基准。原子频枯 是利翔器予或分子迭都能缀测赫量子跃透谱线箨强参考，邋避儡嚣环路将晶体撵 荡器( 或者是激光源) 的频率锁定到该原子或分子的跃迁频率之上，使晶体振荡 嚣( 或者怒激光源) 的频率其有和原子或分子跃迂频率相同的频率稳霆度。孤孑 频标是量子物理学与电子学高度结合的产物，也是波谱学槎技术上魔阕的突出戚 6 低噪声频率变换技术及铷原子频标的馥避 裁之。戳原予频撼隽基础鹃孵频测量麴嘏对精度和准确度分别高这薹以6 和1 0 4 数繁缀，丽盈逐巍不凝提离，遗远超过了蒸它物理量的测鲞耩度 各种实用原予频标的性能和特点见表i i 。 表i i 窦阉磊子频糠及其主要特髓 瓣檬蒜磁 辩撮于”鼢攘棒羲蔗等2 i - d 赣撼戆簌于妒8 始纂糁 囊簧姆八 镌携翘糖歆耱瓣聿薄鬣谶游辍蠢器铯 耩缀橱晶艳 赏虢鬟黧钝 帮等 蒲糖槲鬻 鹅釉m 班i 4 2 0 蜷耘9 1 9 胡魄 繁糕渊蛰 移l 酽m 妒l 扩 撩栏 蕺葶蘧键嚣镰焘滤糯凇戢簿 麓激辨霉甍裳嚣 簿受篾糍蕊嚣 鹱瓣拣熬藕擅撵落 赣 孽 受警方式 慑鞭蠛鞴壤增髓耀鹱糍 襟箍出毓鞭鞋蠛5 赫 蛀艘i 溯嬲魄端静糍嚣礴糍 壤建灌l x l 枣+ 摊l x l 喀“蛙x l 麝艇l 譬l 穆。辨 攘蓑篓簸鬟壤姆鬻灌赣鬻禚， 夔咎。：蠛蜜 魅瓣帮。：踱雾雾懿羧鼗， 瓣翥j笼囊疆蠼蓝绺礴蒋羲靛篷 粥馥i | 6 藏融； 摹 稳 即c 岛j 抖1 0 i ： 5 ，1 0 ”球5 一l o ” 暴1 0 蛾 s w l 冉m l 5 l 稳让 i 并i 镑1 4 定 订。i 矗嚣再 。 再 菇 耪 i 攫霹警姆 3 x 脚nl x _ l 舞”抖未l 豇一特3 1 0 “l z 葫珏 l 冀x l 守 ； lx l 静“ 瞧 漂器攀帮l _ 瓣8| x 穗9 8 藿雒”m 谂“# 磐 王绺舞赣3 卑 灌壤正豫嘲簿 禽 f 主要礞靛钢灯滤娆穗穰 3 s 零3 一零镬蒜魏。截瓣 冀奎掇骞纛虢镱锻馊籀，芏挎舞黼虢麓 辫 鬣鬟) 凝故斑) 篱辩端捧 瓣 搏蕺 b 氮申喀5 静鹚啤龆睡踅争孟母嚣警 盏 幕x 赣簪 蕊爱婚嚣l继瓣 璐 a筘 度 扣辩 奎 蠢霹，k3 0 一瓣辩辩椭口蝴3 鑫辩l 瓣 襁封沙攥橱麓艇羹较煮鞭毒昂羹穗裁鹣贽墨舞嫩6 0 0 0 0 寨憝爨 c 鑫巍咎洋a 一神 a )鳓( j l d e t 静， 簿：纛 鬻| 寄燮虢瓷嬲 誊蛮黪害藏鞯毽秘蟪y 嬲! 孝：鲢二截爹疑掣爨难一赣箨 鹅蠛簌霪蕊蕊 寰垂骧蔼 篙羹萎喜譬l 薹篓姜篓囊；薹囊羹薹季羹攀羲4 譬撼l 舔零懋姆德洚蘸擎辫 _ 缎糯豁| 羹姜冀姆攥 藏爨撩囊乎黠 l 攀嚣l 鞭子频标霹以分为主动型稳源) 和被劫型( 无源) 耨种。主动裂的有氢激 射器、铷激射器慧，是由量子攘荡器壹接输融标准频率僖鼍；被动型酶襄键柬瓤 子频率标准、气泡型铷原予频率标准和吸收型氢原予频率标准等，宅们的量子系 统不能直接输出标准频率信号，而是通过量子系统的受激跃迁吸收程艘( 谐振与 否) 褥到误差甓鼍，来修正垂控晶蒋振荡嚣鹣频率，由晶髂振荡器输国标准频率 信号。目前的备类藤子频率标准，无论是主渤型的，透悬被动型的，垒都采用了 锁惫晶体振荡器输出标准频攀信号的途径，所输出频率信号的频率值都是1 0 删g 或者5 獬2 。所以，也可以说蹶子频率标准也是一辫特殊鹪厦控晶体振荡器蜒， 在葜蕊控电压的形成过程中，鬻不同的薰子部分参与。最终霜霖子熊缀跃迁所产 生的离准确度，离稳定度频率信号来锁定聪控晶体振荡器的频率，使箕输出频率 保诫了高的精度。 第一章绪论 7 l ，2 。1 原子频标的基本原理 根据蛩子理论，骤子和势子只能处于一定的熊缀，其能量不能连续变化，而只 熊跃迁。豢由一个麟级向另一个能级跃迂时，就会以电磁波的形式辐射或吸收能 量，其频率f 严格缝决定予二艟簇闯的熊薰差，郾 ，。丝( 1 - 9 ) h 式中，h 为普麟巍常数，鑫e 是跃遗能缎闽的能量差。蓍飙高能缀向低能缀跃 迂，便辐射能量；反之，则吸收能量。由于该现黎是微观原子或分子所固有的， j 箩 戬非常稳定。若糍设法使鞭子或分子受到激赫，便可褥剩糖应鹃稳定丽又灌确 的频率。速就是原予频杯的基本原理。 董。2 。2 燕子频标的发晨及应鹰 1 9 5 5 年英国国家物理实验室首先成功的实现了用铯束谱线控制振荡器频率， 得到了实麓的蒙予频耘装置。差不多就在第二年，美国凿巍彳蠢晶钝塞彗颓耩。 与此同时，氨分子受激发射振荡器的发明，开辟了量子电子学的广阔领域，也为 爨子频标提供了新的霹能：激射爨的振荡信号具有极高频率稳定性积掇缝的频谱， 珂戳壹攘俸为标准频率信号。就后的二十年孛，爨子频标在稳定度和准确度等性 能上有了湿著的提简，从早期的1 0 棚数爨级，到圈前氢激射器频标的稳定度己达 羹0 越5 ，小时，键柬颧拣的准确壤剥已跨入耋0 越4 数墅缀。1 9 6 7 年，在第十三藩国际 计量大会上，通过了无干扰的1 3 3 c s 原子纂态超精细跃迁辐射周期的9 1 9 2 6 3 1 7 7 0 倍 的持续时阕为一秒的决定，遮就是原予秒的定义。从1 9 7 2 年起，各国恳普遍采用 彳建立雀鞭子秒定义基础上熬藤孑时。 原子频标的应用领域包括建立国际原子时、基础研究、通讯、导航、定位等 几个方面。建立国鬻瓤子时楚缴璧界各地相当多懿燕子锄为祥本i 逶遵一定算法 建立的国际原子时是髓界统一的时闽标准。通过遮一标准，可以评估体系内任何 一台原子钟的工作状态，并由此得出它作为时间频率标准使髑时对接蹙者的影响。 基稿研究领域主要避剩翊遥年来发震麓舞准礁度糍标侔溅量期验证，每一次测鬣 准确度的提高都会对基本物理问题有更深刻的认识。通讯、导航、定位是原子频 糠应用最广泛麴领域，这些领域都具雹嚣常重要的圈防应罔徐璧和掇离的商韭价 值。通常它们的高端对应国虢需求，中低端箨民溺藏商业镁用。这些领域对更离 准确度的原子频标肖非常迫切的需求。 从潦予颧撅的疲灞可以纛离，瘵子颧标在国醣和民溺领域都具煮裰蔫的价德， 8 低噪声频率变换技术殿铷原子频标的媛避 重要牲不言面嗡。我国在计算机幕缝、广播电视系统、魄话和信息交流系统等领 域都霈要大量民溺靛熏子钟，裁匿的卫星定位系统震癸离幢髓的藿载钝，遗匦蘩 的原子钟的性能也萌待进一步提高，同时我国未来的空间实验室也需蠹从现在开 始就研制高性能的空间原予钟。总而言之，我国对各个层短的原予频标都有非常 追蝣的需求泌疆1 6 1 。 1 。2 。3 铷原子频标介绍 钢羼予额掭l 1 1 3 1 1 4 习是搜焉数鐾最多的藤予焱标，囱予线路爱工艺发震，其造衙 越来越低，体积邈越来越小，珂望在许多场合下代替商稳定度的晶律攒荡器| 美获 得更黼的精度。 锄原子频南鐾子部分和愿接龋体振荡器组成。压控最体攮蔫器的频率经过倍频 和频率合成舞遴剿釜子系缝与鬻原子跃逑藏率进行比较。误差蔫号送阐压控晶律 振荡器，对其频率进行调节，使其锁定在铷原子特定的能缴跃迁所对威的频率上。 从总体上看，铷原子频标禽商量子部分( 物理部分) 和线路部分两大块。因此 攀援途两郝分的功髓和穗互阐麴联系慧掌撰铷艨予频糖翰关键。 铷原子频标鬟子部分( 物瑗部分) 的功麓是： ( 1 ) 创造原予超精细能缀跃迁的条件； ( 2 在辨部输入信号的激发下，产生能缀跃迂； 3 随着鲢缀跃迂，产塞囊纯的光或曦僖号幸筝荧参考，构成对静都压控晶体 振荡器的锁定条件。 铷原子频标线路部分的功能是： 董戮基控黼倦振荡嚣势挨心，经过频攀合成，产墼一个稳定的6 8 3 4 。6 8 7 5 m h z 的频率信号并送入爨子部分； ( 2 ) 接收幽髓子部分输出的。含有原子超精细能级跃迁的光、电信息，通过 赦大、秘捡等处理，娥定压控品搏掇荡器的鬏率。 铷气泡型频标的频率为： f = f o + 5 7 3 h 。2 ( 卜1 0 ) 式中，磊是翔原予不受努场影蝻时的跃迁颧率，是6 ，8 3 4 ，6 8 2 ，6 1 4 h z 。h 垂蹩静磁 场强度。 在铷气泡型原子频标中，利用的是基态趣精细能级( f 。2 ，m r = 0 ) 和( f = 1 ，m e = 0 ) 之溅的跃迂，翱琏魏跃迁频率麓6 ，8 3 4 。6 8 2 6 1 4 m h z 。擞气懑型壕子频撅魏王捧募理 翔豳1 3 所示。蕉审，翻原子谐振器由豁r b 藏电巍源、鄹r b + 滤光沲、豁晒+ 诣攘 泡、微波谐振腔以及光敏管检测器组成。 第一章绻论 9 圈l 。3 镊气泡攀骧子频标的甄递方梃图 铷原子谐振器的工作原理如下：利用高频放电把铷原子( 8 7 r b ) 激发到5 最，或 5 蕊，悫，隧磊，簧激原子翻发辐射藏蹬波长为7 9 4 ，7 n t a 或7 8 0 r i m 的巍。经逶镜聚 焦的光束通过滤光泡时，由于8 5 勘原子谱线结构中的a 线与肋8 7 光谱中的8 线部 分燕叠蛉特殊情况，豁r b 竞索靛a 线将被麟r b 吸收，于是遴过滤巍泡的镯瓣r b ) 光只有b 线，这是个近乎单色的光，以歪当其到达谐振腔时，将只抽运盯r b 的 基卷超藕细麓缀弘羹上熬蔗予到激嶷悫5 最，。盘于藤子在激发态酶魏豫时润粳短， 很快就通过自发辐射以相等的几率跃迁到基奎f = i 和f = 2 两能级上去。于是多次 重复速一过程的缮暴，f = i 麓缴主昀纛子将宛全被撼运到降2 能数上去。此籍，继 续入射的光就不再被吸收了。但是，如果闹时还向谐振腔馈入微波激励信号，则 当该信号鬏率等于黔勋雾= 窑，糯秽；0 p 神p l ，m f = 0 之麟的能缀跃迂频率 时，8 7 r b 将发生微波谐振。与之相应，原子从能态( f = 2 ，m 。= o ) 过渡到( f = i ， 勰帮= 0 ，入瓣的巍又蒋继续被啜浚。逮就溅襞了照射到光敏管麴巍酶减弱。光敏 检测器将检测到这一吸收信号。这样，光敏检测器上吸收情号的大小与盯鼢谐振 淹率源子熟檄渡跃迂凡率戚进铡。燕于遮辩跃迁几搴与激黠蕊号频率的关系其商 一般谐振器郧种谐振线性，所能看到的吸收信号的频率响成也与一般谐振器相似。 势了准确地搜寻能缀跃迁造成魄巍缤号变纯，又蒋之与微波激励黪霉帮跃迁频率 有定偏移时的光强减弱有所区别，对于微波激励锖号采用了调频处理的方法。 图重。碡怒铷频拣的典型锁频坏路。 1 0 低噪声频率变换技术及铷原子频标的改进 图1 4 铷频标的典型锁频环路 受控晶振输出5 m h z 信号，一路经1 8 次倍频到9 0 m h z ，另一路经综合器得到 5 3 1 2 5 1 廿1 z 的正弦信号。它们同时送到微波阶跃倍频器。对9 0 m h z 信号7 6 次倍频 得到6 8 4 0 m h z 信号，并与5 3 1 2 5 删z 信号相减得到6 8 3 4 6 8 7 5 m i i z 信号。在倍频器 第一倍频级回路中加入一个变容二极管，可用8 0 h z 信号调制变容二极管偏压，使 最后输出的微波信号调相。经射频电缆送入铷原子谐振器内，激励原子跃迁。在 铷谐振泡中充加适当的缓冲气体可以使( 0 0 ) 线跃迁的频率调节到 6 8 3 4 6 8 7 5 m i i z 。当6 8 3 4 6 8 7 5 m h z 信号激励铷原子谐振器时，引起r b ”( o - _ o ) 线 共振跃迁，使穿过铷吸收泡的光强发生变化。光检测器将此光信号转换为低频电 信号，再经前置放大、选频放大和同步鉴相产生误差信号，纠正晶振的频偏，实 现了铷原子谐振器对晶体振荡器频率的自动控制，即“锁频”。 锁频时，纠偏电压的大小正比于由晶体振荡器控制的微波频率与原子( o 一0 ) 跃迁频率之间的频差。原子跃迁频率的高稳定度，使被锁晶振的频率稳定度相应 提高。 随着其它领域的技术发展，铷原予频率标准在量子和线路部分也发生了较大的 变化。如在线路部分使用了c p u 进行信号处理，大大简化了频率合成和其它部分 的硬件；而在量子部分，也从减小体积和降低成本等目的出发把铷滤光泡和铷谐 振泡合成一个泡的总体双泡结构。 铷原子频率标准的技术指标包括：( 以国外p r s l 0 铷原子频率标准为例) ( 1 )输出频率：1 0 m h z ，正弦 ( 2 ) 输出幅度：o 5 v - * 1 0 ，有效值 ( 3 )准确度：- - - - - 5 x 1 0 4 1 ( 在发运时) ( 4 ) 频率稳定度：优于1 1 0 - 1 1 s ，1 x 1 0 - 1 1 1 m ，2 1 0 。2 l o o s ( 5 ) 频率一温度稳定度：5 1 0 。1 ，温度范围2 0 n + 6 5 第一章绪论 ( 娃)对磁场燮优的稳定度：2 x 1 0 4 0 对于1 高颠的磁场变化 窄频率重蠛牲；5 x l o 2 ，蓑瓤髭小辩藉开枫髭小露之嚣鸟曩帆蓠煞 比较 ( 8 )开机特性。开机后少于5 分钟锁定，少于6 分钟准确度达到1 羔o 胡 ( 梦 频率谖整藏图：2 c 1 0 嘏 有的铷原子频率标濮还给出漂移辜指标，赫羹量o 罐，月、重重0 瑚7 年等。铷原 子频率标准也常常被分为普通型的、军用型的、航天型的等。商精度的铷原子频 率标准秒缀频率稳定艘指标可以达到董o d 2 ，天频率漂移会4 、n l o q 3 。 1 。3 本论文的主要工作与内容安排 一、本论文的主要王作 瑞士的o s c i l l o q u a r t z 公司提供的超高稳恒温晶体振荡器o c x o8 6 0 0 具宵非常好 的短期稳定度和相懂噤声特性，分别可以达到5 鬻1 0 3 0 ，2 3 0 s ) 和一1 1 5 d b c ( 1 h z - - 1 3 5 d b c q o t t z ) 。缀怒豳于o c x o8 6 0 0 投提供喜潮z 麴频率输穗，不麓满是潮户对其 它频率源的需求。本论文针对这问题，在对相健噪声的概念、产生及其掴关测 量方法研究的基础上，设计出一种低噪声频率变换电路。该电路借助于超黼稳恒 温晶体攮荡器o c x o8 6 0 0 ，采麓锁穗攘巷，将垂控晶体振荡器v c x o 的输邀灏率 ( i o o m h z ) 分频詹，与_ o c x o8 6 0 0 的输出频率( 5 m h z ) 通过彝域门进行鉴鞫，误差 信号经过放大后送到聪控晶体振荡器v c x o ，对其频率进行调节。在伺服环路的作 用下，健v c x o 的翰懋频率与o c x 08 6 0 0 的输出频搴羼有褶网的糖僮噪声指标。从丽 获褥了个! o o m h z 魏低噪声的颓杯漂，满足7 耀户瓣需求。 同时，传统的被劫型铷原子频标中采用的方法是把受控晶体振荡器的频率通 过一个环路锁定到量子部分提供的标准频率上，使受控晶体振荡器的频率准确度 得到了提离。但是豳于兼叁子量子部分、频攀变按部分骧及精母整理部分鲍摄多 因素促健晶体振荡器的短期稳定度憔能恶化，以至于即便是在一个好的实验环境 中，铷原予频标中晶体振荡器的好的短稳性能也没办法发挥出来。针对传统的铷 原子频糠皆存在的闯题，本文经过理论分褥和实骏验证，提出非实时控制的方法， 将铷藤孑频标赡德赢与磊体振荡嚣蝻优良特性耀赡合，提离了翻原予频括昀短期 稳定度。 二、零论文的内寮安撵 垒文备章节内容蠹排如下： 第一章简要介绍了频率标准的主要技术指标，并对原予频标的基奉原理和发 1 2 低噪声频率变换接术及翻藏予频标豹薮进 展废用进行了全面概括性的介绍，其中，对铷原子频标作了重点介绍。 第二搴介绍了榻位噪声的基本概念稻产生原因，并簿瀛接频谱便法、麓频法 和鉴相法遮三种常阁的相健噪声测攮方法进行了详细的分析。 第三章给出了低噪声籁率变换漱路的设计方案，对电路中的一擅重要部分戮 及印制电路板的设计要点进行了重点分析介绍。 第匿章从理论上分析了影响铷艨子频棒短期稳定度斡因素，撬出菲实时控制 的方法来改进被动式铷原子频标的艇期稳定度，弗设计了个实验来验证这种方 法。 重。4 小结 奉章作为论文的开端，首先简要介绍了频率标准的主要技术指标，接着对原 予颧标的基本原理和发展纛用进褥7 全面概括性的介绣，弗耋点介绍了镯蔗子频 标。最后介绍了本论文的主要工作和内容安排。 第二肇据傍嵘声测量 第二章相位噪声测量 2 1 相位噪声的基本概念 摆位嗓声湖是攒债号漂中，由磐静随梳蠛声所攀l 起熬输凄僖号瓣时频率藏相位 的起伏，它表征的是信号源输出频率的短期稳定性指标，是满稳定魔、高纯度频 率深鹣一项十分重霎豹指撂。由于裰链噪声的存在，引起载波频谱的扩展，其范 围w 以从偏离载波小于i h z 一直延伸到几兆赫兹。相位噪声通常定义为在躐离载 波频率馕移某一频率处憋i h z 带宽虑噪声功率与载波砖率之魄。单僚为d b c h z ， 其中，d b c 怒以d b 为单位韵该频率处功率与总功率的比值。例如，猩l o o k h z 偏移 一l o o d b c h z 的榴巍嗓声趣蒸意味罄谯距离载波l o o k h z 的地方1 h z 带宽内黪噪声功 率说载波功率低l o o d b 。 理怒情况下，偿号源输国麓铸罨是单一鹣正弦渡薷号，霹麓式袭示如下： v ( tj 一s i n ( 2 n o t ) ( 2 - 1 ) 箕孛，矿0 海信号憋瞬时魂履，峻羚信号的峰篮电羼幅度，磊为髅鸯酶频率。这 样的信号在频域中豢现为一根信号谱线，如图2 1 ( a ) 所示。 l 功攀 巍 频率 功率 ( 莲) 缝正弦傣弩的谱线强) 不缝正弦髂嚣鲶噪声速带频落 图2 1 信号滁的频谱脚 遵是，在实际应用中，掰有信号源鹩输懑都存在着不稳霆性，帮存在着幅度、 频率或相位的起伏，这样的不纯信号可表示为 v 一眈+ 9 漆i 珏+ 擎瓣 2 ，2 其中，( f ) 为随机幅度起伏，妒o ) 为随机相位起伏。通常情况下，信号源的输出中 l 肆 低噪声频率变换披米及铷原子频标的改进 都有l 艿尊v o l l ，它不鸯接造成频率越伏或褶挺起伏，在这墼可以忽略不计。这 些相位起伏的特征描述通常叫做相位噪声。由于频率是相饭对时问的导数，鞠此 研究瞬蹲频率稳定度闯遂鞫结舞研究瞬时糖位起菝的阊题。在簇域翔频谱分辑搜 观察，相位噪声表现为噪声边带连续地分布在载波频率的上下两边，如图2 。1 心) 掰示。频域表示躲糊锰噪声霹以篱单地饕乍是无限数嚣的耱瘟调制逸蒋，每一个 榴位调制边带又是由一个低鞭信号对载波进行相饿谣制丽产生。 2 2 相位噪声的来源 通常情况下，镀号源的姻位起铰潮时具有髓机的或离黻豹特牲，用频谱分糯 伎观察的结采翔图2 。2 所示。冀中，信母边带中薄离散分奄的信号称髂杂散分量， 另外一种为连续分稚的随机信号，称作相位噪声。 穰弩漂孛的杂散分量一般是幽豳电源纹渡、枫械振动或蓉统痨都鉴姻僖号的 泄漏或其它电路的信号窜扰，通过振荡器的供电端或调谐端对振荡器的输出信号 进行调频产生的，这种杂敖的分布一般情况下具有一定的规律性。另外一神呈随 枫分布酶褶位嗓声遴常是崮擞荡器本骞逡郝各器件所产生晌各种随撬嗓声( o n 电 阻产生的热噪声、半导体器件所产生的敞弹噪声和闪烁噪声等) 引起的。其它电路 新产生的髓枫噪声，也露以运避振荡器魏供趣端或调谐端对输出缮号进行调频产 生相位嗓声。 寓【孵黪濑响i 专 。女0o 嗨。| | 。，娃。畦毒蠢苫撞： j 一 b 附一 l o l一；匕 j ，k j k毳 j b 雄饥0 0 。n ，卟例謦r 蚓2 纛颤遴癸爨搜上曩示熬蕊母源栩煎嗓声 第：辈相缔噪声测键 1 5 2 。3 。1 直接频谱仪法 2 。3 相位噪声的常用测量方法 一、测量原理 壹攘频谨搜法是矮筒摹最方镬瓣一稀褶霞嗓声溅量方法，密将待测频率漂的 输出信号攘到频谱仪的输入端，调谐频谱分析役的载波频率，从频谱分析仅的显 示刻度上就可测得相僦噪声( ，) ，且频谱仪的射频及傅氏频攀范围应满足测试要 求，如阕2 3 掰示。 囊谱彼 最 l x 多h 氏 t 卜卜 擎l 嘻+ 歹“ a ) 信号连接b ) 频谱显臻 图2 3 盥接频谱仪法 二、测量进程 渊节频谱役翁侉心频率，髓被渊信号的谱线处于屏幕懿中心或一德；适当 地选择捆频宽度，使能匿示出所需宽度的两个或一个噪声边带；分析带宽及视频 带宽应尽量小，以减少载频谱线宽度及边带中噪声“毛草”的高度，又不使载波 谱线霄明显黥晃动；谰繁参考电平使满线顶端键予剡度豹预蠛鏊线。 测壤读出图2 3 ) 中的载波功率电平髯嗣边带噪声功率。 三、测量结果及修正 测量结果的计算公式； 歹一雾麓盎一瑟- 1 0 1 9 ( b ，+ ) + c 玉3 式中：聋一载波功率电平( d b m ) ；气( 丘) 一偏离载频l 处噪声边带功率( d b m ) ； 嚣揪一频谱仪的分析带宽( l z ) ；e 一对模拟频谱仪c = + 2 ，5 d b ，对数字频谱 仪c = o 。 对测凝结果有如下修正：噪声带宽的修正即噪声带宽的姻一化和频谱仪电路 对测量随机信号的影响。 设测照等效带宽为最，剥测试结暴必须归一纯剩1 h z 带巍上，羟一化的因子 为1 0 1 9 统，其次是确定实际的测试带宽。霆。有三种确定方法： 玩* 1 2 岛曲( b 黼是指频谱仪面板标出的3 d b 带宽) ； 低嗓声频黎燮换技术爰翱暴予额豁的改进 风一l 。弛舯( b 蛳是指虫测的频谱仪3 d b 带宽) ； 以一蛾爹( 坟r 是指实测盼瓣效带宽) ； 对频谱仪影响的修正：对予横搬频谱役要徽2 。5 d b 修蔗。因为频谱仪的纵轴 劐度是按歪藏德号校准越，丽测爨噪声酵频谱投的蜂镬捡渡器和蔚数救大器，将 使噪声电压的鸯效馕降低了2 ，5 d b ，褥数字式频潜役磷不瘸修正。 四、误差及隈锘0 直接频谱仪法的测量不确定度窕全由频谱仪参数的不确定度组成。如表2 1 所 示。 表2 ，1 枣搂撅谱搜法麓测晕误筹 误差源 不确定度典型值脚b 频谱仪读数的相对误差0 。4 o 。5 频谱仪电路修延误差 o 2 0 频谱枝豹响应谡差 0 ，3 统计处理的陡瓿瀵差 。要 总不确定度 o 。7 3 薹。6 2 频谱分析仪巍接测量相位嗓声霄如下一些限制； 基本艇铡是频谱分析投的噪声底郝，鞠灵敏蹙。因为它一般没有足够低的 噪声底煞，掰黻甄不适蔫予测量低的裰壶噪声源，也不适瘸于测量德离羲渡大予 1 0 k h z 的嗓声 频谱分析仪不能把a m 嗣f m 噪声区分丌柬，所测结果是一种组合噪声。 为了精确地测量相位噪声，不仅熏求d u t 信号的删噪声比蹦噪声小得多，而且 要求频谱分搋伎的噪声藏都比d u t 深信号的噪声低，动态藏圈太，选择憔好； 参考德警的噪声特性然输入黔信号转换到中撅，所域参考蔫号赫噪声可能 掩盖o u t 信母的噪声； 频谱分析仪使用的是窄分辨率的带宽，扫描时间较长，增加了跨度时间。 如果d u t 源信号在跨度时间内的频谱漂移大于1 2 0 总的分析仪的本机频率跨度， 酃就不能测得藏确麴辗位噪声数摆，甚至误差很大。 五、常舞频谱搜昀选择 颓谱分褥搜蛊接测量方法是测量较高捆位嗓声边带稳定源的一种很好的技 术。用高质量的频率发生器作为r f 频谱分析仪的奉机振荡器，可使相位蝶声的测 量更准确。常用频谱仪的选择如图2 。4 所示。 第二章相协噪声测鬣 1 7 0 0 0 i 熬茹一1 0 0 瓣 l h z w 2 5 h z 一 签懑霉v 绷孝一 1 0 0 h z - - w l 。5 g h z l 羽| 趱窑翁l 翘 1 0 0 h z 2 6 。承圳z 斓溉q 粤野 豳2 4h p 频谱仪选择 壹搂频漤彀法是一静最容爨、最麓单麴斓谴嗓声溅量搜拳，它可戬惑接显示擎 边带相位噪声，精确地显示两边带上的离散信号。该方法最适宜测量漂移较小但 榈餐噪声裙辩较高的信号源。冀缺点是不能测量频谱纯净的灏，这主要是受频港 设的动态藏羽和最小分辨带宽的限制；不麓分辨调幅噪声霸棚使噪声，赦对调幅 噪声严重的源不能直接测得相缱噪声，也不适于测量漂移严重的源的相位噪声。 2 。3 。2 鉴频法 鉴频法又称无澡法，它耨待测撩黪频率起伏交换隽电盛起谯，爵用频谱分橱 彼测该电压的起伏量，从而实现褶位噪声测量。 常用的频率鉴相器有延迟线混频式鉴频器，r f 桥延迟线鉴频器，腔体鉴频 器，双延避线鉴频器等。各魏鉴频器有器囱的德缺点，麴常蔫酌艟髂鉴颧器，鉴 颇灵敏度很高，但带宽很窄，往往是腔体中心频率的千分之一百分之一，且只 遴瘸于微波段。下筒藩重介缨延邂线混频鉴频器。 一、工作原理 信号，0 通过延迟线产生固定的相移妒一玉响稚。待测源的频率随机起伏邋 遨延迟线戳籍转换成鞫链超茯秽一氩鞠攀。登调带移姻器谴溅隳器瓣输入端信 号雁交时 一k 妒一弱撕# 一牮黼器2i = 警 协4 ， a 嵇。l r a d ，f 蠛 式率：墨一墨2 w r d 鍪穗参数。 一一一一一一一一一一一一一 1 8 低噪声频率变换技术及铷原子频标的改进 雄) 秒1 ) 主扣舻寺等k 蠊 。2 ， 象统缍残藩，酋毙要精确测爨筵迟线辫输出毫平。根据理谂分橱，当延迟线衰减 为8 7 d b 时，可获得最大系统灵敏度。 黪翱曩 闰2 5 蘧遐线混频式鍪频器的蒸本组成 二、测量步骤： 使用鐾频器测爨帽整嗓声可势为期下蕊步； ( 1 ) 正确建立测量系统； ( 2 ) 校正系统； ( 3 ) 进行箕体测量； ( 4 ) 计算。 三、测量镤羞朝特点 延迟线鉴频器的灵敏度可通过增加t 和k 。来提高，但逮也并非永远正确，必 须在适当的范围内折囊考虑，原因如下： = l 虽然增熬警可以瓣离系统灵皴度，毽奢降低霹溯量的颧攀偏离藏阑 ( s i n x x 的范围缩小) ； 2 蟛与输入剿混频器昀信号毫平鸯蓑，掰域琢有一个最大德，并不缝薰 限地增加。在适当的l o 驱动电平情况下，增加黔输入电平直到混频器特性达到 征缩点，此时蜀。最大； 3 惩迟线鉴频器是一个功率限制端件，懿藕警并不蹩霞德独立麴两个参戮。 y 的增加反而会降低延迟信号输入到混频器的电平( 延迟线衰减) ，因而降低了 甏铲e 由予懿迟线和襄减，对于巍接工作雀低载波时禳难达到低的嗓声底都。最好的 噪声底部是工作在嵩载波。如果在微波频率，那么就应该用低噪声参考源把d u t 源信号下燮频戮孛颡，再蔫蘧遮线鉴攘器方法溅篷。 优点如下： ( 1 ) 茏需参考滚； 2 ) 鬃有低的嶷带嗓声本底； 第二章相悖噪声测量 1 9 3 适于瓣自国运转的擞蓠器的相槛噪声测叠； ( 4 ) 舆宥调幅抑制功能： 缺点慧： ( 1 ) 对自由运转的振荡器的相位噪声进行测量时，近载波处灵敏度低； ( 2 ) 虽然具有调幅抑制功能，但不遮用于微波段使用，主要因为损耗较大。 2 。3 3 鉴稠法 鉴糯法又称舞零籀法、有源法