芯片级原子钟及多通道数据采集同步系统研究

1、芯片级原子钟及多通道数据采集同步系统研究随着量子物理学、微波波谱学和无线电电子学的深入发展 , 人们认识到不受 外界干扰的原子、分子的内部运动状态非常稳定 , 因此努力将时间频率的计量标 准定义到微观量子态的稳定周期信号上。 在 1967年召开的国际计量大会上 , 人们 对秒进行了新的定义 : 在零磁场中铯原子 (133) 基态的两超精细能级间的跃迁频 率的 9192631770个周期所持续的时间称为原子时的 1 秒。至此,人们进入了原子时时代。 传统型原子钟由于精度高和稳定性好等优点 , 被广泛应用在精密导航、精密时间同步和军事相关领域。但是其具有价格高、功耗高和体积大等缺点 , 不利于在便

2、携式设备中应用。 小型化和微型化的原子钟由于具有较小的尺寸、 极低的功耗以及中等的精度和稳 定性, 在便携式设备中有极大的用武之地 , 得到了越来越多的关注。芯片级原子钟(CSAC是一种微型化原子钟，主要由射频信号源模块、物理封 装模块和外围控制电路组成 , 具有功耗低、体积小和价格低等优点。本文一方面 通过研究芯片级原子钟的射频信号源模块、 外围控制电路模块和物理封装的组装 与测试 , 为实现芯片级原子钟样机打下了坚实的基础 ; 另一方面针对现有地面电 磁探测系统同步方案的不足 , 提出了一种基于芯片级原子钟的多通道数据采集同 步系统 , 为我国地面电磁探测系统提供了一种新的同步方案。具体工

3、作及创新如下 :(1) 针对提高芯片级原子钟的输出稳定度的问题 , 提出 采用锁相环电路作为射频频率源 , 电路主要包括压控振荡器、频率综合器和环路 滤波器。同时针对所研制的压控振荡器进行了高低温测试和良率测试 , 结果表明 压控振荡器高低温性能良好 ,1000 个样品的相位噪声均值为 -60.83d Bc/Hz1kHz, 性能优异对所设计的锁相环电路进行了仿真和实际测试,结果显示,在300Hz频率偏 移下,相位噪声为-83.57d Bc/Hz。远优于由Romisch S和Lutwak R提出的芯片 级原子钟射频信号源的指标 :-43d Bc/Hz300Hz。(2)针对芯片级原子钟中VCSEL

4、激光器及碱金属蒸汽泡需要将温度稳定在土 0.05 C内的问题，提出采用PID算法控制恒流源的方式实现物理封装内部温度平 衡,设计出合理的电路 ,测试结果也能够满足芯片级原子钟的需求。 (3)物理封装 模块是芯片级原子钟最重要的模块 , 提出采用垂直方向组装结构对物理封装进行 搭建, 并对物理封装的每一个部分进行了功能和性能的描述。在测试物理封装之前 , 对物理封装结构进行热学仿真 , 通过仿真对物理封装 结构进行了优化。通过优化设计之后 ,将物理封装加热功耗降低至 450m W。从原子物理学角度测试 ,物理封装能够出现较好的高斯吸收峰 ,加入射频信 号之后，能够产生预期的多边带吸收现象。最后，通过测试电路，实现了 CPT共振 峰, 共振峰的线宽约为 2k Hz。(4) 针对现有地面电磁探测系统同步方案的不足 ,提出了一种基于芯片级原 子钟的时间同步方案 , 利用芯片级原子钟具有的高稳定度、低功耗和小尺寸的优 点,为地面电磁探测系统在没有GPS授时信号的环境下工作时提供一种时间同步 解决方案。该系统是国内首创的采用芯片级原子钟作为守时设备的同步系统 ,该 系统由基地站守时设备、接口设备和多个授时子卡构成 ,授时子卡一天的时间偏 移不超过1us,功耗约326m W自带锂电池续航时间超过24小时。通过将所研制的系统与地面电磁探测系统对接 , 经过实验室内部联调测试