小型原子频率标准装置的研制

小型原子频率标准装置的研制

1原子频率标准装置某品牌小型原子频率标准装置（以下简称小iu）具有体积积小、环境适应性强、频率稳定、位移率等电性能指标高的优点。因此可广泛用于通信、导航、时间频率计量等军民用工程。60年代初国外首台铷原子钟研制成功，至今宇航级的小铷钟已接近小铯钟的电性能指标，但体积功耗比小铯钟小的多。从70年代国内开始研制铷原子钟，虽然起步较晚，但也取得了很大的进步，203所与北大合作，研制开发了国内第一台小型铷钟，体积为1.5L，性能优良，后经不断改进，其体积和电性能指标在该基础上又有提高，使小型铷原子频率标准装置的短期频率稳定性σy(1s)优于8×10-12，σy(10s)优于3×10-12，相位噪声优于145dBc/Hz,1kHz，漂移率优于3×10-13/d，工作温度-40℃～+60℃，体积1L，耗电15W。小型铷原子频率标准装置属于被动型原子频标，由泵体和电路两部分组成（如图1）。泵体起高稳鉴频器作用，它的中心频率是受激原子（0-0）跃迁吸收线的精密频率（fr=6834.6875MHz）。由于铷原子跃迁频率是微波分数频率，鉴频—光检产生的1mV左右误差信号，必须通过电路部分的倍频链（含调频）、放大链、频率合成器、伺服环路等构成锁频环路将铷原子跃迁的高稳定性能传递到压控晶振，从压控晶振输出可实用的铷原子频标信号。简要的工作过程如下：泵体的灯在高频电离源激励下发光并产生多种能级之间的跃迁谱线，经滤光泡以后，仅有一根光谱线[5P～(,F=1)]照射到充有的吸收泡上，使吸收泡内原子在相关能级间产生有规律的跃迁，最终将原子全部聚集到所需的能级上（,F=2），实现光抽运。在C场的作用下，原子能级产生超精细分裂，其中F=2,MF=0和F=1,MF=0两个塞曼能级受外界影响最小，其间跃迁谱线的频率最稳定（简称0-0跃迁线），微调C场，使其中心频率为fr=6834.6875MHz。当电路部分产生的微波调频信号[fm=fv×(M-Z)≈fr]加到吸收泡上后，外加能量使原子（0-0）跃迁周而复始地进行，产生原子的他激跃迁振荡，跃迁吸收线又对fm的频偏进行鉴频，受照光电管的体电阻随穿过吸收泡的那根谱线的光强而变化（由fm>fr或fm<fr引起），并输出相应的误差控制电压，去锁定压控晶振，当压控晶振信号（fv）经倍频（含fd=85Hz调频）后的频率fm>fr时，鉴频—光检产生的误差电压为负，此电压经电路部分的放大链、同步检波及积分伺服环路之后产生一个相对值较负的纠偏电压加到压控晶振的变容管，使fv变低。当fm<fr时，则有相反的控制结果，使fv升高。当fm≈fr时，小铷钟处于锁定状态，这时可实用的铷频标信号从压控晶振输出。3原子频率标准电路设计经过基本原理的叙述我们得知，小铷钟的泵体和电路是相辅相成的，泵体产生高稳定的原子跃迁信号fr，电路系统产生激励原子跃迁的fm，同时接收经原子跃迁吸收线鉴频所产生的误差信号，并通过锁频环路传递到压控晶振，由压控晶振输出可实用的铷频标信号。因此电路系统的性能对铷原子频率标准整体的电性能指标起着至关重要的作用，并要保证小体积，难度可想而知。小铷钟同氢钟和铯钟相比虽然小巧，但麻雀虽小五脏俱全，其功能电路与包括微波调频倍频链，高增益误差信号放大链，分数频率合成器，低频函数信号发生器，伺服环路，压控晶振等等一个也不能少。我们在电路设计中既顾及功能和性能指标，又竭力简化电路环节，尽量采用集成块及表面贴装元器件，精心合理设计印制板布线和结构组合。同时对小型化之后电路部分产生的级间和功能块之间的相互窜扰，交叉接地噪声等问题进行了卓越有成效的处理，既做到小型化，又确保其性能指标。主要成果见表1。3.1微波信号自适应前级倍频链是小铷钟的关键部件之一。其一，小铷钟的泵体在完成光抽运，能级超精细分裂，原子0-0跃迁的物理过程之后，处于等待状态。必须在倍频链产生的微波调频信号[fm=fv×(M-Z)≈fr]激励下，原子才能在吸收外能的同时周而复始的产生0-0跃迁振荡。这时微波调频信号的幅度及其稳定性会直接影响铷原子跃迁。其二，根据锁频环路的分析，原子跃迁频率是参考标准，被控晶振的固有频偏是待纠偏的量，倍频链是它们之间的媒介，它倍增在fv的同时将晶振的频差倍增并送量子系统鉴频出误差电压。因此倍频链自身噪声、漂移等不稳定量的贡献必须很小，否则会严重影响铷频标的性能。倍频链由10MHz×3×3前端倍频、85Hz三角波间接调频、90MHz功放、匹配电路、×76微波倍频等电路产生6840MHz信号，微波激励频率由5.3125MHz分数频率与6840MHz微波信号经下变频产生6840MHz-5.3125MHz=6834.6875MHz提高倍频链前级的性能是至关重要的，这要从电路设计和元器件选择着手。我们采用了低噪声电流开关倍频技术，它与一般倍频器相比白相噪声可改善11dB，闪相噪声可改善7dB。电路所用元器件都会产生各种随机噪声，其中由电阻热噪声和散粒噪声所致的白相噪声会影响频率短稳。晶体管PN结少数载流子寿命时间不规则变化和电抗元器件随机起伏会引起闪相噪声（f–1噪声），它影响频率中期稳定性。这些噪声对频率的干扰则会产生白频、闪频噪声，它们影响频率长稳。减小白噪声的措施是筛选倍频链的前级晶体管，其噪声系数≤1.5dB,Ccb、Cbe、Ceb等分布参数要小，尤其是rbb不能大。还有合理设计信号激励电平、工作电流、阻抗变换等。减小闪烁噪声的措施，除了优选元器件之外，在前级加适当的电流负反馈是很重要的。倍频链的输出信噪比与倍频次数（M）的关系可用下式表达为改善这项指标，设计中可采用无源升压网络，以提高输入信噪比，同时采用分段倍频法，尤其是前级倍频次数（M1）不宜太高。因NF=，提高对改善倍频链的性能十分有益。影响倍频链性能的另一个因素是选频回路的不稳定性，它影响>1s的中长期频率稳定性，它的附加相移（△Φ）可用下式表达减小△Φ的途径是要精密调谐，以减小失调系数（K）；回路的品质因素（Q），既不能太低而影响选频效果，也不宜过高影响稳定性；电感电容的温度系数（αT）要小，另外采用（αT）相反的电感电容互补也是有效的；再就是对前端倍频采取恒温措施，以减小温度变化量（△T）。微波阶跃倍频有倍频效率、杂波抑制、温度系数、小型化、可靠性等难点，经过调配电路、微波腔的优化设计，阶跃管的严格筛选以及精细调试之后，体积比国内同类产品小，性能也得到了改进，满足了系统的要求。5.3125MHz分数频率合成器是产生微波分数频率的重要部件，我们的设计有独到之处，电路简捷，用两片集成块完成功能，后面采用了负反馈型选放以及OTL输出，性能优良，可靠性大为改善，它对系统频率稳定性的贡献σy(1s)在10-13量级。根据被动型原子频标的特点，调频波fd选在100Hz左右（如127Hz或85Hz）。原因是100Hz的周期为0.01s，它要影响0.01s甚至0.1s的频率稳定性。采用三角波调频的原因是线性很好的理想三角波其偶次谐波极小，而fd的偶次谐波会严重影响σy(ls)，甚至会造成小铷钟锁偏。由于采用了以上措施，倍频链对系统频率稳定性的贡献σy(ls)<5×10-13，微波输出功率>-20dBm，谐波和杂波抑制都满足设计要求，而且能常年连续可靠地工作。3.2放大链的噪声及稳定性原子跃迁频率的多种频移效应以及跃迁吸收线的鉴频灵敏度Sd是决定铷频标性能的主导量，从锁频环路分析可知，泵体鉴频—光检产生的闭环误差电压在1mVp-p(170Hz)左右，而同步检波器的输入电压在5Vp-p才能将误差电压经积分器有效地去伺服压控晶振，所以放大链的增益约5×103，它的噪声贡献也直接影响铷频标性能，从噪声理论分析可知，一个系统的总噪声系数NF取决于首级的噪声系数（NF1）及增益（G1），可用下式表达我们在放大链的第一级电路设计中采用了等效输入噪声电压约的运算放大器，折算到输入端的附加噪声约0.1μV(170Hz），满足了系统要求。除了器件因素，电路设计是至关重要的，我们在首级运放输入端采用了浮地方案，同时解决了入口的匹配问题，使放大链的性能大为改善。放大链的稳定性也很重要，要解决寄生振荡，电场干扰，增益配置，级间耦合，供电波动影响等问题，在设计研制中都较好的解决了这些问题，使放大链也能长年连续稳定工作。同步检波是由85Hz方波（与调频三角波共源）控制的电子开关，将误差信号对称检波，它处在积分器的前端，积分器的增益在102量级，又是直流耦合。开关的灵敏度和漂移会影响铷频标的性能，尤其是长期稳定性。要解决开关速度、内阻、隔离度、对称性、相移、漂移等问题。3.3压控晶振的技术指标如前所述，小铷钟的泵体其高稳鉴频器的作用，通过电路部分的锁频环路，将铷原子跃迁的高稳性能传递到压控晶振，从压控晶振输出可实用的铷原子频标信号。因此压控晶振的技术指标将直接影响铷频标的整机性能。长、短期频率稳定性兼顾是小型铷原子频率标准装置的特点之一，通过合理设计环路带宽，使1s以内的短期频率稳定性主要决定于压控晶振，而长稳则决定于泵体。203所研制成功的体积为35mm×35mm×40mm,σy(ls):5×10-12、相位噪声：,1kHz的高稳压控晶振，对小铷钟整机性能的提高做出了贡献。3.4物理泵体的研制泵体的小型化设计对小铷钟的整体体积控制具有重要意义，传统的铷频标泵体均采用三泡式结构（如图2），其特点是结构体积大、制作工艺高，北京大学在物理泵体的研制中大胆创新，研制出两泡式的物理泵体（如图3），省去了滤光泡，通过合理配置两种同位素和几种缓冲气体的比例，同样达到了三泡式泵体的抽运效果，同时利用微波慢波结构取代微波谐振腔，将吸收泡由原来的球型改为指型。经过这些技术创新，使泵体的体积大大缩小，仅为0.37L，而且性能良好，制作工艺也简单易行，便于生产。4星载环境的可靠性小铷钟总体指标优于高稳晶振，主要体现在频率准确度和漂移率。所以广泛用于通信、导航、定位系统以及车载、船载、舰载、航载直至星载环境。它的可靠性和实用性至关重要。我们在这方面作了很