CN102186298A

CN102186298A - 改进型铷原子频标光谱灯装置

Info

Publication number: CN102186298A
Application number: CN2011100416691A
Authority: CN
Inventors: 雷海东; 管桦; 管妮娜; 盛荣武
Original assignee: Jianghan University
Current assignee: Jianghan University
Priority date: 2011-02-21
Filing date: 2011-02-21
Publication date: 2011-09-14

Abstract

本发明公开了一种改进型铷原子频标光谱灯装置，包括光谱灯、射频振荡电路、恒温套和恒温控制电路，射频振荡电路包括依次连接的滤波电路、放大电路、振荡选频电路、温度补偿电路和反馈电阻，放大电路包括晶体管和第一偏置电阻，第一偏置电阻的两端分别连接晶体管集电极和晶体管基极，温度补偿电路用于减小晶体管集电极电流随温度的变化，且温度补偿电路的一端与第一偏置电阻连接，另一端与晶体管基极的连接点与射频振荡电路的输入端连接，反馈电阻与晶体管的发射极串联，且晶体管和温度补偿电路位于同一温区。本发明的光谱灯装置可提高铷原子频标输出频率稳定性。

Description

改进型铷原子频标光谱灯装置

技术领域

本发明涉及被动型铷原子频标领域，更具体地涉及一种改进型铷原子频标光谱灯装置。

背景技术

原子频标是提供标准频率和时间的设备。铷原子频标因其具有体积小、低功耗和较好的抗恶劣环境的能力，而成为应用最广泛的一种原子频标。它同时具有较好的指标，能满足绝大多数军用和民用工程的需要，具体可用于预警机、战机、电子对抗、第三代移动通信技术网络和电力监控等工程领域。

在铷原子频标中，产生抽运光的光谱灯是原子频标的关键部件。光谱灯的光强和光谱轮廓决定了原子频标的频率稳定度，而光谱灯产生的抽运光的本底噪声决定了系统的信噪比，因而光谱灯的性能对原子频标的短期和长期频率稳定度有着直接的影响。

通常，光谱灯装置包括内部充有金属铷和起辉气体的光谱灯、激励光谱灯产生抽运光的射频振荡电路、罩在光谱灯上的恒温套以及用于控制恒温套使光谱灯保持恒温的恒温控制电路。一般，起辉气体为激发电位低、化学性质不活泼的惰性气体，例如：氩气和氪气。

现有的射频振荡电路是一个克拉泼振荡电路。该电路中的晶体管受环境温度的影响很大，随着环境温度的升高，晶体管中集电极电流会增大，从而导致激励功率增大，进而导致光谱灯的光强增大，反之，则减小。而光谱灯的光强与铷原子频标的原子跃迁频率的移动即光频移成正比，因而，当光强增大时，铷原子频标的光频移越大，从而影响了原子频标的输出频率稳定度。由于现有的射频振荡电路不能进行温度补偿以减小光频移，因而会影响铷原子频标的输出频率稳定度。

因此，有必要提供一种改进的铷原子频标光谱灯装置来克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进型铷原子频标光谱灯装置，可减小环境温度的变化对光谱灯输出光强的影响，从而提高铷原子频标输出频率的稳定性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种改进型铷原子频标光谱灯装置，光谱灯、激励所述光谱灯产生抽运光的射频振荡电路、罩在所述光谱灯上的恒温套以及用于控制所述恒温套使所述光谱灯保持恒温的恒温控制电路，所述射频振荡电路包括依次连接的滤波电路、放大电路以及振荡选频电路，所述放大电路包括连接在所述滤波电路和所述振荡选频电路之间的晶体管和第一偏置电阻，所述第一偏置电阻的一端与所述晶体管的集电极连接、另一端与所述晶体管的基极连接。且改进型铷原子频标光谱灯装置还包括用于减小所述晶体管集电极电流随温度的变化的温度补偿电路和反馈电阻，所述温度补偿电路的一端与所述第一偏置电阻连接，另一端与所述晶体管基极的连接点与所述射频振荡电路的输入端连接，所述反馈电阻与所述晶体管的发射极串联，且所述晶体管和所述温度补偿电路位于同一温区。

优选地，所述温度补偿电路包括第一电感、第二偏置电阻、二极管和第一电容，所述第一电感串联在所述第一偏置电阻和所述晶体管的基极之间，所述晶体管基极与所述第一电感的连接点与所述振荡选频电路的输入端连接，所述第二偏置电阻的一端连接在所述第一偏置电阻和所述第一电感之间、另一端通过所述二极管接地，所述第一电容的一端连接在所述第一偏置电阻和所述第二偏置电阻之间、另一端接地，所述二极管和所述晶体管位于同一温区。

优选地，所述振荡选频电路包括反馈电容、第二电容、激励线圈、第三电容以及第二电感，所述反馈电容连接在所述晶体管的发射极和基极之间，所述第二电感的一端通过所述反馈电阻与所述反馈电容连接、且另一端接地，所述第二电容和所述激励线圈依次与所述反馈电容的另一端相连并通过所述第三电容接地，所述光谱灯设于所述激励线圈中。

优选地，所述反馈电阻为精密电阻。当采用温度补偿电路进行补偿后，所述晶体管输出的激励电流的变化会呈现小的负温度系数，从而造成补偿过度，通过调整所述反馈电阻的大小可解决补偿过度的问题。

优选地，所述晶体管紧贴在所述恒温套上。由于所述射频振荡电路采用的是大功率晶体管，大功率晶体管会因集电极耗散而产生热量，当将大功率晶体管管紧贴在所述恒温套上，可充分利用大功率晶体管产生的余热来加热所述光谱灯。

优选地，所述光谱灯包括泡顶、泡身和泡尾，所述泡顶为圆形蓝宝石平板，所述泡身为圆柱形蓝宝石玻璃管，所述泡尾为锥形碱金属玻璃管，且所述泡顶与所述泡身之间以及所述泡身和所述泡尾之间均通过碱金属玻璃粘接。由于蓝宝石的相变温度很窄，在该温度点它很快从固态变为液态，因而不易制作成光谱灯，而采用普通碱金属玻璃分别粘接泡顶和泡身以及泡身和泡尾的这种方式，可容易制作出光谱灯，且成本低。

优选地，改进型铷原子频标光谱灯装置还包括屏蔽筒，所述屏蔽筒罩在所述激励线圈外。采用所述屏蔽筒不仅可防止外界射频的干扰，而且可防止激励射频泄露，从而通过涡流效应加热达到节能的目的。

优选地，改进型铷原子频标光谱灯装置还包括中性滤光片，所述中性滤光片设于所述光谱灯的前方。所述中性滤光片可保证即不大范围的改变光谱灯的光强又不改变光谱灯的温度的情况下，将光谱灯发出的光衰减到所需的光强，从而减小铷原子频标的光频移，进而提高铷原子频标输出频率的稳定性。

优选地，改进型铷原子频标光谱灯装置还包括凸透镜，所述凸透镜设于所述中性滤光片的前方。由于凸透镜可增加透过的光，因而，可提高光的利用率。

优选地，所述激励线圈由单根粗导线单层密绕而成。可理解地，这样的绕制方式可减小损耗。

与现有技术相比，一方面，温度补偿电路可使晶体管的激励电流随环境温度的变化明显减小，从而减小了环境温度的变化对光谱灯输出光强的影响，进而提高了铷原子频标输出频率的稳定性。另一方面，通过在晶体管的发射极串接一个反馈电阻，从而构成一个电流负反馈偏置稳定电路，当晶体管集电极和发射极的电流增大时，由于反馈电阻的存在，晶体管发射极电压增加，晶体管集电极和晶体管发射极间的电压变小，从而使晶体管基极电流减小，晶体管集电极和发射极的电流也减小，因而反馈电阻可稳定晶体管的静态工作点，从而使铷原子频标光谱灯装置的工作状态更稳定，进而提高了铷原子频标输出频率的稳定性。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为本发明改进型铷原子频标光谱灯装置的结构示意图。

图2为图1所示改进型铷原子频标光谱灯装置的射频振荡电路的详细电路图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。

如图1所示，本实施例改进型铷原子频标光谱灯装置包括光谱灯、激励所述光谱灯产生抽运光的射频振荡电路11、罩在所述光谱灯外的恒温套12、用于控制所述恒温套12使所述光谱灯保持恒温的恒温控制电路13、屏蔽筒罩14、设于所述光谱灯前方的中性滤光片15以及设于所述中性滤光片15的前方的凸透镜16。所述光谱灯发出的光经过所述中性滤光片15和所述凸透镜16后由腔泡系统20接收。较佳地，所述中性滤光片14为透明塑料，透明塑料比较薄因而能够方便地置入本发明的铷原子频标的低功耗光谱灯装置中，且由于单片的透明塑料对光的衰减率比较小，因而可对光进行比较精细的调节。另外，由于凸透镜15可增加透过的光，因而，可提高光的利用率。

所述光谱灯包括泡顶101、泡身102和泡尾103，所述泡顶101为圆形蓝宝石平板，所述泡身102为圆柱形蓝宝石玻璃管102，所述泡尾103为锥形碱金属玻璃管，且所述泡顶101与所述泡身102之间以及所述泡身102和所述泡尾103之间均通过碱金属玻璃粘接。

如图2所示，所述射频振荡电路11包括依次连接的滤波电路111、放大电路112、振荡选频电路113、温度补偿电路114以及反馈电阻R3。

所述滤波电路111为滤波电容C1，所述滤波电容C1的两端分别与电源Ucc和地连接。所述放大电路112包括连接在所述滤波电路111和所述振荡选频电路113之间的晶体管Q1和第一偏置电阻R1，所述第一偏置电阻R1的一端与所述晶体管Q1的集电极连接、另一端与所述晶体管Q1的基极连接。所述晶体管Q1紧贴在所述恒温套12上，所述光谱灯10可充分利用所述晶体管Q1产生的余热加热，因而可节能。

所述振荡选频电路113包括反馈电容C2、第二电容C3、激励线圈L2、第三电容C4以及第二电感L1，所述反馈电容C2连接在所述晶体管Q1的发射极和基极之间，所述第二电感L1的一端通过所述反馈电阻R3与所述反馈电容C2连接、且另一端接地，所述第二电容C3和所述激励线圈L2依次与所述反馈电容C2的另一端相连并通过所述第三电容C4接地。所述激励线圈L2由单根粗导线单层密绕而成，所述光谱灯10设于所述激励线圈L2中，所述屏蔽筒14罩在所述激励线圈L2外。可理解地，按照单根导线单层密绕方式绕制而成的所述激励线圈L2损耗比较小。而所述屏蔽筒14不仅可以防止外界射频的干扰，而且可防止激励射频泄露，从而通过涡流效应加热达到节能的目的。

所述温度补偿电路114包括第一电感L3、第二偏置电阻R2、二极管D1和第一电容C5。所述第一电感L3串联在所述第一偏置电阻R1和所述晶体管Q1的基极之间，所述晶体管Q1基极与所述第一电感L3的连接点与所述振荡选频电路113的输入端连接，所述第二偏置电阻R2的一端连接在所述第一偏置电阻R1和所述第一电感L3之间、另一端通过所述二极管D1接地，所述第一电容C5的一端连接在所述第一偏置电阻R1和所述第二偏置电阻R2之间、另一端接地。且所述晶体管Q1和所述二极管D1位于同一温区。

所述晶体管Q1的发射极和所述反馈电容C2的连接点与所述反馈电阻R3的一端连接，所述反馈电阻R3的另一端与所述第二电感L1连接。所述反馈电阻R3为精密电阻，通过调整所述反馈电阻R3的阻值可解决补偿过度的问题。且通过所述光谱灯10的控温效果可判断所述反馈电阻R3的补偿效果。

由上述技术方案可知，一方面，晶体管Q1基极的下偏置电路中串联了一个与晶体管Q1位于同一温区的二极管D1，当环境温度升高时，晶体管Q1的集极电流即激励电流增大，从而导致晶体管Q1的激励功率增大，而二极管D1的正向压降却随着温度的升高而减小，因而二极管D1的输出电流也变小，这样可平衡晶体管Q1的激励电流，从而使晶体管Q1的激励电流随环境温度的变化明显减小，进而减小了环境温度的变化对光谱灯10输出光强的影响，最终提高了铷原子频标输出频率的稳定性。另一方面，通过在晶体管Q1的发射极串接一个反馈电阻R3，从而构成一个电流负反馈偏置稳定电路，当晶体管Q1集电极和发射极的电流增大时，由于反馈电阻R3的存在，晶体管Q1发射极电压增加，晶体管Q1集电极和晶体管Q1发射极间的电压变小，从而使晶体管Q1基极电流减小，晶体管Q1集电极和发射极的电流也减小，因而反馈电阻R3可稳定晶体管Q1的静态工作点，从而使铷原子频标光谱灯装置的工作状态更稳定，进而提高了铷原子频标输出频率的稳定性。

Claims

1.一种改进型铷原子频标光谱灯装置包括光谱灯、激励所述光谱灯产生抽运光的射频振荡电路、罩在所述光谱灯上的恒温套以及用于控制所述恒温套使所述光谱灯保持恒温的恒温控制电路，所述射频振荡电路包括依次连接的滤波电路、放大电路以及振荡选频电路，所述放大电路包括晶体管和第一偏置电阻，所述第一偏置电阻连接在所述晶体管的集电极和基极之间，其特征在于，还包括用于减小所述晶体管集电极电流随温度的变化的温度补偿电路和反馈电阻，所述温度补偿电路的一端与所述第一偏置电阻连接、另一端与所述晶体管基极的连接点与所述射频振荡电路的输入端连接，所述反馈电阻与所述晶体管的发射极串联，且所述晶体管和所述温度补偿电路位于同一温区。

2.如权利要求1所述的改进型铷原子频标光谱灯装置，其特征在于，所述温度补偿电路包括第一电感、第二偏置电阻、二极管和第一电容，所述第一电感串联在所述第一偏置电阻和所述晶体管的基极之间，所述晶体管基极与所述第一电感的连接点与所述振荡选频电路的输入端连接，所述第二偏置电阻的一端连接在所述第一偏置电阻和所述第一电感之间、另一端通过所述二极管接地，所述第一电容的一端连接在所述第一偏置电阻和所述第二偏置电阻之间、另一端接地，所述二极管和所述晶体管位于同一温区。

3.如权利要求2所述的改进型铷原子频标光谱灯装置，其特征在于，所述振荡选频电路包括反馈电容、第二电容、激励线圈、第三电容以及第二电感，所述反馈电容连接在所述晶体管的发射极和基极之间，所述第二电感的一端通过所述反馈电阻与所述反馈电容连接、且另一端接地，所述第二电容和所述激励线圈依次与所述反馈电容的另一端相连并通过所述第三电容接地，所述光谱灯设于所述激励线圈中。

4.如权利要求3所述的改进型铷原子频标光谱灯装置，其特征在于，所述反馈电阻为精密电阻。

5.如权利要求1所述的改进型铷原子频标光谱灯装置，其特征在于，所述晶体管紧贴在所述恒温套上。

6.如权利要求1所述的改进型铷原子频标光谱灯装置，其特征在于，所述光谱灯包括泡顶、泡身和泡尾，所述泡顶为圆形蓝宝石平板，所述泡身为圆柱形蓝宝石玻璃管，所述泡尾为锥形碱金属玻璃管，且所述泡顶与所述泡身之间以及所述泡身和所述泡尾之间均通过碱金属玻璃粘接。

7.如权利要求1所述的改进型铷原子频标光谱灯装置，其特征在于，还包括屏蔽筒，所述屏蔽筒罩在所述激励线圈外。

8.如权利要求1所述的改进型铷原子频标光谱灯装置，其特征在于，还包括中性滤光片，所述中性滤光片设于所述光谱灯的前方。

9.如权利要求1所述的改进型铷原子频标光谱灯装置，其特征在于，还包括凸透镜，所述凸透镜设于所述中性滤光片的前方。

10.如权利要求1所述的改进型铷原子频标光谱灯装置，其特征在于，所述激励线圈由单根粗导线单层密绕而成。