CN103856215A - 一种低功耗芯片级原子钟物理封装装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低功耗芯片级原子钟物理封装装置，包括外部封装、上下支架、框架空间器以及内部元件，所述外部封装由陶瓷封装及底座组成，所述内部元件包括激光器、光电探测器、碱性原子泡气室、1/4波片以及C场偏置模块，所述C场偏置模块包括永磁体组件，所述永磁体组件产生沿物理封装轴向方向的磁场。本发明将永磁体产生的磁场全部或部分代替原有芯片级原子钟物理封装中的线圈产生的磁场，使得流过线圈的电流达到最少，从而大大减少芯片级原子钟物理封装的能耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种原子钟物理封装装置，具体涉及一种低功耗芯片级原子钟物理封装装置。
背景技术
作为七个最基本的物理量之一的时间（频率），其复现精度是最高的。自从世界上第一台原子钟于1949年研制成功以来，时间单位的精度飞速发展，每10年提高一个数量级。除提供时间频率输出外，原子钟还广泛应用于导航定位、通信、导弹及卫星定位、天文观测、大地测量、精密仪器仪表的校准、电网调节以及高速交通管理等领域，且在过去的50年中已然成为不可或缺的器件之一。
随着电子技术和控制技术的飞速发展，对于原子钟的研究主要在两个方面：一方面是探索研制准确度和稳定度更高的原子钟。近年来，已经成功研制出许多不同种类的具备更高准确度和稳定度的新型原子钟，例如冷原子喷泉钟、离子阱钟、光钟等；另一方面是积极寻找实现高精度的小型工程原子钟的途径，以满足各种工程技术发展需要。氢钟、铯钟和铷钟等传统原子钟由于体积、功耗偏大，其应用形式为单独设备或内置于设备的部件，应用范围也基本上局限在高端设备或系统。而不需要传统微波腔的CPT（CPT, Coherent Population Trapping，相干布居囚禁）原子钟，因其体积、功耗可以较传统原子钟减小2-3个数量级，使得原子钟的便携化应用成为可能。
在CPT原子钟里，选择基态超精细分裂能级的0-0跃迁谱线作为钟跃迁谱线。而基态除了0-0磁子能级，还有其他塞曼分裂磁子能级，为了分离各个塞曼磁子能级，外加磁场是必不可少的。为了减小其他磁子能级对0-0跃迁的影响，应该使相邻子能级的间距远远大于0-0跃迁的谱线宽度。在微型铯气室上一般需要施加10uT左右的轴向静态磁场用来分离各个塞曼子能级。另外良好的磁屏蔽是必须的，用来屏蔽地磁场以及其他杂散磁场。
以前的发明里或目前使用的芯片级原子钟系统的物理封装中，这个磁场是由线圈通过一定的电流产生的（如图1所示），这需要消耗一定功率。对于手持或野外或海底等电池供电的应用中，降低功耗非常必要。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种低能耗芯片级原子钟物理封装装置，通过新的产生磁场的方法，降低芯片级原子钟物理封装的功耗。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种低功耗芯片级原子钟物理封装装置，包括外部封装、上下支架、框架空间器以及内部元件，所述外部封装由陶瓷封装和底座组成，所述内部元件包括激光器、光电探测器、碱性原子泡气室、1/4波片以及C场偏置模块，所述C场偏置模块包括永磁体组件，所述永磁体组件产生沿物理封装轴向方向的磁场。
上述技术方案中，所述永磁体组件为置于物理封装上支架和下支架两侧的两个极性相反的永磁体，所述永磁体可以为圆形、方形、多边形等不同形状。
上述技术方案中，所述永磁体组件围绕在框架空间器外围。
进一步技术方案，所述永磁体组件为筒形永磁体，所述筒形永磁体可以为圆筒形或方筒形。
进一步技术方案，所述永磁体组件为均匀分布的条形永磁体。
进一步技术方案，所述永磁体组件外围绕有线圈。
进一步技术方案，所述框架空间器外围绕有线圈，所述线圈位于框架空间器和永磁体组件之间。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1．本发明通过永磁体产生的磁场全部或部分代替芯片级原子钟物理封装中的线圈产生的磁场，这样流过线圈的电流就会达到最少，从而最大限度地减少芯片级原子钟物理封装的功耗。
2.本发明通过强永磁体对碱性原子泡气室形成磁场，抵消外界的磁场强度，从而达到使碱性原子进行稳定能级分裂的目的。
3.本发明具有加工简单，易于实现的优点。
附图说明
图1是背景技术中现有的芯片级原子钟物理封装结构示意图。
图2是实施例一中本发明的芯片级原子钟整体系统框图。
图3是实施例一中本发明的芯片级原子钟物理封装结构示意图。
图4是实施例二中产生外加磁场的物理封装结构示意图。
图5和6是实施例三中产生外加磁场的物理封装结构示意图。
图7是实施例四中精确控制外加磁场的物理封装结构示意图。
图8是实施例五中产生外加磁场的物理封装结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：参见图2所示，为芯片级原子钟整体系统框图，主要包括物理封装100和电子学电路两个主要的部分。其中物理封装100可以参见图2所示，主要包含陶瓷封装101、光电探测器110、上支架120、框架空间器130、碱性原子泡气室140、CPT谐振腔150、1/4波片、下支架160、激光器170、C场偏置模块180、加热装置（ITO薄膜）190、和底座102。所述碱金属可以是铷、铯或其他具有超精细能级分裂的碱金属。所述C场偏置模块180可以通过线圈、永磁体或者线圈和永磁体配合来产生，参见图3所示。本发明中所述C场偏置模块180可以通过永磁体来产生或者通过永磁体和线圈配合来产生。这样可以大大减小通过线圈里面的电流，从而最大限度地降低物理封装的功耗。电子学电路主要包含激光器伺服电路200、射频伺服电路300和微控制电路400。
所述物理封装100中的光电探测器110的输出信号端连接至微控制电路400的输入端，微控制电路400的输出端分别连接至激光器伺服电路200和射频伺服电路300，激光器伺服电路200和射频伺服电路300的输出端连接至激光器170的控制端。所述射频伺服电路300包括可编程频率合成器330、环路滤波器320、压控振荡器310和温补晶振340。
微控制系统400首先对射频伺服电路300进行初始化，使得锁相环路锁定到原子超精细能级跃迁的频率上，微控制系统400通过控制进入电调衰减器的电流来控制进入物理封装100的微波功率，使得CPT谐振峰达到最大。判定谐振峰是否达到最大的最直接的方法是提取物理封装内部光电探测器反馈回来的电流信号，经过外围锁相放大电路后将误差信号反馈给微控制系统400，此时微控制系统400对锁相环路300进行编程调整，同时对激光器的电流进行调节，直到系统CPT谐振峰达到最大，使得整个系统锁定。
在CPT原子钟里，选择基态超精细分裂能级的0-0跃迁谱线作为钟跃迁谱线。为此必须外加磁场180，从而分离各个塞曼磁子能级。现有芯片级原子钟系统的物理封装100中，这个磁场180是由线圈通过一定的电流产生的，这需要消耗一定功率。对于手持或野外或海底等电池供电的应用中，降低功耗非常必要。因此本发明采用永磁体产生的磁场全部或部分代替芯片级原子钟物理封装100中的线圈产生的磁场，这样流过线圈的电流就会达到最少，从而最大限度地减少芯片级原子钟物理封装100的功耗。
实施例二：参见图4所示，可以将不同属性的永磁体磁极181放置在物理封装100的两端，永磁体181产生沿物理封装100轴向方向的磁场。该磁场可以用于分离各个塞曼磁子能级，使得基态的0-0磁子能级跃迁作为原子钟的跃迁谱线。所示磁极181可以是圆形、方形、多边形等各种形状。磁极181放置在物理封装上下支架120、160两侧。若是对磁场的精度要求比较高，我们可以同时在物理封装100的框架空间器130外围绕上线圈40，用来微调磁场强度。
实施例三：参见图5和6所示，永磁体还可以是圆筒形182或者方筒形183。圆筒形182或方筒形183永磁体会产生沿物理封装100轴向方向的磁场，将物理封装100放置在圆筒形182或方筒形183永磁体中，永磁体产生的磁场可以实现原子超精细能级分裂的各个塞曼磁子能级分离，从而满足物理封装100正常工作的条件。
实施例四：参见图7所示，若是对磁场的精度要求比较高，可以在永磁体外边绕上线圈40，用于微调磁场强度。永磁体的形状可以是圆筒形182或者方筒形183。或者我们也可以在物理封装100的框架空间器130外面绕上线圈40，然后将绕有线圈40的物理封装100放置在圆筒形182或方筒形183永磁体中。
实施例五：参见图8所示，所述永磁体还可以是均匀分布的条形永磁体184。将均匀分布的条形永磁体184放置在物理封装100的框架空间器130周围，产生沿物理封装100轴向方向的磁场。若是对磁场的精度要求比较高，可以在条形永磁体184周围绕上线圈40，用于微调磁场强度。也可以将物理封装100的框架空间器130外面绕上线圈40，然后将绕有线圈40的物理封装100放置在均匀分布的条状磁铁184中。
由上述实施例可以看出，在本发明中，利用永磁体产生的磁场全部或部分代替现有芯片级原子钟物理封装中的线圈产生的磁场，使得流过线圈的电流达到最少，从而最大限度地减少芯片级原子钟物理封装的功耗。
Claims (7)
1. 一种低功耗芯片级原子钟物理封装装置，包括外部封装、上下支架、框架空间器以及内部元件，所述外部封装由陶瓷封装和底座组成，所述内部元件包括激光器、光电探测器、碱性原子泡气室、1/4波片以及C场偏置模块，其特征在于：所述C场偏置模块包括永磁体组件，所述永磁体组件产生沿物理封装轴向方向的磁场。
2. 根据权利要求1所述的一种低功耗芯片级原子钟物理封装装置，其特征在于：所述永磁体组件为置于物理封装上支架和下支架两侧的两个极性相反的永磁体。
3. 根据权利要求1所述的一种低功耗芯片级原子钟物理封装装置，其特征在于：所述永磁体组件围绕在框架空间器外围。
4. 根据权利要求3所述的一种低功耗芯片级原子钟物理封装装置，其特征在于：所述永磁体组件为筒形永磁体。
5. 根据权利要求3所述的一种低功耗芯片级原子钟物理封装装置，其特征在于：所述永磁体组件为均匀分布的条形永磁体。
6. 根据权利要求3所述的一种低功耗芯片级原子钟物理封装装置，其特征在于：所述永磁体组件外围绕有线圈。
7. 根据权利要求3所述的一种低功耗芯片级原子钟物理封装装置，其特征在于：所述框架空间器外围绕有线圈，所述线圈位于框架空间器和永磁体组件之间。
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