CN110708060B - 一种优化c场电流降低铷钟温度敏感性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种优化C场电流降低铷钟温度敏感性的方法，属于原子频标技术领域。该方法包括下列步骤：(1)、通过测试获取C场电流与温度系数的特性曲线；(2)、设置铷钟的C场电流值为该铷钟温度系数出现拐点时对应的C场电流值，并测试此时铷钟整机的温度系数值；(3)、判断步骤(2)所测得的铷钟整机的温度系数值是否满足指标要求，是，则结束温度系数调试过程；否则，调整C场电流值，直到铷钟整机的温度系数值满足指标要求，从而降低铷钟温度敏感性。本发明降低了铷钟的温度敏感性，提升了铷钟的长期稳定度指标。

Description

一种优化C场电流降低铷钟温度敏感性的方法
技术领域
本发明涉及一种优化C场电流降低铷钟温度敏感性的方法，属于原子频标技术领域。
背景技术
铷钟作为一种高稳定度频率源，其核心功能为提供一路或多路高稳定度的10MHz或5MHz频率信号，其高质量的体现即为具有优良的频率稳定度的。铷原子频标作为锁频环路其基本工作原理是利用铷原子稳定的超精细能级跃迁作为频率标准，将压控振荡器的频率锁定在超精细能级跃迁频率上。其具体锁定原理框图见图1。
实际应用中，铷钟的1s和10s稳定度指标与高稳晶振指标一致，单铷钟的100s、1000s、10000s和天稳定度指标要远优于高稳晶振，但是导航卫星对铷钟的长期稳定度指标要求没有止境，长期稳定度越好，导航卫星的定位精度高，因此需要对铷钟的天稳定度指标进行提升。
为保证铷钟输出的频率信号具有高稳定度指标，需要给铷钟提供一个优良的工作温度，因此铷钟设计时会增加TCB控温电路，使铷钟的温度敏感部件和器件置于控温平台之上(控温点一般会高于实际工作的安装面温度)，当铷钟安装面温度发生波动时，利用TCB电路调节控温平台的温度，减小温度对整机的影响。
为了减小铷钟的温度系数(铷钟温度系数指标是用来表征铷钟外界环境温度变化引起的铷钟频率准确度的变化情况)，铷钟电路设计时，需要尽可能增大铷钟整机控温部分与不控温之间的热阻和提高TCB温控电路的控温增益，保证铷钟控温部分的温度不随外界环境的波动而波动，但是铷钟与外部环境的热交换越小，铷钟的工作温度范围越小，因此，铷钟在设计时不但需要考虑控温和热阻，还需要考虑铷钟的工作温度范围，保证铷钟在整个工作温度范围内温度可控，因此TCB控温可以改善铷钟整机的温度系数，但是不能完全避免外界环境对铷钟整机温度系数的影响，当铷钟整机温度系数指标较高时，需要通过其他方法来调试铷钟的温度系数。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种优化C场电流降低铷钟温度敏感性的方法，提升长期稳定度指标。
本发明的技术解决方案是：一种优化C场电流降低铷钟温度敏感性的方法，该方法包括下列步骤：
(1)、通过测试获取C场电流与温度系数的特性曲线；
(2)、设置铷钟的C场电流值为该铷钟温度系数出现拐点时对应的C场电流值，并测试此时铷钟整机的温度系数值；
(3)、判断步骤(2)所测得的铷钟整机的温度系数值是否满足指标要求，是，则结束温度系数调试过程；否则，调整C场电流值，直到铷钟整机的温度系数值满足指标要求，从而降低铷钟温度敏感性。
所述步骤(1)的具体步骤为：
(1.1)、设置铷钟安装底板温度为铷钟的最高工作温度点，测试预设的不同C场电流时对应的铷钟输出时钟信号频率准确度；
(1.2)、设置铷钟安装底板温度为铷钟最低工作温度点，测试预设的不同C场电流值对应的铷钟输出时钟信号频率准确度；
(1.3)、根据步骤(1.1)和步骤(1.2)的测试结果，计算铷钟在预设的不同C场电流下对应的温度系数值；
(1.4)、对步骤(1.3)计算得到的铷钟在预设的不同C场电流下对应的温度系数值进行拟合，得到C场电流与温度系数的特性曲线。
所述频率准确度为铷钟输出时钟信号频率与铷钟标称频率之间的差。
所述步骤(1.1)和(1.2)中不同C场电流Ik为：
Ik＝I0+k·ΔI,k＝1～N
其中，I0为铷钟物理部分能够正常工作时的最小C场电流值；
ΔI为C场电流的设置步进；
k为C场电流的步进的累加次数；
N为不同C场电流值的总数。
所述N不低于50。
铷钟在预设C场电流下对应的温度系数值为该C场电流下铷钟在其工作温度范围内频率准确度的变化除以工作温度范围得到。
所述步骤(1)测试时铷钟的状态与最终使用状态保持一致。
所有步骤在铷钟进行温控处理之后进行。
所述步骤(4)调整C场电流值的具体过程为：以铷钟温度系数出现拐点时对应的C场电流值为C场电流基准值，在该C场电流基准值的基础上按照预设的步长增加或者减小C场电流值。
所述步长设置为0.2mA～0.4mA。
本发明与现有方法相比具有的优点为：
(1)、本发明利用了C场电流与温度系数的关系，在铷钟整机调试温度系数调试过程中或其它调整方式的基础上，进一步对铷钟的温度系数进行调整，降低了铷钟温度敏感性，提升了铷钟的长期稳定度指标。
(2)、本发明测试获取C场电流与温度系数的特性曲线的方法简单，易于实现。
(3)、本发明属于调整温度系数的新方法，减少了铷钟整机温度系数的调试难度。
附图说明
图1为本发明实施例铷钟工作原理框图；
图2为本发明实施例利用C场电流优化温度系数的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细描述。
经分析研究，铷钟长期稳定度指标的提升与物理部分光频移、微波功率稳定性和整机温度系数等因素有关，因此要提高铷钟长期稳定度指标，需要改善物理部分光频移、微波功率稳定性和整机温度系数。
本发明主要针对影响整机长期稳定度指标的温度系数进行研究，提出了一种优化C场电流降低铷钟温度敏感性、改善整机温度系数的方法。
C场电路在铷钟整机中的作用：
在铷钟整机中，C场电路实则为一个恒流源，为C场线圈提供恒定不变的电流，C场线圈在恒定电流的作用下，产生一个和微波磁场指向平行的弱静磁场。它的作用有两个：其一是让87Rb原子基态超精细能级进一步分裂，选出两个mF＝0的子能级，使铷钟的原子跃迁频率稳定，不易受外磁场的影响，而将其它mF＝0的子能级间的跃迁均排出环路的捕捉带外；其次在需要时可用调节C场的方法微调整机输出频率。
C场电流大小与整机温度系数的关系及调整方法：
通过上述研究发现铷钟整机中的C场电流的大小对整机输出的频率准确度有调节作用，且C场电流不同时，铷钟输出频率对外部环境变化的敏感性不同，因此可以通过调节C场电流的大小调节整机的温度系数。
本发明方法利用C场与频率准确度的对应关系，测试不同C场电流下铷钟频率准确度随温度变化的曲线，计算铷钟的温度系数，找出铷钟温度敏感性最低的点，再查找对应的C场电流值，最后设置铷钟C场电流。
如图2所示，本发明提供的优化C场电流降低铷钟温度敏感性的方法包括如下步骤：
(1)、通过测试获取C场电流与温度系数的特性曲线；
(1.1)、设置铷钟安装底板温度为铷钟的最高工作温度点，测试预设的不同C场电流时对应的铷钟输出时钟信号频率准确度；所述频率准确度为铷钟输出时钟信号频率与铷钟标称频率之间的差；
所述不同C场电流Ik为：
Ik＝I0+k·ΔI,k＝1～N
其中，I0为铷钟物理部分能够正常工作时的最小C场电流值；
ΔI为C场电流的设置步进；
k为C场电流的步进的累加次数；
N为不同C场电流值的总数。
(1.2)、设置铷钟安装底板温度为铷钟最低工作温度点，测试预设的不同C场电流值对应的铷钟输出时钟信号频率准确度；这个步骤中C场温度系数与步骤(1.1)中的相同。
(1.3)、根据步骤(1.1)和步骤(1.2)的测试结果，计算铷钟在预设的不同C场电流下对应的温度系数值；
铷钟在预设C场电流下对应的温度系数值为该C场电流下铷钟在其工作温度范围内频率准确度的变化除以工作温度范围得到。
具体采用如下公式计算得到：
温度系数值|C场电流＝(铷钟在最高工作温度点的频差|C场电流-铷钟在最低工作温度点的频差|C场电流)÷工作温度范围。
(1.4)、对步骤(1.3)计算得到的铷钟在预设的不同C场电流下对应的温度系数值进行拟合，得到C场电流与温度系数的特性曲线。
(2)、设置铷钟的C场电流值为该铷钟温度系数出现拐点时对应的C场电流值，并测试此时铷钟整机的温度系数值；
(3)、判断步骤(2)所测得的铷钟整机的温度系数值是否满足指标要求，是，则结束温度系数调试过程；否则，调整C场电流值，直到铷钟整机的温度系数值满足指标要求，从而降低铷钟温度敏感性。
所述步骤(1)测试时铷钟的状态与整机状态保持一致。
所有步骤在铷钟进行温控处理之后进行。
所述步骤(4)调整C场电流值的具体过程为：以铷钟温度系数出现拐点时对应的C场电流值为C场电流基准值，在该C场电流基准值的基础上按照预设的步长增加或者减小C场电流值。
例如：
第一次调整值为：基准值+步长；
第二次调整值为：基准值-步长；
第三次调整值为：基准值+2×步长；
第四次调整值为：基准值-2×步长
所述步长设置为0.2mA～0.4mA。
实施例：
首先设置铷钟安装底板温度为最高工作温度点，分别测试不同C场电流时铷钟输出的10MHz信号频率准确度，再设置铷钟安装底板温度为最低工作温度点，分别测试C场电流设置为Ik时铷钟输出的10MHz信号频率准确度。最后计算相同C场电流下铷钟频率准确度的变化情况，除以工作温度范围的值即为铷钟在不同C场电流下的温度系数值，得到C场电流与温度系数特性曲线；然后，找出温度系数最接近零值的C场电流值，再设置C场电流值；对温度系数进行复测，如果铷钟温度敏感性变化较大，则可将C场电流Ik大小进行小幅度调整，使温度敏感性降低。
本说明书中未进行详细描述部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1.一种优化C场电流降低铷钟温度敏感性的方法，其特征在于包括下列步骤：
(1)、通过测试获取C场电流与温度系数的特性曲线；具体步骤为：
(1.1)、设置铷钟安装底板温度为铷钟的最高工作温度点，测试预设的不同C场电流时对应的铷钟输出时钟信号频率准确度；
(1.2)、设置铷钟安装底板温度为铷钟最低工作温度点，测试预设的不同C场电流值对应的铷钟输出时钟信号频率准确度；
(1.3)、根据步骤(1.1)和步骤(1.2)的测试结果，计算铷钟在预设的不同C场电流下对应的温度系数值；
(1.4)、对步骤(1.3)计算得到的铷钟在预设的不同C场电流下对应的温度系数值进行拟合，得到C场电流与温度系数的特性曲线；
(2)、设置铷钟的C场电流值为铷钟温度系数出现拐点时对应的C场电流值，并测试此时铷钟整机的温度系数值；
(3)、判断步骤(2)所测得的铷钟整机的温度系数值是否满足指标要求，是，则结束温度系数调试过程；否则，调整C场电流值，直到铷钟整机的温度系数值满足指标要求，从而降低铷钟温度敏感性。
2.根据权利要求1所述的一种优化C场电流降低铷钟温度敏感性的方法，其特征在于所述频率准确度为铷钟输出时钟信号频率与铷钟标称频率之间的差。
3.根据权利要求1所述的一种优化C场电流降低铷钟温度敏感性的方法，其特征在于所述步骤(1.1)和(1.2)中不同C场电流Ik为：
Figure FDA0004053632260000011
其中，I0为铷钟物理部分能够正常工作时的最小C场电流值；
ΔI为C场电流的设置步进；
k为C场电流的步进的累加次数；
N为不同C场电流值的总数。
4.根据权利要求3所述的一种优化C场电流降低铷钟温度敏感性的方法，其特征在于所述N不低于50。
5.根据权利要求1所述的一种优化C场电流降低铷钟温度敏感性的方法，其特征在于铷钟在预设C场电流下对应的温度系数值为该C场电流下铷钟在其工作温度范围内频率准确度的变化除以工作温度范围得到。
6.根据权利要求1所述的一种优化C场电流降低铷钟温度敏感性的方法，其特征在于所述步骤(1)测试时铷钟的状态与最终使用状态保持一致。
7.根据权利要求1所述的一种优化C场电流降低铷钟温度敏感性的方法，其特征在于所有步骤在铷钟进行温控处理之后进行。
8.根据权利要求1～7任一项所述的一种优化C场电流降低铷钟温度敏感性的方法，其特征在于所述步骤(3)调整C场电流值的具体过程为：以铷钟温度系数出现拐点时对应的C场电流值为C场电流基准值，在该C场电流基准值的基础上按照预设的步长增加或者减小C场电流值。
9.根据权利要求8所述的一种优化C场电流降低铷钟温度敏感性的方法，其特征在于所述步长设置为0.2mA～0.4mA。
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