CN113659981A - 兰姆凹陷分子时钟 - Google Patents
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Abstract
一种兰姆凹陷分子时钟，属于时间与频率技术领域。所述分子时钟包括谐振式气体腔和CMOS分子饱和波谱芯片，谐振式气体腔内填充极性气体分子，气体腔内极性气体分子的压强为p、温度为T，气体腔的上下表面为可调反射面；CMOS分子饱和波谱芯片包括泵浦信号产生模块、兰姆凹陷探测模块、反射面调控反馈回路、锁相解调放大模块、泵浦信号调控反馈回路、压控晶振模块和小数分频模块。本发明首次提出了利用极性分子旋转谱线的兰姆凹陷提升时钟频率锁定稳定性，提高了当前芯片级分子时钟的短期、中长期、长期稳定性；相较于当前的小型化铷钟、原子钟，在稳定性和功耗占优势的前提下，大大减少制作成本，且具备快速启动的优势，启动时间≤10s。
Description
技术领域
本发明涉及时间与频率技术领域，具体涉及一种兰姆凹陷分子时钟。
背景技术
时钟是为电子系统的协同工作提供时间或频率参考的核心基础器件。在5G高速无线接入网络中，大规模输入输出天线(Massive MIMO)需要同步发射多个射频波形，以利用多径效应提升信道容量。较低的时钟同步精度会降低多径合成效率，限制传输速率，国际电信联盟ITU为此制定的同步时间精度为65ns。此外，5G基站通过测量信号抵达时间实现目标定位，3m定位误差需要的时钟同步精度为10ns。高精度时钟同步需要小型化的高稳时钟作为同步网络的骨干时间基准。
传统的温补晶振(OCXO)存在难以解决的长期频率漂移问题；小型化铷钟长期稳定性优越，但体积功耗较大，价格昂贵；基于相干布局俘获的芯片级原子钟(Chip-ScaleAtomic Clock,CSAC)具有精度高、稳定性好、体积小、功耗低等优势，但其复杂的碱性金属物理封装和混合光电探测结构导致成本高昂且可靠性差。
为了满足电子系统协同工作的需求，分子时钟被研究者提出。分子时钟以全新原理-即旋转谱线锁定实现了“原子钟”级稳定性，具备高温度稳定性和低磁场敏感度；其全电子学架构的成本大大降低了小型化高稳时钟成本，且具有低功耗、快速启动的优势。所谓旋转谱线，是极性气体分子在电磁场作用下产生的量子化的旋转能级的能级跃迁导致的，是分子结构的指纹，具有绝对分辨力，特定分子旋转谱线具有高频率稳定性。图1展示了硫化羰(OCS)分子的旋转谱线，其谱线位于毫米波/亚太赫兹频段，吸收峰值约在0.5THz，由分子转动惯量决定的谱线频率间隔为12.16GHz。
分子时钟的原理图如图2(a)所示，包括气体腔、发射机、接收机和低通滤波反馈回路。其工作原理为：首先，发射机中的压控晶振输出时钟信号，该时钟信号驱动锁相环，产生探测信号，其中心频率接近于分子旋转谱线中心频率。探测信号由调制器对其进行周期性波长调制，调制频率为fm。其次，探测信号通过耦合结构耦合到气体腔中，气体腔束缚极性气体分子(气体种类包括但不仅限于硫化羰OCS气体分子，气体压强为0.1～50帕范围)。再次，与气体分子相互作用后的探测信号通过耦合结构耦合回到接收机中。接收机由平方率检波器和锁相放大器组成，平方率检波器将探测信号转换为基带信号，锁相放大器对基带信号中调制频率fm的各次谐波进行解调，获取其幅值和极性。当连续改变探测信号中心频率，并同时记录各次谐波的幅值和极性，可以得到各阶色散曲线，如图3(a)所示。奇次色散曲线中心存在过零点，该过零点的频率与谱线中心频率一致，过零点附近的色散曲线的幅度与分子时钟的频率偏差成比例。因此，奇次色散曲线可以用于时钟锁定。最后，锁相放大器输出选定的奇次色散曲线电压幅度，其输出传递到低通滤波器以消除高频噪声，并将低通滤波器的输出反馈到压控晶振，构建一阶频率反馈回路。于是，反馈回路闭合后，分子时钟锁定到谱线中心频率。
基于以上原理的分子时钟，其频率稳定性与参考谱线的品质因子Q和谱线探测信噪比SNR的乘积成反比：σy(τ)∝1/(Q×SNR×τ0.5)，其中τ为平均时间。限制当前CSMC(Chip-Scale Molecule Clock，芯片级分子时钟)稳定性的主要因素是谱线线宽受到多普勒展宽、碰壁展宽、压强展宽、和分子饱和效应等因素的影响，其品质因子Q～106与碱性金属电子跃迁谱线的品质因子Q～107相差约一个量级。其中，碰壁展宽、压强展宽和分子饱和效应可以通过系统设计来改善，而分子热运动导致的多普勒展宽成为了限制谱线品质因子的瓶颈，限制了分子时钟的稳定性。
发明内容
本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出了一种兰姆凹陷分子时钟。本发明分子时钟通过构建高Q值的分子旋转谱线的兰姆凹陷，并进行动态频率锁定，提升分子时钟的稳定性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种兰姆凹陷分子时钟，如图5所示，所述分子时钟包括谐振式气体腔和CMOS分子饱和波谱芯片，所述谐振式气体腔内填充极性气体分子，气体腔内极性气体分子的压强为p、温度为T，气体腔的上表面和下表面均为可调反射面；
所述CMOS分子饱和波谱芯片包括泵浦信号产生模块、兰姆凹陷探测模块、反射面调控反馈回路、锁相解调放大模块、泵浦信号调控反馈回路、压控晶振模块和小数分频模块；
CMOS分子饱和波谱芯片中的压控晶振模块产生频率为fxo的信号；泵浦信号产生模块对压控晶振模块产生的频率为fxo的信号进行锁频倍频、信号放大和波长调制，输出频率为fm的调制信号(fm需小于极性气体分子的分子旋转谱线宽度的1/10)、频率为Nfxo的输出信号、以及带波长调制的频率为Mfxo的泵浦信号，M、N均为正数(M和N可以相等或不等)；其中fm调制信号作为锁相解调放大模块的参考信号，输出信号Nfxo为小数分频模块的输入，以产生时钟输出信号，泵浦信号Mfxo馈入谐振式气体腔用于旋转谱线探测；
馈入谐振式气体腔的泵浦信号在谐振式气体腔上下反射面间来回反射，并与谐振式气体腔内的极性气体分子作用，泵浦信号的包络因极性气体分子的吸收而产生周期性改变，输出的信号经兰姆凹陷探测模块耦合检波转化为基带信号，一路输入反射面调控反馈回路，另一路输入锁相解调放大模块；
反射面调控反馈回路根据接收到的基带信号，调节控制可调反射面间距，使得谐振式气体腔的谐振频率与在压强p、温度T下的极性气体分子的旋转谱线中心频率fo重合；
锁相解调放大模块以泵浦信号产生模块输出的调制信号作为参考信号，对兰姆凹陷探测模块输出的基带信号进行滤波、锁相、放大和奇次色散曲线解调，得到奇次色散曲线电压信号，并输入泵浦信号调控反馈回路；
泵浦信号调控反馈回路对接收到的奇次色散曲线电压信号进行信号放大，放大后的信号一路作为模拟反馈输入压控晶振模块，另一路经模数转换后作为数字反馈输入泵浦信号产生模块；
压控晶振模块接收到泵浦信号调控反馈回路的模拟反馈后，调节输出的fxo信号的频率和幅度；泵浦信号产生模块接收到泵浦信号调控反馈回路的数字反馈后，调节泵浦信号的频率(Mfxo)和功率，将谐振式气体腔内的极性气体分子驱动到饱和产生兰姆凹陷谱线，并使得泵浦信号的频率锁定在极性气体分子的兰姆凹陷的中心频率fo(Mfxo＝fo)上，兰姆凹陷的中心频率即为旋转谱线的中心频率；
输出信号输入小数分频模块，产生频率稳定的时钟输出信号，吸收谱线的兰姆凹陷形态对比度越高，时钟输出信号稳定性越好。
进一步地，所述压控晶振模块可以为外加石英晶体的片上振荡器、独立的压控晶振(VCXO)、温补晶振(TCXO)、恒温晶振(OCXO)或者MEMS振荡器(OCMO)等。
进一步地，所述极性气体分子可以为硫化羰(OCS)、水分子(H2O)等。
进一步地，所述谐振式气体腔的直径为1～100mm，高度为1～100mm。
进一步地，气体腔内极性气体分子的压强p＝0.1～10Pa，温度T＝-25℃～100℃。
进一步地，所述泵浦信号产生模块包括调制器、锁相环部分、可调衰减器和耦合器。其中，锁相环部分可以为低频小数分频锁相环和整数分频高频锁相环级联得到，也可以为非级联的小数分频太赫兹锁相环；调制器可以采用模拟调制方式或者周期性地改变小数分频控制字的数字频率实现。
进一步地，所述反射面调控反馈回路通过压电式或机械式执行器等调节谐振式气体腔的上下反射面的间距，进而调控气体腔的谐振频率。
进一步地，兰姆凹陷探测模块中转换为基带信号的方式可以采用平方率检波器，或者超外差接收机与中频平方率检波器结合的方式，以降低检测噪声水平。
进一步地，在泵浦信号产生模块和兰姆凹陷探测模块之间，还可以加入相位/幅度控制模块，以实现主动信号消除和隔离度提升，进而提升分子时钟的频率稳定性。
进一步地，所述时钟输出信号的频率等于压控晶振模块的频率，大小为10MHz～200MHz。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、首次提出了利用极性分子旋转谱线的兰姆凹陷提升时钟频率锁定稳定性；
2、进一步地提高了当前芯片级分子时钟的短期、中长期、长期稳定性；
3、相较于当前的小型化铷钟、原子钟等，在稳定性和功耗占优势的前提下，大大减少制作成本；
4、相较于当前的小型化铷钟、原子钟等，具备快速启动的优势，启动时间≤10s。
附图说明
图1为硫化羰(OCS)分子的旋转谱线(a)以及单根旋转谱线(J＝19←18，fo＝231.061GHz)(b)；
图2为分子时钟原理图(a)以及波长调制谱线探测原理图(b)；
图3为1～4阶色散曲线(a)和奇次色散曲线反馈锁定的原理图(b)；
图4为极性气体分子在谐振腔中与探测信号和反射信号的作用原理图；
图5为本发明提供的兰姆凹陷分子时钟的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的兰姆凹陷分子时钟的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
本发明提出利用旋转谱线的兰姆凹陷来进一步提升分子时钟稳定性，如图4所示，当谐振式气体腔带有反射面时，极性分子可以同时与探测信号和反射信号相互作用。较强的探测信号可以耗尽旋转能级基态上的分子数，造成分子饱和效应，降低吸收率。具有相对热运动速度的分子群(分子群A和分子群B)，对探测和反射信号具有不同的多普勒频率，因而不能被有效耗尽；而相对热运动速度趋近于0的分子群C不存在多普勒频移，可以被有效耗尽。因此谱线中心处会出现低吸收强度的突起，该现象称之为兰姆凹陷(Lamb-dip)。兰姆凹陷由热运动速度趋近于0的分子群所主导，呈现出极窄的线宽，可以提高谱线Q值，改善分子时钟稳定性。
实施例
本实施例仅显示利用硫化羰(O16C12S32)分子在231.061GHz处的旋转谱线(J＝19←18)来设计高稳定分子时钟案例。
本实施例中，谐振式气体腔采用不锈钢材料制成，反射面为机械高度可调节，谐振式气体腔直径为20mm，高度为4-18mm。该谐振腔工作范围为：气体分子压强0.1～1Pa、温度-10℃～+70℃。实施例中气体腔内分子压强为1Pa，温度+20℃。
所述CMOS分子饱和波谱芯片包括压控晶振模块、泵浦信号产生模块、兰姆凹陷探测模块、反射面调控反馈回路、锁相解调放大模块、泵浦信号调控反馈回路和小数分频模块；
其中，压控晶振模块采用外加石英晶体的片上振荡器，产生fxo＝60MHz信号；
泵浦信号产生模块包括调制器、锁相环部分、可调衰减器和耦合器，调制器采用模拟调制器，锁相环部分为第一级锁相环和第二级锁相环级联得到，本实施例中，第一级锁相环为低频小数分频锁相环，第二级锁相环为整数分频高频锁相环；耦合器包括第一耦合器、第一匹配和第一直接耦合。压控晶振模块驱动第一级锁相环产生频率为Nfxo的输出信号输入小数分频模块和第二级锁相环；压控晶振模块驱动调制器产生频率为fm的调制信号(fm需小于极性气体分子的分子旋转谱线宽度的1/10)，一路输入至锁相放大器，另一路经第二级锁相环和可调衰减器产生频率为Mfxo、功率为P的泵浦信号，M、N均为正数(M和N可以相等或不等)。泵浦信号经过第一直接耦合耦合至第一匹配和相位/幅度控制模块，其中第一匹配将泵浦信号匹配至第一耦合器上，并馈入谐振式气体腔中；相位/幅度控制模块连接至第二直接耦合，起主动收发隔离增强作用。
馈入谐振式气体腔的泵浦信号在谐振式气体腔上下反射面间来回反射，并与谐振式气体腔内的极性气体分子作用，泵浦信号的包络因极性气体分子的吸收而产生周期性改变，输出的信号经兰姆凹陷探测模块耦合检波转化为基带信号，一路输入反射面调控反馈回路，另一路输入锁相解调放大模块。兰姆凹陷探测模块包括耦合器部分和检波器，其中，耦合器部分包括第二直接耦合、第二匹配和第二耦合器。第二耦合器同第一耦合器一样起到信号形式转换作用，第二匹配同第一匹配一样可调节，起提高耦合效率作用，泵浦信号在谐振腔中与极性气体分子作用后，经第二耦合器、第二匹配和第二直接耦合后，输入检波器，经平方率检波器转换为基带信号，一路输入反射面调控反馈回路，另一路输入锁相解调放大模块。
反射面调控反馈回路根据接收到的基带信号，利用压电式执行器(PVT传感器)调节可调反射面间距，使得谐振式气体腔的谐振频率与在压强p、温度T下的极性气体分子的旋转谱线中心频率fo重合；
锁相解调放大模块包括基带陷波滤波器、第一可调增益放大器(VGA1)和锁相放大器。兰姆凹陷探测模块输出的基带信号经基带陷波滤波器滤波，以消除强偶次谐波的影响，降低系统性频率偏差；这是由于当时钟锁定时，接收端基带存在波长调制频率fm的强偶次谐波，在高环路增益的情况下，可以导致强信号失真。基带信号经过基带陷波滤波器滤波后，被第一可调增益放大器(VGA1)放大，然后由加载参考的fm调制信号的锁相放大器解调，得到奇次色散曲线电压信号。
泵浦信号调控反馈回路包括第二可调增益放大器(VGA2)和比较器。经锁相解调放大模块后的奇次色散曲线电压信号输入第二可调增益放大器(VGA2)放大后，一路作为模拟反馈输入压控晶振模块，另一路经比较器模数转换后作为数字反馈输入泵浦信号产生模块。本例中模拟反馈电路由第二可调增益放大器(VGA2)直接加载在压控晶振模块上，具备较低增益的模拟反馈电路实现对石英晶体振荡器的粗精度伺服反馈控制；数字反馈电路由比较器连接，控制第一级小数分频锁相环的控制字的更新步进或频率，实现高直流增益和精细的频率控制。采用一阶模拟频率反馈回路的分子时钟存在与环路直流增益成反比的系统性频率偏差，且该偏差随着基带输入直流偏置的漂移而漂移。本实施例以模拟形式和数字形式并用的反馈回路可以在反馈回路中加入直流极点，减小时钟频率误差。
压控晶振模块接收到泵浦信号调控反馈回路的模拟反馈后，调节输出的fxo信号的频率和幅度；泵浦信号产生模块接收到泵浦信号调控反馈回路的数字反馈后(结合压控晶振模块对输出信号的频率和幅度的调节)，调节泵浦信号的频率(Mfxo)和功率，将谐振式气体腔内的极性气体分子驱动到饱和产生兰姆凹陷谱线，并使得泵浦信号的频率锁定在极性气体分子的兰姆凹陷的中心频率fo(Mfxo＝fo)上，兰姆凹陷的中心频率即为旋转谱线的中心频率；
输出信号输入小数分频模块，产生频率稳定的时钟输出信号，吸收谱线的兰姆凹陷形态对比度越高，时钟输出稳定性越好。
Claims (7)
1.一种兰姆凹陷分子时钟，其特征在于，所述分子时钟包括谐振式气体腔和CMOS分子饱和波谱芯片，所述谐振式气体腔内填充极性气体分子，气体腔内极性气体分子的压强为p、温度为T，气体腔的上表面和下表面均为可调反射面；
所述CMOS分子饱和波谱芯片包括泵浦信号产生模块、兰姆凹陷探测模块、反射面调控反馈回路、锁相解调放大模块、泵浦信号调控反馈回路、压控晶振模块和小数分频模块；
CMOS分子饱和波谱芯片中的压控晶振模块产生频率为fxo的信号；泵浦信号产生模块对压控晶振模块产生的频率为fxo的信号进行锁频倍频、信号放大和波长调制，输出频率为fm的调制信号、频率为Nfxo的输出信号、以及带波长调制的频率为Mfxo的泵浦信号，M、N均为正数；其中调制信号作为锁相解调放大模块的参考信号，输出信号为小数分频模块的输入，泵浦信号馈入谐振式气体腔；
泵浦信号馈入谐振式气体腔，经谐振式气体腔后，输出的信号经兰姆凹陷探测模块耦合检波转化为基带信号，一路输入反射面调控反馈回路，另一路输入锁相解调放大模块；
反射面调控反馈回路根据接收到的基带信号，调节控制可调反射面间距，使得谐振式气体腔的谐振频率与在压强p、温度T下的极性气体分子的旋转谱线中心频率重合；
锁相解调放大模块以泵浦信号产生模块输出的调制信号作为参考信号，对兰姆凹陷探测模块输出的基带信号进行滤波、锁相、放大和奇次色散曲线解调，得到奇次色散曲线电压信号，并输入泵浦信号调控反馈回路；
泵浦信号调控反馈回路对接收到的奇次色散曲线电压信号进行信号放大，放大后的信号一路作为模拟反馈输入压控晶振模块，另一路经模数转换后作为数字反馈输入泵浦信号产生模块；
压控晶振模块接收到泵浦信号调控反馈回路的模拟反馈后，调节输出的信号的频率和幅度；泵浦信号产生模块接收到泵浦信号调控反馈回路的数字反馈后，调节泵浦信号的频率和功率，将谐振式气体腔内的极性气体分子驱动到饱和产生兰姆凹陷谱线，并使得泵浦信号的频率锁定在极性气体分子的兰姆凹陷的中心频率上；
输出信号输入小数分频模块，产生时钟输出信号。
2.根据权利要求1所述的兰姆凹陷分子时钟，其特征在于，所述压控晶振模块为外加石英晶体的片上振荡器、压控晶振、温补晶振、恒温晶振或者MEMS振荡器。
3.根据权利要求1所述的兰姆凹陷分子时钟，其特征在于，所述极性气体分子为硫化羰、水。
4.根据权利要求1所述的兰姆凹陷分子时钟，其特征在于，所述谐振式气体腔的直径为1～100mm，高度为1～100mm。
5.根据权利要求1所述的兰姆凹陷分子时钟，其特征在于，所述极性气体分子的压强p＝0.1～10Pa，温度T＝-25℃～100℃。
6.根据权利要求1所述的兰姆凹陷分子时钟，其特征在于，所述兰姆凹陷探测模块中转换为基带信号的方式为平方率检波器，或者超外差接收机与中频平方率检波器结合的方式。
7.根据权利要求1所述的兰姆凹陷分子时钟，其特征在于，在泵浦信号产生模块和兰姆凹陷探测模块之间加入相位/幅度控制模块。
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