CN207218669U - 一种原子频标装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种原子频标装置，包括物理单元、电子线路和用户终端；所述物理单元包括物理系统和量子鉴频模块；所述电子线路包括综合器、倍混频模块、伺服锁相放大模块、压控晶振模块；所述用户终端包括终端输出模块；本实用新型通过伺服电路将物理系统输出的量子鉴频信号转变为直流纠偏电压，来控制压控晶体振荡器的输出频率，从而完成环路的锁定。经改进后，相噪指标得到了有效改善。

Description

一种原子频标装置

技术领域

本实用新型涉及原子频标领域，具体涉及一种原子频标装置。

背景技术

原子钟利用原子的超精细能级间跃迁所辐射的频率对时间进行度量。由于它计时的准确性和稳定性，原子钟在过去的五十年中已成为航空航天、导航定位、通信以及科学测量等领域中不可或缺的器件之一。

原子钟主要包括物理部分和线路部分，是高稳定度晶体振荡器的物理锁定系统，其性能主要取决于物理部分和线路部分的配合。通常情况下，物理部分由于受到外界温度变化和自身老化等因素的影响而不能达到理想的效果，同时由于线路部分需要通过多级倍频、混频、合成等复杂频率变换，将物理部分跃迁频率锁定到高稳定度晶体振荡器上，在这个过程中，会引入附加噪声，影响了原子钟的短期稳定度指标。

针对物理部分和线路部分的不足，需要进行改进。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：提出一种改进的原子频标装置。

本实用新型为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种原子频标装置，包括物理单元、电子线路和用户终端；

所述物理单元包括物理系统和量子鉴频模块；

所述电子线路包括综合器、倍混频模块、伺服锁相放大模块、压控晶振模块；

所述用户终端包括终端输出模块；

所述物理系统输出原子跃迁频率信号到所述量子鉴频模块，所述压控晶振模块分别输出微波信号到所述倍混频模块和综合器，所述倍混频模块的调制受控端连接到所述综合器的调制控制端，所述倍混频模块输出的微波探测信号到所述量子鉴频模块；

所述量子鉴频的信号输出端连接到所述伺服锁相放大模块，所述伺服锁相放大模块的控制端通过增益控制模块连接到所述压控晶振模块的受控端，所述压控晶振模块还输出信号给所述终端输出模块。

进一步的，还包括温控模块，所述温控模块作用于所述压控晶振模块，适于调节所述压控晶振的工作温度。

进一步的，所述综合器还输出同步参考信号到所述伺服锁相放大模块；

所述综合器包括DDS模块、第一滤波模块和第一微处理器，所述DDS模块的信号输出到所述第一滤波模块，所述DDS模块受控于所述微处理器。

进一步的，所述倍混频模块包括倍频器和混频器，所述倍频器包括依次信号连接的相关脉冲产生模块、第二滤波模块、第一放大模块、第三滤波模块和第二放大模块；

所述混频器包括依次信号连接的合成匹配网络模块、混合模块、腔滤波模块、功率放大模块。

进一步的，所述伺服锁相放大模块包括A/D转换模块、第二微处理器和D/A转换模块，所述A/D转换模块和D/A转换模块分别受控于微处理器。

进一步的，所述物理系统包括包围在集成滤光共振泡外部的C场线圈，所述C场线圈适于产生一个和微波磁场方向相平行的弱静磁场，使原子基态超精细结构发生塞曼分裂，并为原子跃迁提供量子化轴；

所述用户终端还包括频率绝对值修正模块，所述频率绝对值修正模块包括并联的一个可调滑动变阻器和一个固定电阻，所述频率绝对值修正模块串联到所述C场线圈。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型通过伺服电路将物理系统输出的量子鉴频信号转变为直流纠偏电压，来控制压控晶体振荡器的输出频率，从而完成环路的锁定。物理系统的量子鉴频交流信号经伺服的采集处理后得到的纠偏电压在一定程度存在噪声的贡献，若经伺服输出直接作用于压控晶振，必然会对整机的稳定度造成影响。在伺服控制环路上采用数字累加平均的方案。即微处理器对获得的数字A/D采集的量子鉴频信号进行累加平均，即可方便地实现周期小于环路响应时间的噪声成份的压缩。影响铷原子频标短稳指标的噪声主要是白噪声。根据信号统计理论，这类噪声通过累加平均可以有效抑制。N次累加平均可以将信噪比提高倍。经改进后，相噪指标得到了有效改善。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的原子频标装置作进一步说明。

图1是本实用新型中原子频标装置的结构框图；

图2是物理系统的结构示意图；

图3是在微波探询信号作用下的量子鉴频输出示意图；

图4是温控模块的电路结构图；

图5是综合器的结构及工作原理框图；

图6是综合器中键控调频与同步参考原理图；

图7是倍频器的原理框图；

图8是混频器的原理框图；

图9是伺服锁相放大模块的电路原理框图；

图10是伺服纠偏原理图；

图11是频率绝对值修正模块的原理示意图；

图12是终端输出模块的原理图；

图13是增益调节模块的原理图。

具体实施方式

根据图1所示，本实用新型中的原子频标装置，包括物理单元、电子线路和用户终端。

其中，物理单元包括物理系统和量子鉴频模块。物理系统是被动型铷原子频标的核心部件，它提供一个频率稳定、线宽较窄的原子共振吸收线，原子频标正是通过将压控晶荡的输出频率锁定在原子共振吸收峰上而获得高稳频率输出。如图2所示，物理系统大致可分为光抽运和共振探测两部分。

光抽运部分中的光谱灯是一个无极放电的铷灯，灯泡内除了充有铷外，还充有激发电位低的惰性启辉气体。常用的启辉气体为Kr或Ar。整个灯由射频源激励发光。同时为了稳定工作，必须在控温电路的辅助下工作在恒温区，大致为120⁰C。

共振探测部分由微波腔、C场、集成滤光共振泡、光电池等组成。

微波腔的主要作用是为原子的微波共振提供合适的微波场，通过耦合环实现耦合的效果。同时受恒温控制，为集成滤光共振泡提供温度恒定的工作环境，大致工作环境温度为70⁰C。

C场线圈的作用是产生一个和微波磁场方向相平行的弱静磁场，使原子基态超精细结构发生塞曼分裂，并为原子跃迁提供量子化轴。为保障原子均匀分裂，C场线圈需要在恒流控制电路的辅助下工作，同时通过调节Ｃ场电流的大小，改变磁场的强度，微调系统的输出频率。同时为了防止外界磁场（例如地磁场）的干扰，需要给整个微波腔体罩上磁屏。

集成滤光共振泡是整个物理系统的关键部件，在集成滤光共振泡中为进行滤光和原子共振，除需要充入适量的⁸⁷Rb及⁸⁵Rb外，还需充入适当压力的混合缓冲气体，以进行荧光焠灭、能级混杂和减小多谱勒频移。集成滤光共振泡中的⁸⁷Rb原子的基态超精细跃迁频率即是铷原子频标的量子鉴频参考频率。

选择在800nm处有较好灵敏度的硅光电池，作为集成滤光共振泡透射光的探测器。

为了实现微波共振探测，通过综合模块给微波信号加上一个低频小调频，在调制微波信号的作用下，光电池相应地得到一个频率和调制频率相同的交流输出。如图3所示，图中横坐标表示微波探测信号的频率，纵坐标表示透过集成滤光共振泡的光照射到光电池上产生的光检测电流(经过了电反相)。光电池的输出电流和照射到它上面的光强成正比。

当微波探测信号的中心频率高于原子跃迁频率时（f>fo），光电池的输出信号和微波的调制信号同频反相，经过伺服锁相放大产生一个负DV纠偏电压，使40MHz压控晶体振荡器输出频率变低；当微波探测信号的中心频率低于原子跃迁频率时（f<fo），光电池输出信号和微波调制信号同频同相，经伺服锁相放大产生一个正DV纠偏电压，使40MHz压控晶体振荡器输出频率变高;当微波探测信号的中心频率等于⁸⁷Rb原子0－0跃迁频率时（f＝fo）时，光电池的输出信号频率是微波调制频率的2倍，经过伺服锁相放大的同步鉴相不产生纠偏电压。从而将40MHz压控晶振的输出频率锁在⁸⁷Rb原子的0－0跃迁共振点上。

其中，在被动型铷原子频标中，电子线路的主要作用是产生源于压控石英晶体振荡器的微波探询信号，并将压控石英晶体振荡器的输出频率锁定在铷原子的基态超精细0－0跃迁频率上。

电子线路包括综合器、倍混频模块、伺服锁相放大模块、压控晶振模块。

压控晶振模块是压控晶体振荡器，是激励微波场的初始信号源，并提供标准频率输出，其振荡频率受伺服锁相放大输出的纠偏电压控制，实施中我们选取频率为40MHz的压控晶振。

综合器，由于⁸⁷Rb原子0－0跃迁频率为6.8346875GHz，而实际上由于C场的不均匀等原因可能会导致原子0-0跃迁频率为6.834687××××GHz，为了实现微波探测,我们欲产生近可能接近于6.834687××××GHz的频率信号，其中尾数××××部分由综合器中的DDS给出。同时为了完成伺服锁相放大的同步检测，需要在6.834687××××GHz微波探测信号上加一个键控小调频，此项功能亦由综合器来实现。如图5所示，综合DDS单元内含4－20倍频，在使用片内大于10倍频时，相位噪声要比不使用时大，故在设计时，为减少倍频次数降低附加相噪及考虑得到114.6875MHz频率信号输出需要，拟采用压控晶振40MHz时钟信号作DDS参考信号，经片内6倍频得240MHz信号作为系统时钟。

来自压控晶振VCXO的40MHz频率信号送至综合器中的微处理器及DDS中，用作外部时钟参考源。

微处理器通过软件命令控制字设置DDS的具体频率输出，如选择的DDS为48位，外部时钟选择为40MHz，采用内部6倍PLL，则DDS理论上输出的频率范围为0-240MHz，微处理器通过软件命令控制字改变48位二进制位‘0’或‘1’，从而改变DDS的具体频率输出，其分辨率为（240MHz/2⁴⁸）。具体实施中，为得到114.6875MHz单频信号，则微处理器设置的数字为：（114.6875MHz/240MHz）*2⁴⁸。

微处理器产生一路占空比为1：1的低频方波信号（如：频率为123Hz）送至DDS的FSK引脚，达到键控调频的作用。如图4中的A代表键控调频信号，输送至DDS的FSK引脚，当出现高电平‘1’时，DDS产生频率信号为F1，当出现低电平‘0’时，DDS产生频率信号为F2，其中F1=114.6875MHz-DF，F2=114.6875MHz+DF，这里的2*DF称为调制深度，其大小取值应该小于原子自然线宽的大小，诸如可取300Hz。如图6所示，同时为了完成伺服锁相放大模块的功能，微处理器同时产生一路跟随上述键控调频信号A的频率及占空比相同的，且存在固定相位差（如：相差40⁰）的同步信号B送至锁相放大模块，用以完成同步鉴相。

DDS工作的频率比较高，芯片在工作时会发烫，不但影响正常的电路工作状态，甚至会造成芯片的烧毁，故在设计时考虑将散热片安装在DDS芯片上，其上方与机箱壳相接，以获得更大的散热面。散热片上方通过四个弹簧与盒盖压紧接触，保证长期工作时，DDS芯片与散热片间的良好接触。

为对准实际的物理系统⁸⁷Rb原子中心0-0跃迁频率，满足调试工作的需要，能够方便地改变综合器114.6875MHz频率信号的输出，通过串口通讯的方式来实现此功能，并在相应的微处理器EEPROM寄存器中保存改变了的参数。

在被动型原子频标中，量子系统的光电池、电路系统中的压控晶体振荡器确定以后，调制频率的选择与这些部件的噪声谱密切相关。光电池的闪相噪声具有1/f的频率特性，为避免闪相噪声的影响，需要测量光电池的闪相噪声谱，选择调制频率时，依据测得的光电池闪相噪声谱，在可能的情况下应尽量向高端靠，使闪相噪声的贡献与散弹噪声比可以忽略不计。

晶体振荡器作为系统的本振，它对整机稳定度指标的影响主要是位于调制频率附近的相位噪声。离调制频率愈近，它们对长取样时间的稳定度影响愈大，反之，则对短取样时间的稳定度影响愈大。因此，在选择调制频率时除了考虑光电池闪相噪声之外，还应考虑避开晶体振荡器相位噪声比较强的区域。

综合功能指标：

电源：3.3V（1A）、15V（300mA）

输入：

40MHz信号至DDS

输出：114.6875MHz±f中心频率可调的射频信号；

调制深度可调，即上式中的±f部分，通常要求调制深度要小于物理系统原子的线宽，可取300Hz；

具有键控调频功能，调制频率可选在117Hz。

通讯接口：RS-232。

倍混频模块，包括倍频器和混频器。

关于倍频器，如图7所示，来自于压控晶振的40MHz频率信号送至相关脉冲产生模块生成倍频后的240MHz频率信号，经一级滤波后得到较纯的单频信号，再经后续一级放大、滤二级波电路、二级放大电路产生所需的倍频240Mz信号，并送至混频模块。

倍频器的附加相位噪声等效于一个寄生小调相,最终必然通过频率控制环路恶化整机稳定度。在本电路中拟采用自相关倍频技术，使倍频输入信号零点与输出倍频脉冲的起始点紧密耦合在一起，且倍频脉冲极窄，因此它的相噪低，高次谐波丰富，主旁频抑制比大，效率高，从而使倍频器对整机稳定度的负面影响忽略不计。

功能技术指标：

电源：15V（300mA）

输入：40MHz信号

输出：240MHz信号

输出功率：100mW

主旁频抑制比：－50dB

附加不稳定度：δ（1ms）≤1×10^-10,δ(1S)≤8×10^-13。

关于混频器，通过综合器的调制，从而使微波信号在6.8346875GHz调制边带，作用于吸收泡中的⁸⁷Rb原子，产生共振跃迁。由于整个微波射频链经过了倍频、综合、混频等环节，在最终频率合成时，微波的频谱将是非常丰富的，故微波在加到物理系统之前，要经过腔选频滤波及放大的环节。如图8所示，来自于倍频器的240MHz单频信号，和综合模块的带键控调频的114.6875MHz±DF频率信号共同送至合成匹配网络环节中，其作用是使负载与源阻抗相匹配，使向负载传输最大功率。匹配好的功率信号送至混合环节，采用阶跃二极管完成微波混频，并经过腔滤波的方式得到带键控调频率的6834.6875MHz±DF微波频率信号，并经后级功率放大后送至物理系统。

功能技术指标：

输入：240MHz信号、114.6875MHz±f信号

输出：6834.6875MHz±f信号

输出功率：+4dBm。

伺服锁相放大模块，当加在物理系统中带调制的微波信号中心频率与原子中心频率发生偏离时，物理系统鉴频信号需经伺服电路处理，产生压控晶振纠偏电压，作用于压控晶振，从而将带调制的微波信号中心频率拉回到物理系统中心频率上来。如图9所示，微处理器的内部时钟参考采用经压控晶振输出的40MHz频率信号，并同时产生有固定相位差关系的两路占空比为1：1的方波信号：同步参考和键控调频。

来自于物理系统的量子鉴频信号送至A/D环节，微处理器根据同步参考信号的时序沿来触发A/D采样，并将电压值传递到微处理器中，同时微处理器根据A/D前后两次采样得到的电压值来做差运算，将其结果控制D/A输出，得到纠偏电压DV=V1-V2作用于压控晶振，使压控晶振的频率发生相应变化，其相关时序原理图如10所示，伺服电路将物理系统输出的量子鉴频信号转变为直流纠偏电压，来控制压控晶体振荡器的输出频率，从而完成环路的锁定。物理系统的量子鉴频交流信号经伺服的采集处理后得到的纠偏电压在一定程度存在噪声的贡献，若经伺服输出直接作用于压控晶振，必然会对整机的稳定度造成影响。在伺服控制环路上采用数字累加平均的方案。即微处理器对获得的数字A/D采集的量子鉴频信号进行累加平均，即可方便地实现周期小于环路响应时间的噪声成份的压缩。影响铷原子频标短稳指标的噪声主要是白噪声。根据信号统计理论，这类噪声通过累加平均可以有效抑制。N次累加平均可以将信噪比提高倍。

功能指标：

电源：5V（300mA）、3.3V（200mA）、+12V（500mA）、-12V（500mA）

A/D 16位，2.5V电压基准。

D/A 20位，2.5V电压基准。

伺服电路环路响应时间可调，纠偏电压范围为0至10V。

其中，用户终端包括终端输出模块；如图12所示，由于压控晶振采用的是40Mz的正弦信号源，而对于用户而言，需要获得标准的10MHz输出，故在终端输出模块中需要加入4分频率环节，以使压控晶振的的频率转化为10MHz，同时为了方便用户，提供了本相对的10MHzTTL 方波脉冲同步输出。

可以作为优选的是：还包括温控模块，温控模块作用于压控晶振模块，适于调节压控晶振的工作温度。温度控制模块：里面含有温控芯片（控温用）、以及热敏电阻（测温用）。受中央处理器控制可以设定温度值T，由于整个温度控制模块置于高稳晶振VCXO(温控模块)中，所以中央处理器可以设置对应的工作环境温度、以及获得实际的工作环境温度信息。其原理如图4所示，其中两个R以及R1为具有相同温度系数的电阻，其阻值应该选择与Rk相当。这里R1的值反映了实际工作环境温度T。Rk为一个热敏电阻，它贴于温控模块的表面，用以感知实际的工作环境温度T。故当工作环境温度T无变化时，上图中电桥处于平衡，输送至加热线圈环路的温度补偿电压值为0。一旦工作环境温度T发生变化，则热敏电阻Rk的阻值将变小（温度升高）或变大（温度降低），那么电桥两端存在电压差，经运算放大器A差分放大后变为温度补偿电压输送至电压源，同时输出给传统加热丝线圈环路。整个电路的放大增益由运算放大器的负反馈电阻Rw调节，Rw为一数字电位计，通过调节Rw的阻值以达到上述电路补偿因子改变功能。

可以作为优选的是：用户终端还包括频率绝对值修正模块，频率绝对值修正模块包括并联的一个可调滑动变阻器和一个固定电阻，频率绝对值修正模块串联到C场线圈。如图11所示，在物理系统的设计时，给C场提供恒流源的电路中，串联了一个可调的滑动变阻器Rk，并将该置于整个原子频标的外壳上，同时采用与固定电阻R并联方式防止因调节不慎造成C场无电流的情况，如图8所示。由于用户改变Rk的阻值将直接改变C场线圈子的通电电流，故这种方式直接改变了给物理系统中原子提供分裂的磁场大小，这将引起原子频标原子0-0跃迁的绝对频率值6834.6875MHz的变化，从而起到了频率绝对值修正的目的。

图1中的增益调节模块，结构如图13所示，其中的桥路测温模块与上述所说的温控模块原理一致。压控模块中的桥路测温主要由两个阻值相同的R，一个预设温度值热敏电阻传感器Ro（它决定了VCXO的工作环境温度）及测温热敏电阻Rk组成。当VCXO工作环境温度恒定时，即热敏电阻Rk测量值与预设值Ro相等，此时电阻桥路A、B端输出电压差将为0，整个压控模块输出端Uout输出为0。当VCXO工作环境温度发生改变时，则桥路的A、B端形成一定的电压差，通过电压跟随器A1及A2的传递送至A3进行差分放大，考虑到放大后的电压差能够有效得采集，所以在差分放大A3的输出端增加了一个增益线性调节电路A4。得到的压控模块电压差Uout与伺服锁相放大模块产生的压控电压求和后，送至VCXO模块。

本实用新型的不局限于上述实施例，本实用新型的上述各个实施例的技术方案彼此可以交叉组合形成新的技术方案，另外凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种原子频标装置，其特征在于：包括物理单元、电子线路和用户终端；

所述物理单元包括物理系统和量子鉴频模块；

所述电子线路包括综合器、倍混频模块、伺服锁相放大模块、压控晶振模块；

所述用户终端包括终端输出模块；

所述物理系统输出原子跃迁频率信号到所述量子鉴频模块，所述压控晶振模块分别输出微波信号到所述倍混频模块和综合器，所述倍混频模块的调制受控端连接到所述综合器的调制控制端，所述倍混频模块输出的微波探测信号到所述量子鉴频模块；

所述量子鉴频的信号输出端连接到所述伺服锁相放大模块，所述伺服锁相放大模块的控制端通过增益控制模块连接到所述压控晶振模块的受控端，所述压控晶振模块还输出信号给所述终端输出模块。

2.根据权利要求1所述原子频标装置，其特征在于：还包括温控模块，所述温控模块作用于所述压控晶振模块，适于调节所述压控晶振的工作温度。

3.根据权利要求2所述原子频标装置，其特征在于：所述综合器还输出同步参考信号到所述伺服锁相放大模块；

所述综合器包括DDS模块、第一滤波模块和第一微处理器，所述DDS模块的信号输出到所述第一滤波模块，所述DDS模块受控于所述微处理器。

4.根据权利要求3所述原子频标装置，其特征在于：所述倍混频模块包括倍频器和混频器，所述倍频器包括依次信号连接的相关脉冲产生模块、第二滤波模块、第一放大模块、第三滤波模块和第二放大模块；

所述混频器包括依次信号连接的合成匹配网络模块、混合模块、腔滤波模块、功率放大模块。

5.根据权利要求4所述原子频标装置，其特征在于：所述伺服锁相放大模块包括A/D转换模块、第二微处理器和D/A转换模块，所述A/D转换模块和D/A转换模块分别受控于微处理器。

6.根据权利要求5所述原子频标装置，其特征在于：所述物理系统包括包围在集成滤光共振泡外部的C场线圈，所述C场线圈适于产生一个和微波磁场方向相平行的弱静磁场，使原子基态超精细结构发生塞曼分裂，并为原子跃迁提供量子化轴；

所述用户终端还包括频率绝对值修正模块，所述频率绝对值修正模块包括并联的一个可调滑动变阻器和一个固定电阻，所述频率绝对值修正模块串联到所述C场线圈。