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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ausgabe eines Signals einer
Referenzfrequenz ausgehend von der Antwort eines atomaren Resonators auf
ein Treibsignal, welches ihm geschickt wird.
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Atomare
Resonatoren, beispielsweise mit Cäsium, werden aufgrund der Präzision ihres
atomaren Übergangs
verwendet, der eine exakte und sehr stabile Referenzfrequenz definiert.
In der zu diesem Zweck vorgesehenen Vorrichtung synthetisiert man ein
Treibsignal mit der Resonanzfrequenz des Resonators, das man moduliert
an den Resonator sendet, man nimmt das Antwortsignal des Resonators
auf und demoduliert es und steuert die Frequenz eines ersten Oszillators
mittels des demodulierten Signals. Diese Vorrichtungen erlauben
es, ein Signal einer Referenzfrequenz zu erzeugen, das bezüglich der Frequenz
eine große
Genauigkeit und Stabilität
jeweils in einer Größenordnung
von 10–12 und
10–14 besitzt.
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Derartige
Vorrichtungen werden beispielsweise in Raumfahrtanwendungen und
bei der Navigation über
Satellit benötigt.
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Die
Schrift US-A-5 148 122 beschreibt eine Vorrichtung der oben genannten
Art für
einen Cäsiumresonator,
umfassend:
- – einen ersten Oszillator mit
10 MHz, der in der Lage ist, ein erstes Signal zu erzeugen, dessen Frequenz
Funktion des Antwortsignals des Resonators ist;
- – einen
zweiten Oszillator, der ein zweites Signal bei 640 MHz in Abhängigkeit
von einem Steuersignal erzeugt;
- – Mittel
zur Phasenregelung des zweiten Signals in Bezug auf das erste Signal,
welche das Steuersignal erzeugen;
- – Mittel
zur Erzeugung des Signals der Referenzfrequenz und des Treibsignals
oberstromig von dem zweiten Oszillator, welche Frequenzteiler und
Frequenzmultiplikatoren umfassen.
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Es
hat sich gezeigt, dass diese Vorrichtung Nachteile besitzt. Sie
benötigt
eine große
Anzahl von Bauteilen, was sie komplex, schwer und voluminös macht.
Sie verbraucht eine große
Menge Energie und ist kostspielig.
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Die
Schrift Patent Abstracts of Japan, vol. 1999, no. 12, 29. Oktober
1999 und
JP 11 205
138 A (NEC MIYAGI Ltd.), 30. Juli 1999, beschreibt eine Vorrichtung
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Die
Veröffentlichung
1992 IEEE Frequency Control Symposium, "A new RF architecture for cesium frequency
standards", Seiten
134–142,
sieht eine ähnliche
Vorrichtung vor, welche zudem einen dritten Oszillator oberstromig
von den Multiplikator- und Teilerkreisen vorsieht und das Treibsignal
mit der Resonanzfrequenz erzeugt.
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Aufgrund
ihrer größeren Komplexität erzeugt diese
Vorrichtung zudem Störungen
durch elektromagnetische Strahlung, für die der Atomresonator anfällig ist,
aufgrund der Verwendung eines Oszillators mit der Resonanzfrequenz
von selbigem. Zur Neutralisierung dieser Störungen sind Abschirmungen nötig, was
kostspielig, schwer und voluminös
ist.
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Das
Dokument 1999 Joint Meeting EFTF – IEEE IFCS, "Cs Frequency Synthesis:
A New Approach",
Band 2, Seiten 615–619,
beschreibt einen Resonanzfrequenzsynthesizer mit Cäsium, der
Oszillatoren mit 5 MHz, 100 MHz und 6,4 GHz umfasst. Ein regenerativer
analoger Teiler erzeugt ausgehend von dem 6,4 GHz-Oszillator Signale
mit 3,2 GHz und 9,6 GHz. Nach Beimischung eines Signals mit 407,368
MHz zu dem Signal mit 9,6 GHz wird ein Signal mit 9,192 GHz für den Cäsiumresonator
erzeugt.
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Dieser
Synthesizer umfasst ebenfalls eine große Anzahl von Schaltkreisen,
darunter einen analogen regenerativen Teiler, der speziell für diesen Synthesizer
hergestellt werden muss.
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Ziel
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu erhalten, welche die Nachteile
des Standes der Technik überwindet,
von einfacher Struktur ist und nur klassische im Handel erhältliche
Schaltkreise umfasst, und dies in vergleichsweise geringer Anzahl.
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Zu
diesem Zweck sieht die Erfindung eine Vorrichtung zur Ausgabe eines
Signals einer Referenzfrequenz ausgehend von der Antwort eines atomaren
Resonators auf ein Treibsignal, welches ihm geschickt wird, vor,
welche umfasst:
- – einen ersten Oszillator,
der geeignet ist, ein erstes Signal zu erzeugen, dessen Frequenz
Funktion des Antwortsignals des Resonators ist;
- – einen
zweiten Oszillator, der geeignet ist, ein zweites Signal zu erzeugen,
dessen Frequenz gleich einem ganzzahligen Vielfachen derer des ersten
Signals ist, in Abhängigkeit
von einem Steuersignal;
- – Mittel
zur Phasenregelung des zweiten Signals in Bezug auf das erste Signal,
welche das Steuersignal erzeugen;
- – Mittel
zur Erzeugung des Treibsignals ausgehend von dem zweiten Signal;
dadurch
gekennzeichnet, dass sie Mittel zur direkten Lieferung mindestens
eines Referenzsignals ausgehend von dem ersten Signal umfasst, welche
unterstromig von dem ersten Oszillator und oberstromig von dem zweiten
Oszillator angeschlossen sind, und der zweite Oszillator derart
gewählt
ist, dass er ein zweites Signal erzeugt, dessen Frequenz gleich
einem Wert ist, der in einem Bereich von 1 GHz oberhalb und unterhalb
der Resonanzfrequenz des Resonators liegt.
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Dank
der Erfindung erspart man sich Frequenzteiler und Frequenzmultiplikatorkreise
oberstromig des zweiten Oszillators, um das Referenzsignal und das
Treibsignal zu erzeugen.
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Gemäß einem
Merkmal der Erfindung ist der zweite Oszillator derart gewählt, dass
er ein zweites Signal erzeugt, dessen Frequenz im Wesentlichen gleich
einem der zwanzig ganzzahligen Vielfachen der Frequenz des ersten
Signals ist, die am nächsten an
der Resonanzfrequenz des Resonators liegen.
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Gemäß anderen
Merkmalen der Erfindung, welche vorteilhafterweise eine Vereinfachung
der Struktur der Vorrichtung erlauben:
- – ist der
zweite Oszillator derart gewählt,
dass er ein zweites Signal erzeugt, dessen Frequenz in einem Bereich
von 50 MHz oberhalb und unterhalb der Resonanzfrequenz des Resonators
liegt;
- – ist
der zweite Oszillator derart gewählt,
dass er ein zweites Signal erzeugt, dessen Frequenz im Wesentlichen
gleich einem der zwei ganzzahligen Vielfachen der Frequenz des ersten
Signals ist, die am Nächsten
an der Resonanzfrequenz des Resonators liegen.
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Gemäß einem
Merkmal, welches es erlaubt, eine gute Phasenkohärenz zwischen dem ersten und dem
zweiten Signal zu erhalten, umfassen die Mittel zur Phasenregelung
eine logische Frequenzteilerschaltung, die die Frequenz durch das
ganzzahlige Vielfache des zweiten Signals teilt, eine Vergleicherschaltung,
die die Phase des Ausgangs der Teilerschaltung des zweiten Signals
mit der Phase des ersten Signals vergleicht, und einen Generatorkreis 12, der
ein Steuersignal des zweiten Oszillators ausgehend von dem Ausgangssignal
des Vergleicherschaltkreises erzeugt.
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Gemäß einem
anderen Merkmal der Erfindung, welches es gleichzeitig erlaubt,
auf die Multiplikatoren zur Erzeugung des Treibsignals zu verzichten
und zu vermeiden, dass der zweite Oszillator den Resonator stört, ist
der zweite Oszillator derart gewählt,
dass er ein zweites Signal mit einer in Bezug auf die Resonanzfrequenz
des Resonators verschobenen Frequenz erzeugt, wobei die erzeugenden Mittel
unterstromig von dem zweiten Oszillator einen Schaltkreis umfassen,
der geeignet ist, der Frequenz des zweiten Signals eine Frequenz
eines Verschiebungssignals hinzuzufügen bzw. sie von ihr abzuziehen,
um ein Treibsignal zu erzeugen, und einen Schaltkreis zur Ausgabe
des Verschiebungssignals. Auf diese Weise wird es ermöglicht,
die Leistung des Treibsignals einzustellen, die dem Resonator über den
Addier- und/oder Subtrahierschaltkreis für Frequenzen geliefert wird,
um genau die nötige
Leistung an den Resonator zu liefern. Des Weiteren verändern eventuelle
Schwankungen der Leistung des zweiten Signals die Leistung des Treibsignals
nicht wesentlich, wobei letzteres proportional von dem Verschiebungsschaltkreis
gesteuert werden kann. So löst man
die Probleme der Alterung des zweiten Oszillators.
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Bei
einer Ausführungsform
ist der Addier- und/oder Subtrahierschaltkreis von einem Mischschaltkreis
gebildet, beispielsweise mit Einseitenband.
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Bei
einer Ausführungsform
umfasst der Schaltkreis zur Ausgabe des Verschiebungssignals einen
digitalen Frequenzsynthesizer, der auf das erste Signal synchronisiert
ist.
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Gemäß einem
Merkmal der Erfindung umfassen die Mittel zur Erzeugung des Treibsignals
unterstromig von dem zweiten Oszillator nur Schaltkreise, die eine
Frequenz zu dem zweiten Signal addieren und/oder von ihm subtrahieren.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung, welche geeignet ist, um Signale einer Referenzfrequenz
ausgehend von der Antwort eines atomaren Resonators mit Cäsium zu
erzeugen, ist der zweite Oszillator in der Lage, ein zweites Signal
von 9200 MHz zu erzeugen, und der erste Oszillator ist in der Lage,
ein erstes Signal von 10 MHz zu erzeugen.
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Gemäß einem
Merkmal der Erfindung umfasst die Vorrichtung als Oszillatoren nur
den ersten und den zweiten Oszillator.
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Die
Erfindung wird besser verstanden werden mit Hilfe der folgenden
Beschreibung, die auf die rein beispielhaft gegebene Zeichnung Bezug
nimmt, welche schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erzeugen
einer Referenzfrequenz darstellt.
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Die
Vorrichtung 1 zum Erzeugen einer Referenzfrequenz wird
beschrieben unter Bezugnahme auf einen Resonator R mit Cäsium. Selbstverständlich kann
die Vorrichtung ebenfalls mit jedem anderen atomaren Resonator verwendet
werden, beispielsweise mit einem Resonator mit Rubidium.
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Die
Vorrichtung 1 zum Liefern einer Referenzfrequenz umfasst
einen ersten Oszillator 2, der als Ausgangssignal ein erstes
Signal S1 einer festgelegten Frequenz F0 liefert, welche von einem
Regelsignal geregelt wird, das an einem Regeleingang E1 empfangen
wird. Bei dem ersten Oszillator 2 handelt es sich beispielsweise
um einen VCXO-Oszillator, beispielsweise mit 10 MHz. Der Regeleingang
E1 ist mit einem Steuerschaltkreis C verbunden, der das Regelsignal
in Abhängigkeit
von dem Antwortsignal Sr des Resonators R liefert. Was die Funktionsweise des
Resonators R und des Steuerschaltkreises C betrifft, sei auf das
Dokument US-A-5 148 122 verwiesen, in dem diese Bauteile jeweils
mit den Bezugsziffern 26 und 11 bezeichnet und
in der Spalte 3, Zeile 47 bis Spalte 4, Zeile 51 beschrieben sind.
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Der
Ausgang des ersten Oszillators 2 ist mit einem Schaltkreis 3 zur
Verteilung des ersten Signals S1 und zum Liefern des Referenzsignals
Se verbunden. Selbstverständlich
können
mehrere Referenzsignale von dem Schaltkreis 3 geliefert
werden. Über geeignete
Schaltkreise, die unterstromig von dem Signal Se und dem Erzeugungsschaltkreis 3 angeordnet
sind, können
ebenfalls Referenzsignale erzeugt werden, deren Frequenzen Teiler
der Frequenz des Referenzsignals Se mit 10 MHz sind. Der Schaltkreis 3 umfasst
einen Schaltkreis 3a zur Verteilung der von dem ersten
Signal S1 angetriebenen Leistung, dessen Ausgänge jeweils an einen Isolationsverstärker 3b mit
breitem Band und niedriger Verstärkung
angeschlossen sind, der als Ausgangssignal ein Signal der Frequenz
F0 liefert. Einer oder mehrere Isolationsverstärker 3b liefern als
Ausgangs signal das Referenzsignal Se mit der gleichen Frequenz F0.
Ein Ausgang 4 eines anderen Isolationsverstärkers 3b des
Verteiler- und Erzeugerschaltkreises 3 ist mit einem ersten
Eingang 5 eines Phasenvergleichers 6 verbunden,
der über
einen zweiten Eingang 7 an den Ausgang 8 eines
logischen Frequenzteilers 9 – Breitband – angeschlossen
ist. Der Ausgang 10 des Phasenvergleichers ist mit dem
Eingang 11 eines Schaltkreises 12 zum Erzeugen
eines Steuersignals eines zweiten Mikrowellenoszillators 13 verbunden.
Der Frequenzteiler 9 kann aus mehreren in Kaskaden angeordneten
Stufen gebildet sein.
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Der
Ausgang 14 des Schaltkreises 12 zum Erzeugen des
Steuersignals ist mit einem Eingang E2 zum Steuern eines zweiten
Oszillators 13 verbunden, der an seinem Ausgang 15 in
Abhängigkeit
von dem Signal, welches an seinem Steuereingang E2 anliegt, ein
zweites Signal S2 einer vorbestimmten Frequenz erzeugt. Das zweite
Signal S2 besitzt eine Frequenz, die wenigstens 1 GHz oberhalb oder
unterhalb der Resonanzfrequenz des Resonators R liegt. Die Frequenz
des zweiten Signals ist gleich einem ganzzahligen Vielfachen N der
Frequenz F0 des ersten Signals S1. Das zweite Signal S2 besitzt
eine Frequenz, die nahe bei und unterschiedlich von der Resonanzfrequenz
des Resonators R ist und besitzt eine Frequenz, die gleich einem
der zwanzig ganzzahligen Vielfachen der Frequenz des ersten Signals S1
ist, die am Nächsten
an der Resonanzfrequenz liegen, und beispielsweise gleich einem
der zwei ganzzahligen Vielfachen der Frequenz des ersten Signals
S1, die am Nächsten
an der Resonanzfrequenz liegen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Frequenz des zweiten Signals S2, welche von dem zweiten
Oszillator erzeugt wird, gleich 9200 MHz für einen Cäsiumresonator, der eine Resonanzfrequenz
von 9 192 631 770 Hz besitzt.
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Der
Ausgang 15 des zweiten Oszillators 13 wird an
einen Koppler 16 gesendet, der über einen ersten Eingang 16a mit
dem Eingang 9a des Frequenzteilers 9 verbunden
ist, dessen Teilungsverhältnis
gleich dem vorgenannten ganzzahligen Vielfachen N ist. Das am Ausgang 8 des
Teilers 9 anliegende Signal besitzt eine Grundfrequenz,
welche gleich der Frequenz F0 des ersten Signals ist. Der Schaltkreis 12 zum
Erzeugen des Steuersignals, der Teiler 9 und der Vergleicher 6 sind
so ausgebildet, dass sie einen Schaltkreis bilden, der die Phase
des zweiten Signals S2 auf das erste Signal S1 festlegt.
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Ein
zweiter Ausgang 16b des Kopplers 16 ist an einen
ersten Eingang 17b eines Frequenzmischschaltkreises 17 angeschlossen,
dessen zweiter Eingang 18 ein Frequenzverschiebungssignal
D empfängt,
und dessen Ausgang ein Treibsignal Fat für den atomaren Resonator R
liefert, welches dessen Resonanzfrequenz besitzt. Der Mischschaltkreis 17 führt eine
Addition und/oder Subtraktion der Frequenz des Verschiebungssignal
D zu bzw. von dem zweiten Signal S2 durch. Die Frequenz des Verschiebungssignals
D wird von einem Signal mit sehr niedriger Frequenz, beispielsweise
von einigen 10 Hz, moduliert, welches am Ausgang 19 eines
Erzeugerschaltkreises 20 erzeugt wird. Im vorgenannten
Beispielfall erzeugt der Schaltkreis 20 ein Verschiebungssignal
D von 7,368230 MHz. Der Erzeugerschaltkreis 20 wird beispielsweise
von einem direkten digitalen Niederfrequenzsynthesizer vom Typ DDS
gebildet. Der Erzeugerschaltkreis 20 ist über seinen
Synchronisationseingang 21 synchronisiert, der an einen
Ausgang 22 des Verteilerschaltkreises 3 angeschlossen
ist.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel,
welches es erlaubt, einen weniger kostspieligen Schaltkreis zu erhalten,
besitzt der Mischschaltkreis 17 zwei Seitenbänder und
liefert am Ausgang ein Signal, welches eine Summe von Frequenzen
ist und ein Signal, welches eine Differenz von Frequenzen ist, ausgehend von
dem zweiten Signal S2 und dem Verschiebungssignal D, bei dem vorhergehenden
Beispiel von jeweils 9207,368230 MHz und 9192,631770 MHz.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel,
welches es erlaubt, sich der unerwünschten Effekte zu entledigen,
welche von dem Ausgangssignal bei 9207,368230 MHz hervorgerufen
werden, und eine bessere Genauigkeit und Frequenzstabilität zu erhalten,
ist der Mischschaltkreis 17 ein solcher mit Einseitenband,
das so ausgewählt
ist, dass am Ausgang das Treibsignal Fat mit der Resonanzfrequenz
beibehalten, und das Signal mit der Frequenz von 9207,368230 MHz
abgeschwächt
wird.
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Die
Vorrichtung 1 besitzt ebenfalls eine elektrische Energieversorgung 23 für ihre verschiedenen Bestandteile.
Die Vorrichtung 1 kann ohne Regelung direkt durch die Betätigung eines
auf der Energieversorgung vorgesehenen Schalters 24 eingeschaltet werden.
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Der
erste und der zweite Oszillator 2 und 13 können jeweils
in einer Hochleistungsausführung
gewählt
werden, um eine Genauigkeit und Frequenzstabilität in der Größenordnung von jeweils 10–12 und 10–14 zu
erhalten oder in einer niedrigen Version mit geringer Leistung,
welche weniger kostspielig ist, um eine Genauigkeit und Frequenzstabilität jeweils
in der Größenordnung
von jeweils 10–11 und 10–13 zu
erhalten.