JP2007067681A - ルビジウム原子発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＣ発振回路で構成されるランプ励振器の発振回路は温度変化等に対する周波数変化率が極めて大きく、また、その信号成分がランプ励振器の回路構成部品を搭載したプリント基板上のパターン等を経由して周波数制御部の他の回路に入り込み、ルビジウム原子発振器としての特性を劣化させる。
【解決手段】ＰＬＬ回路４２の位相比較器４２ａに、基準の周波数源としての前記ＶＣＸＯ４０の出力と、分周回路４２ｃを介してランプ励振器１９の出力とが入力する。
前記位相比較器４２ａにおいてＶＣＸＯ４０出力と分周回路４２ｃ出力の位相を比較し、ループ・フィルタ４２ｂによってその位相差に応じた直流電圧を取り出し、該直流電圧レベルを前記ランプ励振器１９の可変容量ダイオードＤ１に、ランプ励振器１９の出力周波数のずれを打ち消すようにその容量値を変化させるよう印加する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ルビジウム原子発振器に関し、特に、ランプ励振器の発振周波数のずれによる影響を抑えて、優れた周波数安定度を有するルビジウム原子発振器に関する。

従来、ルビジウム原子発振器は、光マイクロ波ユニットにおける原子の光・マイクロ波二重共鳴現象を利用して、ルビジウム原子の持つ極めて安定度の高い固有周波数に水晶発振器の発振周波数を同期させた発振器であって、ＳＤＨ等の情報通信の網同期システム、ＧＰＳ機能を用いた位置特定サービス用の基地局等における、周波数安定度の極めて高い基準周波数発生源として用いられている。

図４は、従来のルビジウム原子発振器の一例の構成概要を示す模式図である。本ルビジウム原子発振器５０は、光マイクロ波ユニット１０と、周波数制御部３０と、電圧制御型水晶発振器４０（スレーブ発振器）と、バッファアンプ４１とで構成される。
前記光マイクロ波ユニット（0ptica1 Microwave Unit、以下、ＯＭＵという）１０は、ルビジウム原子が封入されたルビジウムガスセル（以下、単にガスセルという）１１、
ルビジウム原子励起光を発するルビジウムランプ１２、前記ガスセルを通過してくる励起光の検出装置としての太陽電池１３、マイクロ波を発生する逓倍・混変調回路１４、前記ガスセル１１と太陽電池１３と逓倍・混変調回路１４とを収容するキャビティ１５、前記ルビジウムランプ１２を収容する熱筒１６、及び前記ガスセル１１に封入されているルビジウム原子の共鳴周波数を設定するＣ磁場を発生するソレノイド・コイル１７を備えている。

さらに、前記ＯＭＵ１０は、前記ルビジウムガスセル１１を外部の磁場から遮断する磁気シールド構造１８、前記ルビジウムランプ１２を励振するランプ励振器２３、前記逓倍・混変調回路１４に後述の周波数制御回路３０の２つの高周波信号を効率よく伝達する整合回路２０、前記ルビジウムガスセル１１を所定の温度に保つためのガスセル部温度制御回路２１、及び前記熱筒１６を所定の温度に保つための熱筒部温度制御回路２２を備えている。

また、前記周波数制御部３０は、所定の低周波の変調用信号を発生する低周波発振器３１、該低周波発振器３１出力によって前記電圧制御型水晶発振器（以下、ＶＣＸＯという）４０の出力を位相変調する位相変調回路３２と、該位相変調回路３２出力信号の周波数を逓倍する周波数逓倍回路３３と、前記ＶＣＸＯ４０出力信号を所定の周波数に変換する周波数変換回路３４と、前記ＯＭＵ１０の太陽電池１３出力を前記低周波発振器３１出力で位相検波する位相検波回路３５と、該検波出力をもとに前記ＶＣＸＯ４０の制御電圧を生成する制御電圧発生回路３６とで、構成される。

上記構成のルビジウム原子発振器の動作は次のとおりである。先ず、ＯＭＵ１０における光・マイクロ波の二重共鳴現象について説明する。
図５は、ルビジウム原子発振器のＯＭＵ１０における光・マイクロ波の二重共鳴の動作原理を説明する図である。
同図（ａ）に示されるように、通常の熱平衡状態ではガスセル１１中のルビジウム原子は基底準位の（５Ｓ，Ｆ＝１）と（５Ｓ，Ｆ＝２）の各準位に、等しい確率で存在している。
この状態で、ランプ励振器２３によって励振されたルビジウムランプ１２の励起光がガスセル１１に照射されると（５Ｓ，Ｆ＝１）準位のルビジウム原子のみが励起光を吸収して光ポンピングされ、励起準位（５Ｐ準位）へ励起される（同図（ｂ））。

しかし、励起準位（５Ｐ準位）は不安定なエネルギー準位であるので、自然放出によって基底準位である（５Ｓ，Ｆ１）準位と（５Ｓ，Ｆ２）準位に等しい確率で遷移する（同図（ｃ））。
そして、ルビジウムランプ１２の励起光による（５Ｓ，Ｆ１）準位のルビジウム原子の光ポンピングによる５Ｐ準位への励起と、自然放出による５Ｐ準位から（５Ｓ，Ｆ１）準位への遷移、あるいは（５Ｓ，Ｆ２）準位への遷移が繰り返される。これによって、ルビジウム原子は（５Ｓ，Ｆ２）準位にのみ存在する負温度の状態となる（同図（ｄ））。
この負温度の状態で、逓倍・混変調回路１６より輻射されるマイクロ波（以下、輻射マイクロ波という）によって、キャビティ１２が励振されると、ガスセル１１の（５Ｓ，Ｆ２）準位にあるルビジウム原子は誘導放出によって（５Ｓ，Ｆ１）準位に遷移する（同図（ｅ））。
一方、前述の光ポンピングのときに、ガスセル１１のルビジウム原子はルビジウムランプ１２から出力された励起光のエネルギーを吸収するので、励起光検出する太陽電池１３の出力レベルが低下する。

そして、ルビジウム原子が（５Ｓ、Ｆ２）準位から（５Ｓ，Ｆ１）準位に遷移する確率は、輻射マイクロ波の周波数が（５Ｓ，Ｆ２）準位と（５Ｓ，Ｆ１）準位のエネルギー差に対応する周波数(これを共鳴周波数という)に一致した時に最大になり、前記輻射マイクロ波の周波数と共鳴周波数との差が大きくなる程低下する。
即ち、前記太陽電池１３の出力は、前記輻射マイクロ波の周波数が共鳴周波数f0に一致した時に最小になり、輻射マイクロ波の周波数と共鳴周波数f0との差が大きくなる程増加し、最終的には、輻射マイクロ波による誘導放出が起きない状態となり光検出器出力は一定となる。
その結果、ガスセル１１を透過したルビジウムランプ１２の励起光のレベルを光検出装置（太陽電池１３）で検出すると、同図（ｆ）に示されるように、共鳴周波数f0近傍に急激な凹部（ディップ部）を有する光吸収スペクトル曲線がえられる。

上述のＯＭＵ１０における光マイクロ波二重共鳴現象を利用したルビジウム原子発振器５０の動作は次のとおりである。
前記ＶＣＸＯ４０は、その制御端子に印加される制御電圧に応じた発振周波数を出力し、１０ＭＨｚの標準周波数信号をバッファアンプ４１を介して外部へ出力すると共に、その出力信号の一部は周波数制御部３０の位相変調回路３２において低周波発振器３１の出力によって位相変調され、さらに、周波数逓倍回路３３によって１８０ＭＨｚに周波数逓倍され、これが前記ＯＭＵ１０の整合回路２０に供給される。
また、前記ＶＣＸＯ４０の出力信号は、周波数変換回路３４において、５.３１２５ＭＨｚに周波数変換され、これが前記ＯＭＵ１０の整合回路２０に供給される。

前記整合回路２０を介して逓倍・混変調回路１４に供給された１８０ＭＨｚの位相変調信号は、該逓倍・混変調回路１４において、図示しない、例えばステップリカバリダイオードによって６,８４０ＭＨｚに逓倍される。さらに、この６,８４０ＭＨｚと５.３１２５ＭＨｚの両信号が混変調されて、６８３４.６８７５ＭＨｚのマイクロ波が生成され、これが図示しないアンテナを介してキャビティ１５を励振する。

図６は、太陽電池出力を位相検波して得られる出力を説明した図であって、（ａ）は太陽電池出力の説明図、（ｂ）は位相検波出力特性図を示したものである。
前述のように、前記逓倍・混変調回路１４の１８０ＭＨｚの高周波入力信号は、低周波発振器３１出力によって位相変調されているので、キャビティ１５を励振する逓倍・混変調回路１４出力の輻射マイクロ波の周波数は変化する。このため、ガスセル１１における光の吸収量が変わり、太陽電池１３の出力レベルが変化する。
同図（ａ）において、まず、変調に伴う位相偏移が０の時の輻射マイクロ波の周波数がガスセル１１における共鳴周波数f0に等しい時には、該輻射マイクロ波の周波数は前記光吸収スペクトル曲線のディップ部の底付近で変化するので、太陽電池１３の出力は同図のアに示すように、低周波信号を全波整流したような波形になる。

次に、輻射マイクロ波の周波数がガスセルにおける共鳴周波数fOより高い時には、該周波数は光吸収スペクトル曲線のディップ部の右側の立ち上がり部で変化するので、太陽電池１３の出力は同図のイに示す如く、低周波信号と同じ位相で変化する。
一方、輻射マイクロ波の周波数がガスセルにおける共鳴周波数fOより低い時には、該周波数は光吸収スペクトル曲線のディップ部の左側の立ち下がり部で変化するので、太陽電池１３の出力は同図のウに示す如く、低周波信号と逆の位相で変化する。

上述の太陽電池１３の出力信号は、周波数制御回路３０の位相検波回路３５において低周波発振器３１の出力によって位相検波されて、図６(ｂ)の位相検波出力特性図に示されるように、輻射マイクロ波の周波数がガスセル１１における共鳴周波数fOに等しい時には、位相検波回路３５の出力はゼロになり、輻射マイクロ波の周波数がガスセル１１における共鳴周波数f0より低い時には、位相検波回路３５の出力は正の値になり、輻射マイクロ波の周波数がガスセル１１における共鳴周波数fOより高い時には、位相検波回路３５の出力は負の値になる。

上述の位相検波回路３５の出力を制御電圧発生回路３６に供給し、該制御電圧発生回路３６においてこの出力を積分処理することによってＶＣＸＯ４０に供給する制御電圧を生成する。
即ち、この制御電圧発生回路３６出力電圧によって前記ＶＣＸＯ４０の出力周波数は、位相偏移がOの時の輻射マイクロ波の周波数がガスセル１１における共鳴周波数fOに等しくなるように制御される。その結果、ルビジウム原子発振器５０は高精度の１０ＭＨｚの標準周波数信号を前記バッファアンプ４１を介して外部へ供給することができる。
特開２０００−４０９５号公報 "SMALL-SIZED RUBIDIUM OSCILLATOR" 1998 IEEE INTERNATIONAL FREQUENCY CONTROL SYMPOSIUM

しかしながら、従来のルビジウム原子発振器５０のルビジウムランプ１２を点灯・励振するランプ励振器は、コルピッツ型ＬＣ発振回路で構成されるのが一般的である。図７は、従来のランプ励振器の一例を示す回路構成図である。
同図に示されるように、このランプ励振器２３は、発振用トランジスタＱ１と、バイアス用抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４と、発振周波数調整用のトリマーコンデンサＣ１と、固定コンデンサＣ２、Ｃ３と、前記ルビジウムランプ１２を中に挿入した空芯コイルで形成されるインダクタンスＬ１と、で構成される一般的なコルピッツ型のＬＣ発振器である。そして、その発振周波数は、前記コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３とインダクタンスＬ１とで決定される。
そのため、前記ランプ励振器２３の発振周波数は温度変化等による周波数変化率が極めて大きいため周波数安定度が悪く、また、ルビジウムランプ１２を点灯させるために大振幅の信号で発振させるため、その信号成分がランプ励振器２３の回路構成部品を搭載した図示しないプリント基板上のパターンを経由して前記周波数制御部３０の他の回路に回り込み、ルビジウム原子発振器としての特性を劣化させるという問題があった。

本来、位相変調回路３２、周波数逓倍回路３３及び逓倍・混変調回路１４によって6,840ＭＨｚの周波数成分のみが選択出力されるべきであるが、温度変化等によって所定値から変動したランプ励振器２３の発振周波数が前記位相変調回路３２、周波数逓倍回路、逓倍・混変調回路１４に回り込む場合があり、この回り込んだ周波数の高調波成分が悪影響を与えたり、或いは該高調波成分とＶＣＸＯ４０出力の高調波成分との混変調成分が悪影響を与えることがある。
例えば、本ランプ励振器２３が７０ＭＨｚ帯の発振周波数をもつ場合、温度変化等によってその周波数が71.25ＭＨｚに変動した場合、ランプ励振器２３の発振出力の９６次の高調波成分として6,840ＭＨｚが現れる。また、同様に、ランプ励振器の周波数が71.6667ＭＨｚに変動した場合、ランプ励振器２３の発振出力の９６次の高調波成分（6,880.0032ＭＨｚ）とＶＣＸＯの出力の１０ＭＨｚの４次の高調波成分（40ＭＨｚ）との混変調によって6,840ＭＨｚが現れる。

従って、このように不要な6,840ＭＨｚの周波数成分が、周波数逓倍回路３３及び逓倍・混変調回路１４を経て生成される6,840ＭＨｚの信号と互いに干渉し合い、ルビジウム原子発振器１００出力の周波数安定度を極めて低下させるという重大な問題があった。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであって、優れた出力周波数安定度を有するルビジウム原子発振器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１のルビジウム原子発振器においては、ルビジウム原子が封入されたルビジウムランプと、該ルビジウムランプに高周波信号を供給してルビジウム励起光を点灯させるランプ励振手段と、ルビジウム原子が封入されたガスセルと、前記ガスセルを通過した前記ルビジウム励起光を検出する光検出手段と、少なくとも前記ガスセルを収容するキャビティと、前記ガスセルに封入されたルビジウム原子の共鳴周波数に同期した発振信号を出力する電圧制御型圧電発振器（スレーブ発振器）と、前記光検出手段の出力信号から前記電圧制御型圧電発振器の周波数を制御する電圧を生成する手段と、該電圧制御型圧電発振器の出力信号を所定の低周波信号にて位相変調あるいは周波数変調すると共にこれを前記共鳴周波数に等しい中心周波数のマイクロ波に周波数変換して前記キャビティに供給する手段とを備えたルビジウム原子発振器において、
前記ランプ励振手段は、周波数可変手段を有し前記ルビジウム励起光を点灯させるための高周波信号を発生する周波数可変発振器と、該周波数可変発振器の出力周波数と前記電圧制御型圧電発振器の出力周波数とを比較する周波数比較手段とを備え、前記周波数比較手段の出力する信号を前記周波数可変発振器に帰還し、これに基づいて前記周波数可変発振器の出力周波数を前記電圧制御型圧電発振器の出力周波数に同期するよう制御したものであって、前記ルビジウムランプに供給する高周波信号の周波数の変動を抑えるようにしたことを特徴とする。

請求項２においては、請求項１記載のルビジウム原子発振器であって、前記ランプ励振手段は、前記ルビジウム励起光を点灯させるための高周波信号を発生する電圧制御発振器と、該電圧制御発振器の出力信号と前記電圧制御型圧電発振器（スレーブ発振器）の出力信号との位相差あるいは周波数差を検出する位相比較器と、前記位相比較器の出力電圧をフィルタリングしこれを前記電圧制御発振器へフィードバックするループフィルタからなるＰＬＬ回路であることを特徴とする。
また、請求項３においては、請求項２記載のルビジウム原子発振器であって、前記電圧制御発振器と位相比較器との間に、あるいは前記電圧制御型圧電発振器（スレーブ発振器）と位相比較器との間に分周器が挿入されていることを特徴とする。

請求項４においては、ルビジウム原子が封入されたルビジウムランプと、該ルビジウムランプに高周波信号を供給してルビジウム励起光を点灯させるランプ励振手段と、ルビジウム原子が封入されたガスセルと、前記ガスセルを通過した前記ルビジウム励起光を検出する光検出手段と、少なくとも前記ガスセルを収容するキャビティと、前記ガスセルに封入されたルビジウム原子の共鳴周波数に同期した発振信号を出力する電圧制御型圧電発振器（スレーブ発振器）と、前記光検出手段の出力信号から前記電圧制御型圧電発振器の周波数を制御する電圧を生成する手段と、該電圧制御型圧電発振器の出力信号を所定の低周波信号にて位相変調あるいは周波数変調すると共にこれを前記共鳴周波数に等しい中心周波数のマイクロ波に周波数変換して前記キャビティに供給する手段とを備えたルビジウム原子発振器において、
前記ランプ励振手段は、周波数可変手段を有し前記ルビジウム励起光を点灯させるための高周波信号を発生する周波数可変発振器と、基準信号を発生する基準発振器と、該基準発振器の周波数と前記周波数可変発振器の出力周波数とを比較する周波数比較手段とを備え、前記周波数比較手段の出力する信号を前記周波数可変発振器に帰還し、これに基づき前記周波数可変発振器の出力周波数を前記基準信号の周波数に同期するよう制御したものであって、前記ルビジウムランプに供給する高周波信号の周波数の変動を抑えるようにしたことを特徴とする。

請求項５においては、請求項４記載のルビジウム原子発振器であって、前記ランプ励振手段は、前記ルビジウム励起光を点灯させるための高周波信号を発生する電圧制御発振器と、基準信号を発生する基準発振器と、該基準信号と前記電圧制御発振器の出力信号との位相差あるいは周波数差を検出する位相比較器と、前記位相比較器の出力電圧をフィルタリングしこれを前記電圧制御発振器へフィードバックするループフィルタからなるＰＬＬ回路であることを特徴とする。
また、請求項６においては、請求項５記載のルビジウム原子発振器であって、前記電圧制御発振器と位相比較器との間に、あるいは前記基準発振器と位相比較器との間に分周器が挿入されていることを特徴とする。

本発明のルビジウム原子発振器においては、ルビジウム原子発振器のルビジウムランプを点灯・励振するランプ励振器の出力信号と電圧制御型圧電発振器の出力信号とを位相比較して、その位相差の信号レベルをランプ励振器の発振回路における発振周波数を制御する可変容量素子に、周波数変動を抑えるように帰還するよう構成した。
その結果、ランプ励振器の発振回路の温度変化に対する周波数変化を極力抑えることができ、従来のランプ励振器の発振回路において温度変化による発振周波数のずれが生じ、その周波数の高調波成分や、前記高調波成分と前記電圧制御型圧電発振器の高調波成分との混変調によって作り出される不要な周波数成分が、本来、前記電圧制御型圧電発振器出力を逓倍することによって得る所定の高周波信号の周波数と一致し、お互いが干渉してルビジウム原子発振器の特性を劣化させるという問題を解決できる。
したがって、本発明によれば高安定なルビジウム原子発振器を実現する上で著しい効果を発揮する。

本発明を図面に示した実施の形態に基づいて説明する。図１は、本発明に係わるルビジウム原子発振器の実施の一形態例を示す構成概要図である。
同図に示されるように、本ルビジウム原子発振器１００は、光マイクロ波ユニット１０と、周波数制御回路３０と、スレーブ発振器としての電圧制御型水晶発振器（以下、ＶＣＸＯという）４０と、バッファアンプ４１と、ＰＬＬ回路４２とで構成される。
前記光マイクロ波ユニット（0ptica1 Microwave Unit、以下、ＯＭＵという）１０は、ルビジウムガスセル（以下、単にガスセルという）１１、ルビジウムランプ１２、太陽電池１３（光検出手段）、逓倍・混変調回路１４、キャビティ１５、熱筒１６、及びソレノイド・コイル１７を備えている。
さらに、前記ＯＭＵ１０は、磁気シールド構造１８、前記ルビジウムランプ１２を励振するランプ励振器１９、整合回路２０、ガスセル部温度制御回路２１、及び熱筒部温度制御回路２２を備えている。
次に、前記周波数制御部３０は、低周波発振器３１、位相変調回路３２、周波数逓倍回路３３、周波数変換回路３４、位相検波回路３５及び制御電圧発生回路３６で構成される。

そして、前記光マイクロ波ユニット１０の各構成部位は、ランプ励振器１９を除いて、図４に示される従来のルビジウム原子発振器５０における光マイクロ波ユニット１０の同一の符号で示されたガスセル１１、ルビジウムランプ１２、太陽電池１３、逓倍・混変調回路１４、キャビティ１５、熱筒１６、ソレノイド・コイル１７、磁気シールド構造１８、整合回路２０、ガスセル部温度制御回路２１、及び熱筒部温度制御回路２２と同一の構成、機能を有する。
また、前記周波数制御回路３０、ＶＣＸＯ４０及びバッファアンプ４１は、図４の従来のルビジウム原子発振器５０における同一符号で示された周波数制御回路３０、ＶＣＸＯ４０及びバッファアンプ４１と同一の構成、機能を有する。
したがって、上記の共通の符号を有する各構成部位の詳細な機能・動作の説明は省略する。

同図に示されるように、本ルビジウム原子発振器１００においては、ＶＣＸＯ４０の出力信号とランプ励振器１９の出力信号の一部は、それぞれＰＬＬ回路４２に供給され、前記ＶＣＸＯ４０出力を基準周波数信号としたＰＬＬ（Phase Locked Loop）を形成して、前記ランプ励振器１９の出力周波数を制御する。
ここで本発明の最も特徴的な点は、ＰＬＬの基準信号にＶＣＸＯ４０の出力を利用した点にある。なお、このＶＣＸＯ４０はスレーブ発振器として極めて高い周波数安定度のものが要求されるため、通常は恒温槽入りのものが使われる。

図２は、前記ランプ励振器１９及びＰＬＬ回路４２の詳細回路構成図である。同図に示されるように、ランプ励振器１９は、トランジスタＱ１、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、前記ルビジウムランプ１２を中に挿入した空芯コイルで形成されるインダクタンスＬ１、トリマーコンデンサＣ１、固定コンデンサＣ２、Ｃ３、Ｃ４及び可変容量ダイオードＤ１（周波数可変手段）で構成される。
本ランプ励振器１９は、図７の従来のランプ励振器２３のトリマーコンデンサＣ１と接地間に可変容量ダイオードＤ１を挿入すると共に、前記トランジスタＱ１のコレクタと抵抗Ｒ３の接続点と前記ＰＬＬ回路４２間に発振出力の一部を取り出すための固定コンデンサＣ４を接続した構成を有するコルピッツ型のＬＣ発振器であって、その発振周波数は、トリマーコンデンサＣ１、固定コンデンサＣ２、Ｃ３及び後述のＰＬＬ回路４２よりの制御電圧によってその容量値が決定される可変容量ダイオードＤ１及びインダクタンスＬ１とで決定される。

また、前記ＰＬＬ回路４２には、位相比較器４２ａとループ・フィルタ４２ｂと分周回路４２ｃを備え、前記位相比較器４２ａには基準の周波数源としての前記ＶＣＸＯ４０の出力と、前記固定コンデンサＣ４と分周回路４２ｃとを介してランプ励振器１９の出力の一部とが入力する。
前記位相比較器４２ａにおいてＶＣＸＯ４０出力と分周回路４２ｃ出力の位相が比較されて、前記ループ・フィルタ４２ｂによってその位相差に応じた直流電圧が取り出され、該直流電圧が前記ランプ励振器１９のトリマーコンデンサＣ１と可変容量ダイオードＤ１との接続点に印加されて、ランプ励振器１９の出力周波数を制御する。
即ち、ランプ励振器１９の出力周波数が周囲温度変化等によって設定された所定の周波数より変動しようとした場合、周波数変動を打ち消すように可変容量ダイオードＤ１へ制御電圧がフィードバックされるので、ランプ励振器１９の出力周波数は一定周波数に安定化される。

本ルビジウム原子発振器１００において、ＶＣＸＯ４０の標準周波数信号を１０ＭＨｚ、ランプ励振器１９の発振周波数を７０ＭＨｚ帯の周波数とするときには、設定する発振周波数は、ランプ励振器１９の発振周波数が逓倍されて生成される高調波成分、あるいは、ランプ励振器１９の発振周波数が逓倍された高調波成分とＶＣＸＯ４０の発振出力の高調波成分とが混変調を起こして生成される周波数成分が、本来ルビジウム原子発振器１００の前記ＶＣＸＯ４０の発振周波数（１０ＭＨｚ）を周波数逓倍回路３３及び逓倍・混変調回路１４において逓倍して得られるべき６,８４０ＭＨｚと一致して、お互いが干渉しあってルビジウム原子発振器１００の特性を劣化させることのないように、次の周波数は避けて設定する。
（1）71.2596ＭＨｚ ： 71.2596ＭＨｚ×96＝6840ＭＨｚ
（2）70.625ＭＨｚ ： 70.625ＭＨｚ×96＋6×10ＭＨｚ＝6840ＭＨｚ
（3）70.7143ＭＨｚ ： 70.7143ＭＨｚ×98−9×10ＭＨｚ＝6840ＭＨｚ
（4）70.8333ＭＨｚ ： 70.8333ＭＨｚ×96＋4×10ＭＨｚ＝6840ＭＨｚ
（5）71.0000ＭＨｚ ： 71.0000ＭＨｚ×100＋26×10ＭＨｚ＝6840ＭＨｚ
（6）71.1111ＭＨｚ ： 71.1111ＭＨｚ×99−20×10ＭＨｚ＝6840ＭＨｚ
（7）71.42857143ＭＨｚ ： 71.42857143ＭＨｚ×96−16×10ＭＨｚ＝6840ＭＨｚ
（8）71.6667ＭＨｚ ： 71.6667ＭＨｚ×96−4×10ＭＨｚ＝6840ＭＨｚ
（9）71.72043011ＭＨｚ ： 71.72043011ＭＨｚ×93＋17×10ＭＨｚ＝6840ＭＨｚ

図３は、前記ＯＭＵ１０の図示しないアンテナを介して逓倍・混変調回路１４より輻射されるマイクロ波をモニタリングして得られたマイクロ波帯のスプリアス発生状況を示す特性データで、（ａ）は従来のルビジウム原子発振器５０の場合、（ｂ）は本発明のルビジウム原子発振器１００の場合を示す。
同図（ａ）の白丸の部分で示したように、中心周波数6.84ＧＨｚから約35〜37ｋＨｚ程離れたところに発生した大きなレベルのスプリアスが、同図（ｂ）では除去されていて、本発明の効果が著しいことが分かる。

なお、本実施例においては、ＶＣＸＯ４０の出力信号を直接位相比較器４２ａに入力する構成としたが、例えば、ＶＣＸＯ４０の出力信号を分周し、これを位相比較器４２ａに入力しても良い。
また、ランプ励振器１９についても、コルピッツ発振回路に限定されることなく、周波数を可変できるものであれば、どのような回路であっても良い。
また、図２の変形実施例として、温度補償された水晶発振器を備えるようにし、ＶＣＸＯ４０の出力信号の代りに前記水晶発振器の出力を基準信号として、ＰＬＬ回路４２の位相比較器４２ａに入力するようにしても良い。
以上説明したように、本発明は、ランプ励振器の出力周波数の変動を抑えるようにしたので、ルビジウム原子発振器のマイクロ波共鳴周波数の近傍にスプリアスが現れるのを防止するのに極めて有効である。

本発明に係わるルビジウム原子発振器の実施の一形態例を示す構成概要図。 ランプ励振器とＰＬＬ回路の詳細回路構成図。 逓倍・混変調回路より輻射されるマイクロ波をモニタリングして得られたマイクロ波帯のスプリアス発生状況を示す特性データで、（ａ）は従来のルビジウム原子発振器５０の場合、（ｂ）は本発明のルビジウム原子発振器１００の場合。 従来のルビジウム原子発振器の一例の構成概要を示す模式図。 ルビジウム原子発振器のＯＭＵにおける光・マイクロ波の二重共鳴の動作原理を説明する図。 太陽電池出力を位相検波して得られる出力を説明した図で、（ａ）は太陽電池出力の説明図、（ｂ）は位相検波出力特性図。 従来のランプ励振器の一例を示す回路構成図。

符号の説明

１０・・光マイクロ波ユニット（ＯＭＵ）、 １１・・ルビジウムガスセル（ガスセル）、
１２・・ルビジウムランプ、 １３・・太陽電池、 １４・・逓倍・混変調回路、
１５・・キャビティ、１６・・熱筒、１７・・ソレノイド・コイル、１８・・磁気シールド構造、
１９・・ランプ励振器、２０・・整合回路、２１・・ガスセル部温度制御回路、
２２・・熱筒部温度制御回路、 ２３・・ランプ励振器、 ３０・・周波数制御部、
３１・・低周波発振器、 ３２・・位相変調回路、 ３３・・周波数逓倍回路、
３４・・周波数変換回路、３５・・位相検波回路、 ３６・・制御電圧発生回路、
４０・・電圧制御型水晶発振器（ＶＣＸＯ）、４１・・バッファアンプ、４２・・ＰＬＬ回路、
４２ａ・・位相比較器、４２ｂ・・ループ・フィルタ、 ４２ｃ・・分周回路、
５０・・ルビジウム原子発振器、１００・・ルビジウム原子発振器、
Ｃ１・・トリマーコンデンサ、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４・・固定コンデンサ、Ｌ１・・インダクタンス、
Ｑ１・・発振用トランジスタ、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４・・バイアス用抵抗

Claims (6)

1. ルビジウム原子が封入されたルビジウムランプと、該ルビジウムランプに高周波信号を供給してルビジウム励起光を点灯させるランプ励振手段と、ルビジウム原子が封入されたガスセルと、前記ガスセルを通過した前記ルビジウム励起光を検出する光検出手段と、少なくとも前記ガスセルを収容するキャビティと、前記ガスセルに封入されたルビジウム原子の共鳴周波数に同期した発振信号を出力する電圧制御型圧電発振器（スレーブ発振器）と、前記光検出手段の出力信号から前記電圧制御型圧電発振器の周波数を制御する電圧を生成する手段と、該電圧制御型圧電発振器の出力信号を所定の低周波信号にて位相変調あるいは周波数変調すると共にこれを前記共鳴周波数に等しい中心周波数のマイクロ波に周波数変換して前記キャビティに供給する手段とを備えたルビジウム原子発振器において、
   前記ランプ励振手段は、周波数可変手段を有し前記ルビジウム励起光を点灯させるための高周波信号を発生する周波数可変発振器と、該周波数可変発振器の出力周波数と前記電圧制御型圧電発振器の出力周波数とを比較する周波数比較手段とを備え、前記周波数比較手段の出力する信号を前記周波数可変発振器に帰還し、これに基づいて前記周波数可変発振器の出力周波数を前記電圧制御型圧電発振器の出力周波数に同期するよう制御したものであって、前記ルビジウムランプに供給する高周波信号の周波数の変動を抑えるようにしたことを特徴とするルビジウム原子発振器。
2. 前記ランプ励振手段は、前記ルビジウム励起光を点灯させるための高周波信号を発生する電圧制御発振器と、該電圧制御発振器の出力信号と前記電圧制御型圧電発振器（スレーブ発振器）の出力信号との位相差あるいは周波数差を検出する位相比較器と、前記位相比較器の出力電圧をフィルタリングしこれを前記電圧制御発振器へフィードバックするループフィルタからなるＰＬＬ回路であることを特徴とする請求項１記載のルビジウム原子発振器。
3. 前記電圧制御発振器と位相比較器との間に、あるいは前記電圧制御型圧電発振器（スレーブ発振器）と位相比較器との間に分周器が挿入されていることを特徴とする請求項２記載のルビジウム原子発振器。
4. ルビジウム原子が封入されたルビジウムランプと、該ルビジウムランプに高周波信号を供給してルビジウム励起光を点灯させるランプ励振手段と、ルビジウム原子が封入されたガスセルと、前記ガスセルを通過した前記ルビジウム励起光を検出する光検出手段と、少なくとも前記ガスセルを収容するキャビティと、前記ガスセルに封入されたルビジウム原子の共鳴周波数に同期した発振信号を出力する電圧制御型圧電発振器（スレーブ発振器）と、前記光検出手段の出力信号から前記電圧制御型圧電発振器の周波数を制御する電圧を生成する手段と、該電圧制御型圧電発振器の出力信号を所定の低周波信号にて位相変調あるいは周波数変調すると共にこれを前記共鳴周波数に等しい中心周波数のマイクロ波に周波数変換して前記キャビティに供給する手段とを備えたルビジウム原子発振器において、
   前記ランプ励振手段は、周波数可変手段を有し前記ルビジウム励起光を点灯させるための高周波信号を発生する周波数可変発振器と、基準信号を発生する基準発振器と、該基準発振器の周波数と前記周波数可変発振器の出力周波数とを比較する周波数比較手段とを備え、前記周波数比較手段の出力する信号を前記周波数可変発振器に帰還し、これに基づき前記周波数可変発振器の出力周波数を前記基準信号の周波数に同期するよう制御したものであって、前記ルビジウムランプに供給する高周波信号の周波数の変動を抑えるようにしたことを特徴とするルビジウム原子発振器。
5. 前記ランプ励振手段は、前記ルビジウム励起光を点灯させるための高周波信号を発生する電圧制御発振器と、基準信号を発生する基準発振器と、該基準信号と前記電圧制御発振器の出力信号との位相差あるいは周波数差を検出する位相比較器と、前記位相比較器の出力電圧をフィルタリングしこれを前記電圧制御発振器へフィードバックするループフィルタからなるＰＬＬ回路であることを特徴とする請求項４記載のルビジウム原子発振器。
6. 前記電圧制御発振器と位相比較器との間に、あるいは前記基準発振器と位相比較器との間に分周器が挿入されたものであることを特徴とする請求項５記載のルビジウム原子発振器。
   
   

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