JP2007088538A

JP2007088538A - Rubidium atomic oscillator

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Publication number: JP2007088538A
Application number: JP2005271363A
Authority: JP
Inventors: Tsunenori Shibata; 恒則柴田
Original assignee: Miyazaki Epson Corp
Current assignee: Miyazaki Epson Corp
Priority date: 2005-09-20
Filing date: 2005-09-20
Publication date: 2007-04-05

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a rubidium atomic oscillator with high stability and having an excellent characteristic. <P>SOLUTION: A low pass filter 42a receives a signal with a microwave band extracted by a reception antenna 15 in a cavity 16, detects a beat frequency signal whose frequency is the cut-off frequency of the filter 42a or below, a low frequency amplifier 42b amplifies the beat frequency signal, a rectifier circuit 42c converts an output signal into a DC signal, which a DC amplifier circuit 42d amplifies. A level comparison circuit 42e compares a level of the output of the DC amplifier circuit 42d with a reference level Vref, when the output level is greater than the reference level Vref, the level comparison circuit 42e applies a prescribed DC power to an exciting coil L of a control voltage switching circuit 43 to activate a switch SW, and a control voltage V2 is applied to a variable capacitance diode D1 via a normally-open contact NO of the switch SW. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

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。 The present invention relates to a rubidium atomic oscillator, and more particularly, to a rubidium atomic oscillator having excellent frequency stability while suppressing the influence of a deviation of the oscillation frequency of a lamp exciter.

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。 Conventionally, a rubidium atomic oscillator is an oscillator in which the oscillation frequency of a crystal oscillator is synchronized with the natural frequency of the rubidium atom that is extremely stable, utilizing the optical / microwave double resonance phenomenon of atoms in an optical microwave unit. Therefore, it is used as a reference frequency generation source with extremely high frequency stability in an information communication network synchronization system such as SDH, a base station for a location service using a GPS function, and the like.

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、マイクロ波帯信号モニタ用の受信アンテナ１５、前記ガスセル１１と太陽電池１３と逓倍・混変調回路１４と受信アンテナ１５とを収容するキャビティ１６、前記ルビジウムランプ１２を収容する熱筒１７、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１８を備えている。 FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration outline of an example of a conventional rubidium atomic oscillator. The present rubidium atomic oscillator 50 includes an optical microwave unit 10, a frequency control unit 30, a voltage-controlled crystal oscillator 40 (slave oscillator), and a buffer amplifier 41.
The optical microwave unit (0ptica1 Microwave Unit, hereinafter referred to as OMU) 10 includes a rubidium gas cell (hereinafter simply referred to as a gas cell) 11 in which rubidium atoms are enclosed,
A rubidium lamp 12 for emitting rubidium atomic excitation light, a solar cell 13 as a detection device for excitation light passing through the gas cell, a multiplying / cross modulation circuit 14 for generating microwaves, and a receiving antenna 15 for monitoring microwave band signals The cavity 16 for accommodating the gas cell 11, the solar cell 13, the multiplication / cross modulation circuit 14, and the receiving antenna 15, the thermal cylinder 17 for accommodating the rubidium lamp 12, and the resonance of the rubidium atoms enclosed in the gas cell 11. A solenoid coil 18 for generating a C magnetic field for setting the frequency is provided.

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１９、前記ルビジウムランプ１２を励振するランプ励振器２４、前記逓倍・混変調回路１４に後述の周波数制御回路３０からの２つの高周波信号を効率よく伝達する整合回路２１、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２２、及び前記熱筒１７を所定の温度に保つための熱筒部温度制御回路２３を備えている。 Further, the OMU 10 includes a magnetic shield structure 19 that shields the rubidium gas cell 11 from an external magnetic field, a lamp exciter 24 that excites the rubidium lamp 12, and a frequency / frequency modulation circuit 30 (described later) from the frequency control circuit 30. A matching circuit 21 that efficiently transmits two high-frequency signals, a gas cell temperature control circuit 22 for maintaining the rubidium gas cell 11 at a predetermined temperature, and a thermal cylinder temperature control for maintaining the thermal cylinder 17 at a predetermined temperature. A circuit 23 is provided.

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、該周波数変調回路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。 Further, the frequency control unit 30 phase-modulates the output of the low-frequency oscillator 31 that generates a predetermined low-frequency modulation signal and the voltage-controlled crystal oscillator (hereinafter referred to as VCXO) 40 by the output of the low-frequency oscillator 31. A phase modulation circuit 32, a frequency multiplication circuit 33 for multiplying the frequency of the output signal of the frequency modulation circuit 32, a frequency conversion circuit 34 for converting the VCXO 40 output signal into a predetermined frequency, and an output of the solar cell 13 of the OMU 10 A phase detection circuit 35 that detects a phase using the output of the low frequency oscillator 31 and a control voltage generation circuit 36 that generates a control voltage of the VCXO 40 based on the detection output.

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２４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））。 The operation of the above-configured rubidium atomic oscillator is as follows. First, the optical / microwave double resonance phenomenon in the OMU 10 will be described.
FIG. 5 is a diagram for explaining the operating principle of optical / microwave double resonance in the OMU 10 of the rubidium atomic oscillator.
As shown in FIG. 5A, in a normal thermal equilibrium state, the rubidium atom in the gas cell 11 has an equal probability to the ground levels (5S, F = 1) and (5S, F = 2). Exists.
In this state, when the gas cell 11 is irradiated with the excitation light of the rubidium lamp 12 excited by the lamp exciter 24, only the rubidium atom at the (5S, F = 1) level absorbs the excitation light and is optically pumped. Excited to the excited level (5P level) ((b) in the figure).

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１４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１６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、励起光を検出する太陽電池１３の出力レベルが低下する。 However, since the excited level (5P level) is an unstable energy level, transition is made with the probability equal to the (5S, F1) level and the (5S, F2) level, which are the ground levels, by spontaneous emission. (FIG. (C)).
Then, excitation to the 5P level by optical pumping of the (5S, F1) level rubidium atom by the excitation light of the rubidium lamp 12, and transition from the 5P level to (5S, F1) level by spontaneous emission, or The transition to the (5S, F2) level is repeated. As a result, the rubidium atom is in a negative temperature state that exists only in the (5S, F2) level ((d) in the figure).
When the cavity 16 is excited by microwaves (hereinafter referred to as radiation microwaves) radiated from the multiplication / intermodulation circuit 14 in this negative temperature state, the rubidium at the (5S, F2) level of the gas cell 11. The atoms transit to the (5S, F1) level by stimulated emission ((e) in the figure).
On the other hand, since the rubidium atoms in the gas cell 11 absorb the energy of the excitation light output from the rubidium lamp 12 during the above-described optical pumping, the output level of the solar cell 13 that detects the excitation light decreases.

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になる。
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。 The probability that the rubidium atom transitions from the (5S, F2) level to the (5S, F1) level is the difference in energy between the (5S, F2) level and the (5S, F1) level of the radiation microwave frequency. It becomes the maximum when it coincides with the frequency corresponding to (this is called the resonance frequency), and decreases as the difference between the frequency of the radiation microwave and the resonance frequency increases.
That is, the output of the solar cell 13 is minimized when the frequency of the radiating microwave coincides with the resonance frequency f0, and increases as the difference between the frequency of the radiating microwave and the resonance frequency f0 increases. Is in a state where stimulated emission due to the radiation microwave does not occur, and the photodetector output becomes constant.
As a result, when the level of the excitation light of the rubidium lamp 12 that has passed through the gas cell 11 is detected by the photodetector (solar cell 13), as shown in FIG. Part)).

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。
図４において、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に周波数逓倍されて前記ＯＭＵ１０の整合回路２１に出力される。
さらに、前記ＶＣＸＯ４０の出力信号は、周波数変換回路３４において、５.３１２５ＭＨｚに周波数変換されて前記整合回路２１に出力される。 The operation of the rubidium atomic oscillator 50 utilizing the optical microwave double resonance phenomenon in the OMU 10 described above is as follows.
In FIG. 4, a VCXO 40 outputs an oscillation frequency corresponding to a control voltage applied to its control terminal, outputs a 10 MHz standard frequency signal to the outside via a buffer amplifier 41, and a part of the output signal is The phase is modulated by the output of the low frequency oscillator 31 in the phase modulation circuit 32 of the frequency control unit 30, and further frequency-multiplied to 180 MHz by the frequency multiplication circuit 33 and output to the matching circuit 21 of the OMU 10.
Further, the output signal of the VCXO 40 is frequency converted to 5.3125 MHz in the frequency conversion circuit 34 and output to the matching circuit 21.

前記整合回路２１を介して逓倍・混変調回路１４に供給された１８０ＭＨｚの位相変調信号と５.３１２５ＭＨｚの２つの高周波信号は、該逓倍・混変調回路１４において、図示しない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、これが図示しない送信アンテナを介してキャビティ１６を励振する。尚、受信アンテナ１５は、前記マイクロ波を受信するためのモニタ用のアンテナである。 The 180 MHz phase modulation signal and the 5.33 MHz two high frequency signals supplied to the multiplication / intermodulation circuit 14 via the matching circuit 21 are converted into 6 and 6 by the step recovery diode (not shown) in the multiplication / intermodulation circuit 14. Multiplied to 840 MHz. Further, the 6,840 MHz and 5.3125 MHz signals are intermodulated to generate a 6834.6875 MHz microwave, which excites the cavity 16 via a transmitting antenna (not shown). The receiving antenna 15 is a monitoring antenna for receiving the microwave.

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、（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。
前述したように、前記逓倍・混変調回路１４への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１６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、輻射マイクロ波の中心周波数がガスセル１１における共鳴周波数f0にちょうど等しい時には、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。 FIG. 6 is a diagram for explaining the output obtained by phase detection of the solar cell output, where (a) is an explanatory diagram of the solar cell output, and (b) is a phase detection output characteristic diagram.
As described above, since the 180 MHz high frequency input signal to the multiplication / cross modulation circuit 14 is phase-modulated by the output of the low frequency oscillator 31, the radiation microwave of the multiplication / cross modulation circuit 14 output that excites the cavity 16. The frequency of changes. For this reason, the amount of light absorption in the gas cell 11 changes, and the output level of the solar cell 13 changes.
In FIG. 6A, first, when the center frequency of the radiation microwave is just equal to the resonance frequency f0 in the gas cell 11, the frequency of the radiation microwave changes near the bottom of the dip portion of the light absorption spectrum curve. The output of the battery 13 has a waveform that is obtained by full-wave rectification of the low-frequency signal, as shown in FIG.

次に、輻射マイクロ波の中心周波数がガスセル１１の共鳴周波数f0より高い時には、輻射マイクロ波の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、輻射マイクロ波の中心周波数がガスセル１１の共鳴周波数f0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。 Next, when the center frequency of the radiation microwave is higher than the resonance frequency f0 of the gas cell 11, the frequency of the radiation microwave changes at the rising portion on the right side of the dip portion of the light absorption spectrum curve. As shown in (a) of the figure, it changes with the same phase as the low frequency signal.
On the other hand, when the center frequency of the radiating microwave is lower than the resonance frequency f0 of the gas cell 11, the frequency changes at the falling portion on the left side of the dip portion of the light absorption spectrum curve, so that the output of the solar cell 13 is as shown in FIG. As shown in FIG. 4, the phase changes with the phase opposite to that of the low-frequency signal.

上述の太陽電池１３の出力信号を、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すると、図６(ｂ)に示した位相検波出力特性が得られる。同図に示すように、輻射マイクロ波の中心周波数がガスセル１１の共鳴周波数f0に等しい時には、位相検波回路３５の出力電圧はゼロになる。
一方、輻射マイクロ波の中心周波数がガスセル１１の共鳴周波数f0より低い時には、位相検波回路３５の出力電圧は正の値になり、また、輻射マイクロ波の中心周波数がガスセル１１の共鳴周波数f0より高い時には、位相検波回路３５の出力電圧は負の値になる。 When the output signal of the solar cell 13 is phase-detected by the output of the low-frequency oscillator 31 in the phase detection circuit 35 of the frequency control circuit 30, the phase detection output characteristics shown in FIG. 6B are obtained. As shown in the figure, when the center frequency of the radiation microwave is equal to the resonance frequency f0 of the gas cell 11, the output voltage of the phase detection circuit 35 becomes zero.
On the other hand, when the center frequency of the radiation microwave is lower than the resonance frequency f0 of the gas cell 11, the output voltage of the phase detection circuit 35 becomes a positive value, and the center frequency of the radiation microwave is higher than the resonance frequency f0 of the gas cell 11. Sometimes, the output voltage of the phase detection circuit 35 becomes a negative value.

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得た制御電圧をＶＣＸＯ４０に供給する。
即ち、この制御電圧発生回路３６の出力電圧によって前記ＶＣＸＯ４０の出力周波数は、輻射マイクロ波の中心周波数がガスセル１１の共鳴周波数f0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 The output of the phase detection circuit 35 described above is supplied to the control voltage generation circuit 36, and the control voltage generated by integrating the output in the control voltage generation circuit 36 is supplied to the VCXO 40.
That is, the output frequency of the VCXO 40 is controlled by the output voltage of the control voltage generation circuit 36 so that the center frequency of the radiation microwave is equal to the resonance frequency f 0 of the gas cell 11. As a result, the rubidium atomic oscillator 50 can supply a highly accurate 10 MHz standard frequency signal to the outside via the buffer amplifier 41.
JP 2000-4095 A “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２４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２４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２４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２４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や空間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。 However, the lamp exciter 24 that lights and excites the rubidium lamp 12 of the conventional rubidium atomic oscillator 50 is generally composed of a Colpitts LC oscillation circuit. FIG. 7 is a circuit configuration diagram showing an example of a conventional lamp exciter.
As shown in the figure, the lamp exciter 24 includes an oscillation transistor Q1, bias resistors R1, R2, R3, and R4, an oscillation frequency adjusting trimmer capacitor C1, fixed capacitors C2 and C3, This is a general Colpitts LC oscillator composed of an inductance L1 formed of an air-core coil having the rubidium lamp 12 inserted therein. The oscillation frequency is determined by the capacitors C1, C2, C3 and the inductance L1.
For this reason, the oscillation frequency of the lamp exciter 24 has a very high frequency change rate due to a temperature change or the like, so that the frequency stability is poor. Further, since the rubidium lamp 12 is oscillated with a large amplitude signal, its signal component However, there is a problem that the circuit as a rubidium atomic oscillator is deteriorated by wrapping around to other circuits of the frequency control unit 30 via a pattern or space on a printed circuit board (not shown) on which circuit components of the lamp exciter 24 are mounted. there were.

特に、本来、前記ＶＣＸＯ４０出力が位相変調回路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２４の発振周波数が前記位相変調回路３２、周波数逓倍回路３３、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、あるいは、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２４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２４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２４の周波数が71.6667ＭＨｚに変動した場合、その発振出力の９６次の高調波成分（6,880.0032ＭＨｚ）とＶＣＸＯ４０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。 In particular, the output of the VCXO 40 should originally be selected and output only at a frequency component of 6,840 MHz by the phase modulation circuit 32, the frequency multiplication circuit 33 and the multiplication / mixing modulation circuit 14, but it has fluctuated from a predetermined value due to a temperature change or the like. In some cases, the oscillation frequency of the lamp exciter 24 wraps around the phase modulation circuit 32, the frequency multiplication circuit 33, and the multiplication / intermodulation circuit 14, and the harmonic component of the wraparound frequency has an adverse effect or the harmonics. The cross-modulation component of the wave component and the harmonic component of the VCXO 40 output may have an adverse effect.
For example, when the lamp exciter 24 has an oscillation frequency in the 70 MHz band and the frequency fluctuates to 71.25 MHz due to a temperature change or the like, 6,840 MHz appears as a 96th-order harmonic component of the oscillation output of the lamp exciter 24. . Similarly, when the frequency of the lamp exciter 24 fluctuates to 71.6667 MHz, the 96th harmonic component (6,880.0032 MHz) of the oscillation output and the 10 MHz fourth harmonic component (40 MHz) of the output of the VCXO 40 6,840 MHz appears due to cross modulation.

したがって、このような不要な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あい、ルビジウム原子発振器５０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、高安定で優れた特性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。 Therefore, such unnecessary 6,840 MHz frequency component interferes with the 6,840 MHz signal generated through the frequency multiplication circuit 33 and the multiplication / intermodulation circuit 14, thereby extremely improving the frequency stability of the output of the rubidium atomic oscillator 50. There was a serious problem of lowering.
The present invention has been made to solve the above-described problem, and an object thereof is to provide a rubidium atomic oscillator having high stability and excellent characteristics.

上記課題を解決するため、請求項１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、前記キャビティのマイクロ波帯の信号を受信する受信アンテナ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、前記受信アンテナ受信信号の中から前記共鳴周波数に等しい中心周波数のマイクロ波とスプリアス信号とのビート周波数を検出するビート周波数検出手段と、複数の制御電圧を切替えて前記周波数可変発振器の周波数可変手段に供給する制御電圧切換手段とを備え、前記ルビジウム原子発振器の動作開始時には、前記周波数可変発振器が所定の高周波信号を発振するように、前記制御電圧切換手段より第１の制御電圧を供給し、前記ビート周波数検出手段において所定の周波数帯域内のビート周波数を検出した場合は、前記制御電圧切換手段より前記第１の制御電圧と異なる制御電圧を供給することによって、前記ビート周波数が前記所定の周波数帯域外となるように前記周波数可変発振器の発振周波数を切替えるよう構成したことを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problem, in claim 1, a rubidium lamp in which rubidium atoms are encapsulated, lamp excitation means for supplying a high frequency signal to the rubidium lamp to turn on rubidium excitation light, and rubidium atoms are encapsulated. Voltage control for outputting an oscillation signal synchronized with a resonance frequency of a rubidium atom enclosed in the gas cell, a light detection means for detecting the rubidium excitation light that has passed through the gas cell, a cavity that accommodates at least the gas cell, and the gas cell Piezoelectric oscillator (slave oscillator), means for generating a voltage for controlling the frequency of the voltage controlled piezoelectric oscillator from the output signal of the light detecting means, and the output signal of the voltage controlled piezoelectric oscillator as a predetermined low frequency signal And phase modulation or frequency modulation at the center frequency equal to the resonance frequency Means for supplying to said cavity to frequency conversion in the microwave, the rubidium atomic oscillator and a receiving antenna for receiving a signal in a microwave band of the cavity,
The lamp excitation means includes a frequency variable means and a frequency variable oscillator for generating a high frequency signal for lighting the rubidium excitation light, and a microwave having a center frequency equal to the resonance frequency from the reception signal of the reception antenna; Beat frequency detection means for detecting the beat frequency with the spurious signal, and control voltage switching means for switching a plurality of control voltages to supply to the frequency variable means of the frequency variable oscillator, at the start of operation of the rubidium atomic oscillator, When the first control voltage is supplied from the control voltage switching unit so that the frequency variable oscillator oscillates a predetermined high frequency signal, and the beat frequency detecting unit detects a beat frequency within a predetermined frequency band, By supplying a control voltage different from the first control voltage from the control voltage switching means Wherein the beat frequency is configured to switch the oscillation frequency of the variable frequency oscillator such that said predetermined frequency band.

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において、前記ビート周波数検出手段は、前記受信アンテナの受信信号を所定の遮断周波数で低域濾波するローパスフィルタと、該ローパスフィルタ出力を増幅する低周波増幅回路と、該低周波増幅回路出力を直流化する整流回路と、該整流回路出力を増幅して基準の直流レベルと比較し該基準の直流レベルを越えたときに所定のレベルの電圧を出力するレベル比較回路とから成り、前記制御電圧切換手段は、第１の制御電圧が印加された常時閉回路端子と第２の制御電圧が印加された常時開回路端子と共通端子とを有する切換器と、前記レベル比較回路の出力電圧に従い前記切換器を励磁しこれを切換える励磁コイルとを備え、前記切換器の共通端子から前記第１の制御電圧あるいは第２の制御電圧のいずれか一方を選択して出力したことを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the rubidium atomic oscillator according to the first aspect, the beat frequency detecting means a low-pass filter for low-pass filtering the reception signal of the reception antenna at a predetermined cutoff frequency, and amplifies the low-pass filter output A low-frequency amplifier circuit, a rectifier circuit that converts the output of the low-frequency amplifier circuit into a direct current, a voltage of a predetermined level when the output of the rectifier circuit is amplified and compared with a reference direct-current level and exceeds the reference direct-current level The control voltage switching means has a normally closed circuit terminal to which the first control voltage is applied, a normally open circuit terminal to which the second control voltage is applied, and a common terminal. A switching device and an exciting coil for exciting and switching the switching device in accordance with an output voltage of the level comparison circuit, and the first control voltage is provided from a common terminal of the switching device. It is characterized in that selects and outputs one of the second control voltage.

本発明のルビジウム原子発振器においては、キャビティを励振するマイクロ波帯の信号を受信する受信アンテナの受信信号の中から、該受信信号を所定の遮断周波数を有するローパスフィルタでフィルタリングすることによって、ガスセルに封入されたルビジウム原子の共鳴周波数に等しい中心周波数のマイクロ波とランプ励振器の発振周波数が変動することによって発生するスプリアス信号との差の周波数のビート周波数を検出し、このビート周波数検出信号をもとにランプ励振器の周波数制御回路に印加する制御電圧を、前記ビート周波数が高くなるように構成した。
その結果、周囲温度の変化等によって、ランプ励振器の発振周波数が変動して、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、お互いが干渉しあっ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事前に防止できる。
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。 In the rubidium atomic oscillator of the present invention, the received signal is filtered by a low-pass filter having a predetermined cutoff frequency from the received signal of the receiving antenna that receives the microwave band signal for exciting the cavity. The beat frequency of the difference frequency between the microwave having the center frequency equal to the resonance frequency of the encapsulated rubidium atom and the spurious signal generated by the fluctuation of the oscillation frequency of the lamp exciter is detected, and this beat frequency detection signal is also detected. Further, the control voltage applied to the frequency control circuit of the lamp exciter is configured so that the beat frequency becomes high.
As a result, the oscillation frequency of the lamp exciter fluctuates due to changes in ambient temperature, etc., and is generated by the harmonic component of that frequency, or by the cross modulation of the harmonic component and the harmonic component of the voltage-controlled piezoelectric oscillator. The unnecessary frequency component that coincides with the frequency of the predetermined high-frequency signal obtained by multiplying the output of the voltage-controlled piezoelectric oscillator and interferes with each other to deteriorate the characteristics of the rubidium atomic oscillator. Can be prevented.
Therefore, according to the present invention, a remarkable effect is exhibited in realizing a highly stable rubidium atomic oscillator.

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、ビート周波数検出回路４２と、制御電圧切換回路４３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、受信アンテナ１５、キャビティ１６、熱筒１７、及びソレノイド・コイル１８を備えている。
さらに、前記ＯＭＵ１０は、磁気シールド構造１９、前記ルビジウムランプ１２を励振するランプ励振器２０、整合回路２１、ガスセル部温度制御回路２２、及び熱筒部温度制御回路２３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。 The present invention will be described based on the embodiments shown in the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a rubidium atomic oscillator according to the present invention.
As shown in the figure, the present rubidium atomic oscillator 100 includes an optical microwave unit 10, a frequency control circuit 30, a voltage controlled crystal oscillator (hereinafter referred to as VCXO) 40 as a slave oscillator, a buffer amplifier 41, The beat frequency detection circuit 42 and the control voltage switching circuit 43 are configured.
The optical microwave unit (0ptica1 Microwave Unit, hereinafter referred to as OMU) 10 includes a rubidium gas cell (hereinafter simply referred to as gas cell) 11, a rubidium lamp 12, a solar cell 13 (light detection means), a multiplication / intermodulation circuit 14, and a reception. An antenna 15, a cavity 16, a heat cylinder 17, and a solenoid coil 18 are provided.
The OMU 10 further includes a magnetic shield structure 19, a lamp exciter 20 that excites the rubidium lamp 12, a matching circuit 21, a gas cell temperature control circuit 22, and a thermal cylinder temperature control circuit 23.
Next, the frequency control unit 30 includes a low frequency oscillator 31, a phase modulation circuit 32, a frequency multiplication circuit 33, a frequency conversion circuit 34, a phase detection circuit 35, and a control voltage generation circuit 36.

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２０を除いて、図４に示した従来の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、受信アンテナ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、整合回路２１、ガスセル部温度制御回路２２、及び熱筒部温度制御回路２３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、上記の同一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。 The components of the optical microwave unit 10 are the same as those of the conventional optical microwave unit 10 shown in FIG. 4 except for the lamp exciter 20, the gas cell 11, the rubidium lamp 12, and the sun. Battery 13, multiplication / intermodulation circuit 14, receiving antenna 15, cavity 16, thermal cylinder 17, solenoid coil 18, magnetic shield structure 19, matching circuit 21, gas cell temperature control circuit 22, and thermal cylinder temperature control circuit 23 It has the same configuration and function.
The frequency control circuit 30, the VCXO 40, and the buffer amplifier 41 have the same configuration and function as the frequency control circuit 30, the VCXO 40, and the buffer amplifier 41 indicated by the same reference numerals in the conventional rubidium atomic oscillator 50 of FIG.
Therefore, the detailed description of the function / operation of each component having the same reference numerals is omitted.

図２は、前記ランプ励振器２０、ビート周波数検出回路４２及び制御電圧切換回路４３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２０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２０は、図７に示したランプ励振器２４において、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を追加したものであって、該トリマーコンデンサＣ１と可変容量ダイオードＤ１との接続点に後述する周波数制御電圧を印加するよう構成したコルピッツ型のＬＣ発振器である。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、後述の制御電圧切換回路４３よりの制御電圧によってその容量値が決まる可変容量ダイオードＤ１及びインダクタンスＬ１で決定される。 FIG. 2 is a detailed circuit configuration diagram of the lamp exciter 20, the beat frequency detection circuit 42 and the control voltage switching circuit 43.
As shown in the figure, the lamp exciter 20 includes a transistor Q1, resistors R1, R2, R3, R4, an inductance L1 formed by an air-core coil having the rubidium lamp 12 inserted therein, a trimmer capacitor C1, a fixed Consists of capacitors C2 and C3 and a variable capacitance diode D1 (frequency variable means).
This lamp exciter 20 is obtained by adding a variable capacitance diode D1 between the trimmer capacitor C1 and the ground in the lamp exciter 24 shown in FIG. 7, and a connection point between the trimmer capacitor C1 and the variable capacitance diode D1. The Colpitts type LC oscillator is configured to apply a frequency control voltage to be described later. The oscillation frequency is determined by the trimmer capacitor C1, the fixed capacitors C2 and C3, the variable capacitance diode D1 whose capacitance value is determined by the control voltage from the control voltage switching circuit 43 described later, and the inductance L1.

また、ビート周波数検出回路４２は、所定の遮断周波数を備えたローパスフィルタ４２ａと、該ローパスフィルタ４２ａ出力信号を増幅する低周波増幅器４２ｂと、該低周波増幅器４２ｂ出力を直流化する整流回路４２ｃと、直流増幅回路４２ｄと、該直流増幅回路出力と基準電圧Ｖｒｅｆと比較するレベル比較回路４２ｅと、で構成される。
さらに、制御電圧切換回路４３は、直流電源Ｖ１が接続された常時閉路端子ＮＣと、直流電源Ｖ２が接続された常時開路端子ＮＯとを有する切換器ＳＷと、前記切換器ＳＷを切換える励磁コイルＬを備え、切換器ＳＷの共通端子Ｃより前記Ｖ１、Ｖ２のいずれか一方が周波数制御電圧として選択出力される。 The beat frequency detection circuit 42 includes a low-pass filter 42a having a predetermined cutoff frequency, a low-frequency amplifier 42b that amplifies the output signal of the low-pass filter 42a, and a rectifier circuit 42c that converts the output of the low-frequency amplifier 42b into a direct current. A DC amplifier circuit 42d, and a level comparison circuit 42e that compares the output of the DC amplifier circuit with a reference voltage Vref.
Further, the control voltage switching circuit 43 includes a switch SW having a normally closed terminal NC connected to the DC power supply V1 and a normally open terminal NO connected to the DC power supply V2, and an excitation coil L for switching the switch SW. From the common terminal C of the switch SW, either V1 or V2 is selectively output as a frequency control voltage.

本発明のルビジウム原子発振器１００の特徴的な点は、従来、製造段階において逓倍・混変調回路１４から輻射されるマイクロ波のモニタ用として使用していた受信アンテナ１５の受信信号をビート周波数検出回路４２に入力して、前記ＶＣＸＯ４０を逓倍して得られる６,８４０ＭＨｚの信号とその近傍に発生したスプリアスとによって生じるビート信号成分を検出し、該ビート信号成分をもとにして周波数制御電圧を生成してランプ励振器２０の発振周波数を制御するよう構成したことである。 A characteristic point of the rubidium atomic oscillator 100 according to the present invention is that the received signal of the receiving antenna 15 conventionally used for monitoring the microwave radiated from the multiplication / intermodulation circuit 14 in the manufacturing stage is a beat frequency detection circuit. 42, the beat signal component generated by the 6,840 MHz signal obtained by multiplying the VCXO 40 and the spurious signal generated in the vicinity thereof is detected, and the frequency control voltage is generated based on the beat signal component. Thus, the oscillation frequency of the lamp exciter 20 is controlled.

本ルビジウム原子発振器１００におけるランプ励振器２０の発振周波数は次の用に制御される。
まず、ルビジウム原子発振器１００の動作開始時において、前記ランプ励振器２０の可変容量ダイオードＤ１には電圧切換回路４３の切換器ＳＷの常時閉路端子ＮＣと共通端子Ｃを介して直流電源Ｖ１の電圧が印加されている。
この電圧（Ｖ１）によって決定される前記可変容量ダイオードＤ１の容量とトリマーコンデンサＣ１と固定コンデンサＣ２、Ｃ３及びインダクタンスＬ１によって、ランプ励振器２０は所定の発振周波数を発振してルビジウムランプ１２を励起する。このルビジウムランプ１２の励起光によってガスセル１１のルビジウム原子が励起され、前述した従来例と同様に、ＶＣＸＯ４０より１０ＭＨｚの標準周波数信号を、バッファアンプ４１を介して外部へ供給する。 The oscillation frequency of the lamp exciter 20 in the rubidium atomic oscillator 100 is controlled as follows.
First, at the start of the operation of the rubidium atomic oscillator 100, the voltage of the DC power source V1 is supplied to the variable capacitance diode D1 of the lamp exciter 20 through the normally closed terminal NC and the common terminal C of the switch SW of the voltage switching circuit 43. Applied.
The lamp exciter 20 oscillates a predetermined oscillation frequency to excite the rubidium lamp 12 by the capacitance of the variable capacitance diode D1 determined by the voltage (V1), the trimmer capacitor C1, the fixed capacitors C2 and C3, and the inductance L1. . The rubidium atoms in the gas cell 11 are excited by the excitation light of the rubidium lamp 12 and a standard frequency signal of 10 MHz is supplied to the outside from the VCXO 40 via the buffer amplifier 41 as in the conventional example described above.

次に、周囲温度の変化等によって、前記ランプ励振器２０の発振周波数が変動すると、変動した周波数の高調波成分、あるいは該高調波成分とＶＣＸＯ４０出力の高調波との混変調によるスプリアス成分周波数が、ＶＣＸＯ４０出力を周波数逓倍回路３３及び逓倍・混変調回路１４によって逓倍して得られる６,８４０ＭＨｚに接近し、その差の周波数のビート周波数が受信アンテナ１５で受信される。
このビート周波数成分の信号は、前記ビート周波数検出回路４２のローパスフィルタ４２ａに入力され、その周波数が該ローパスフィルタ４２ａの遮断周波数以下の場合にその出力として低周波増幅器４２ｂに出力され、該低周波増幅器４２ｂにおいて増幅される。増幅された低周波信号は整流回路４２ｃにおいて整流されて直流化され、直流増幅回路４２ｄに出力される。
直流増幅回路４２ｄにおいて増幅された前記直流出力は、レベル比較回路４２ｅにおいて予め設定された基準電圧Ｖｒｅｆと比較される。そして、その直流レベルが基準電圧Ｖｒｅｆを越えたときに、該レベル比較回路４２ｅは所定のレベルの直流電圧を電圧切換回路４３に出力し、不要なスプリアス成分が発生したものと判定する。 Next, when the oscillation frequency of the lamp exciter 20 fluctuates due to a change in ambient temperature or the like, the harmonic component of the fluctuating frequency or the spurious component frequency due to the intermodulation of the harmonic component and the harmonics of the VCXO 40 output is changed. The VCXO 40 approaches 6840 MHz obtained by multiplying the output of the VCXO 40 by the frequency multiplication circuit 33 and the multiplication / intermodulation circuit 14, and the beat frequency of the difference frequency is received by the reception antenna 15.
The beat frequency component signal is input to the low-pass filter 42a of the beat frequency detection circuit 42. When the frequency is equal to or lower than the cutoff frequency of the low-pass filter 42a, the output is output to the low-frequency amplifier 42b. It is amplified in the amplifier 42b. The amplified low frequency signal is rectified and converted into a direct current by the rectifier circuit 42c and output to the direct current amplifier circuit 42d.
The DC output amplified by the DC amplifier circuit 42d is compared with a preset reference voltage Vref by the level comparison circuit 42e. When the DC level exceeds the reference voltage Vref, the level comparison circuit 42e outputs a DC voltage of a predetermined level to the voltage switching circuit 43, and determines that an unnecessary spurious component has occurred.

そこで、レベル比較回路４２ｅより直流電圧が電圧切換回路４３の励磁コイルＬに印加されると、切換器ＳＷが切換わり、電源電圧Ｖ２が切換器ＳＷの常時開路端子ＮＯ及び共通端子Ｃを介してランプ励振器２０の可変容量ダイオードＤ１に印加される。
これによって、前記可変容量ダイオードＤ１の容量が変化し、ランプ励振器２０の発振周波数は、所定の発振周波数から意図的にずらされ、前記ビート周波数がローパスフィルタ４２ａの遮断周波数以上となるように制御される。
したがって、ランプ励振器２０の出力周波数が周囲温度変化等によって所定値から変動して、変動した周波数の高調波成分、あるいは該高調波成分とＶＣＸＯ４０出力の高調波との混変調によるスプリアス成分周波数が6,840ＭＨｚに接近しても、6,840ＭＨｚに一致する前にその接近を防止するように、前記可変容量ダイオードＤ１に制御電圧がフィードバックされてランプ励振器２０の出力周波数が制御されるので、ルビジウム原子発振器１００は近傍のスプリアスによる特性劣化を受けることなく安定した動作を行うことができる。 Therefore, when a DC voltage is applied from the level comparison circuit 42e to the exciting coil L of the voltage switching circuit 43, the switching device SW is switched, and the power supply voltage V2 is supplied via the normally open terminal NO and the common terminal C of the switching device SW. Applied to the variable capacitance diode D1 of the lamp exciter 20.
As a result, the capacitance of the variable capacitance diode D1 changes, the oscillation frequency of the lamp exciter 20 is intentionally shifted from a predetermined oscillation frequency, and the beat frequency is controlled to be equal to or higher than the cutoff frequency of the low-pass filter 42a. Is done.
Therefore, the output frequency of the lamp exciter 20 varies from a predetermined value due to a change in ambient temperature or the like, and the harmonic component of the fluctuating frequency, or the spurious component frequency due to the intermodulation of the harmonic component and the harmonics of the VCXO 40 output is changed. Even if it approaches 6,840 MHz, the control voltage is fed back to the variable capacitance diode D1 to prevent the approach before reaching 6,840 MHz, so that the output frequency of the lamp exciter 20 is controlled. The oscillator 100 can perform a stable operation without being deteriorated in characteristics due to nearby spurious.

なお、本実施例では、ＶＣＸＯ４０の標準周波数信号を１０ＭＨｚ、ランプ励振器２０の発振周波数を７０ＭＨｚ帯の周波数としている。
ここで、設定する発振周波数を考慮し、ランプ励振器２０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２０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している。
（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 In this embodiment, the standard frequency signal of the VCXO 40 is 10 MHz, and the oscillation frequency of the lamp exciter 20 is a frequency in the 70 MHz band.
Here, considering the oscillation frequency to be set, the harmonic component generated by multiplying the oscillation frequency of the lamp exciter 20 or the harmonic component obtained by multiplying the oscillation frequency of the lamp exciter 20 and the oscillation output of the VCXO 40 The frequency component generated by causing cross modulation with the higher harmonic component of is obtained by multiplying the oscillation frequency (10 MHz) of the VCXO 40 of the rubidium atomic oscillator 100 by the frequency multiplication circuit 33 and the multiplication / cross modulation circuit 14. The next frequency is set so as to avoid the deterioration of the characteristics of the rubidium atomic oscillator 100 due to interference with each other in accordance with the power of 6,840 MHz.
(1) 71.2596MHz: 71.2596MHz × 96 = 6840MHz
(2) 70.625 MHz: 70.625 MHz × 96 + 6 × 10 MHz = 6840 MHz
(3) 70.7143 MHz: 70.7143 MHz x 98-9 x 10 MHz = 6840 MHz
(4) 70.8333 MHz: 70.8333 MHz x 96 + 4 x 10 MHz = 6840 MHz
(5) 71.0000MHz: 71.0000MHz × 100 + 26 × 10MHz = 6840MHz
(6) 71.1111 MHz: 71.1111 MHz x 99-20 x 10 MHz = 6840 MHz
(7) 71.42857143 MHz: 71.42857143 MHz x 96-16 x 10 MHz = 6840 MHz
(8) 71.6667 MHz: 71.6667 MHz x 96-4 x 10 MHz = 6840 MHz
(9) 71.72043011MHz: 71.72043011MHz × 93 + 17 × 10MHz = 6840MHz

図３は、前記ＯＭＵ１０の逓倍・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成分の周波数スペクトラム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）の黒丸で囲った部分で示したように、中心周波数6.84ＧＨｚから約35〜37ｋＨｚ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、ランプ励振器２０の発振回路をコルピッツ発振回路としたが、これに限定されるものではなく、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。
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を制御するようにしたので、ルビジウム原子発振器の出力信号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。 FIG. 3 is characteristic data showing the frequency spectrum of the spurious component of the microwave band obtained by monitoring the microwave radiated from the multiplication / intermodulation circuit 14 of the OMU 10, and (a) is a conventional rubidium atomic oscillator. In the case of 50, (b) shows the case of the rubidium atomic oscillator 100 of the present invention.
As shown by the black circled portion in FIG. 5A, a large level of spurious generated at a distance of about 35 to 37 kHz from the center frequency of 6.84 GHz is removed in FIG. It can be seen that the effect of the invention is remarkable.
In this embodiment, the oscillation circuit of the lamp exciter 20 is a Colpitts oscillation circuit. However, the present invention is not limited to this, and any circuit may be used as long as the frequency can be varied. .
As described above, since the present invention controls the output frequency of the lamp exciter, it is extremely effective in preventing spurious appearance in the vicinity of the output signal of the rubidium atomic oscillator.

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。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The structure schematic diagram which shows one example of embodiment of the rubidium atomic oscillator concerning this invention. ランプ励振器２０、ビート周波数検出回路４２及び制御電圧切換回路４３の詳細回路構成図。The detailed circuit block diagram of the lamp exciter 20, the beat frequency detection circuit 42, and the control voltage switching circuit 43. FIG. 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。The characteristic data showing the spurious generation state of the microwave band obtained by monitoring the microwave radiated from the multiplication / cross modulation circuit, (a) is the case of the conventional rubidium atomic oscillator 50, (b) is the present invention. In the case of the rubidium atomic oscillator 100 of FIG. 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。The schematic diagram which shows the structure outline | summary of an example of the conventional rubidium atomic oscillator. 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。The figure explaining the operation | movement principle of the optical and microwave double resonance in OMU of a rubidium atomic oscillator. 太陽電池出力を位相検波して、その出力を得る動作の説明図で、（ａ）は太陽電池出力の説明図、（ｂ）は位相検波出力特性図。It is explanatory drawing of the operation | movement which phase-detects a solar cell output and obtains the output, (a) is explanatory drawing of a solar cell output, (b) is a phase detection output characteristic figure. 従来のランプ励振器の一例を示す回路構成図。The circuit block diagram which shows an example of the conventional lamp exciter.

Explanation of symbols

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・・受信アンテナ、１６・・キャビティ、１７・・熱筒、１８・・ソレノイド・コイル、
１９・・磁気シールド構造、２０・・ランプ励振器、２１・・整合回路、
２２・・ガスセル部温度制御回路、２３・・熱筒部温度制御回路、２４・・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・・ビート周波数検出回路、４２ａ・・ローパスフィルタ、
４２ｂ・・低周波増幅器、４２ｃ・・整流回路、４２ｄ・・直流増幅回路、
４２ｅ・・レベル比較回路、４３・・制御電圧切換回路、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・・固定コンデンサ、Ｄ１・・可変容量ダイオード、
Ｌ・・励磁コイル、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、ＳＷ・・切換器
10. ・ Optical microwave unit (OMU), 11. ・ Rubidium gas cell (gas cell),
12 .... Rubidium lamp, 13 .... Solar cell, 14 .... Multiplication / Intermodulation circuit,
15 .... Receiving antenna, 16 .... Cavity, 17 .... Hot tube, 18 .... Solenoid coil,
19 ... Magnetic shield structure, 20 ... Lamp exciter, 21 ... Matching circuit,
22 .. Gas cell part temperature control circuit, 23 .. Heat cylinder part temperature control circuit, 24 .. Lamp exciter,
30..Frequency control unit, 31..Low frequency oscillator, 32..Phase modulation circuit,
33 .. Frequency multiplier circuit, 34. Frequency converter circuit, 35. Phase detector circuit,
36 .. Control voltage generation circuit, 40 .. Voltage controlled crystal oscillator (VCXO),
41... Buffer amplifier, 42... Beat frequency detection circuit, 42 a.
42b .. Low frequency amplifier, 42c .. Rectifier circuit, 42d .. DC amplifier circuit,
42e ··· level comparison circuit, 43 ·· control voltage switching circuit, 50 · · rubidium atomic oscillator,
100 ・・ Rubidium atomic oscillator,
C1, Trimmer capacitor, C2, C3, Fixed capacitor, D1, Variable capacitance diode,
L ... excitation coil, L1 ... inductance, Q1 ... oscillation transistor,
R1, R2, R3, R4 ... Bias resistor, SW ... Switch

Claims

A rubidium lamp in which rubidium atoms are encapsulated, lamp excitation means for supplying a high frequency signal to the rubidium lamp to light rubidium excitation light, a gas cell in which rubidium atoms are encapsulated, and the rubidium excitation light that has passed through the gas cell. Photodetection means for detecting, a cavity accommodating at least the gas cell, a voltage-controlled piezoelectric oscillator (slave oscillator) for outputting an oscillation signal synchronized with the resonance frequency of rubidium atoms sealed in the gas cell, and the light detection means Means for generating a voltage for controlling the frequency of the voltage-controlled piezoelectric oscillator from the output signal, and phase-modulating or frequency-modulating the output signal of the voltage-controlled piezoelectric oscillator with a predetermined low-frequency signal. The frequency is converted to microwaves with a center frequency equal to the frequency Means for feeding, in rubidium atomic oscillator and a receiving antenna for receiving a signal in a microwave band of the cavity,
The lamp excitation means includes a frequency variable means and a frequency variable oscillator for generating a high frequency signal for lighting the rubidium excitation light, and a microwave having a center frequency equal to the resonance frequency from the reception signal of the reception antenna; Beat frequency detection means for detecting the beat frequency with the spurious signal, and control voltage switching means for switching a plurality of control voltages to supply to the frequency variable means of the frequency variable oscillator, at the start of operation of the rubidium atomic oscillator, When the first control voltage is supplied from the control voltage switching unit so that the frequency variable oscillator oscillates a predetermined high frequency signal, and the beat frequency detecting unit detects a beat frequency within a predetermined frequency band, By supplying a control voltage different from the first control voltage from the control voltage switching means Rubidium atomic oscillator, wherein the beat frequency is configured to switch the oscillation frequency of the variable frequency oscillator such that said predetermined frequency band.

The beat frequency detecting means is a low-pass filter for low-pass filtering the received signal of the receiving antenna at a predetermined cutoff frequency, a low-frequency amplifier circuit for amplifying the low-pass filter output, and directing the low-frequency amplifier circuit output The control voltage switching means comprises a rectifier circuit and a level comparison circuit that amplifies the output of the rectifier circuit and compares it with a reference DC level and outputs a voltage at a predetermined level when the reference DC level is exceeded. A switch having a normally closed circuit terminal to which the first control voltage is applied, a normally open circuit terminal to which the second control voltage is applied, and a common terminal; and the switch according to the output voltage of the level comparison circuit. An excitation coil that excites and switches between them, and selects and outputs either the first control voltage or the second control voltage from the common terminal of the switch. Rubidium atomic oscillator according to claim 1, wherein.