JPH03135227A - 原子発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の１：１ｊ用分野］ 本発明は、周波数短期安定度、周波数長期安定度、周波
数確度がずべて侵れた原子発振器に関する。

［従来の技術］ 原子発振器は、原子・分子・イオン等のエネルギー整位
間の遷移を観測する！ｎ量子共鳴装置利用して、高安定
かつ正確な周波数を発生させる発振器である。現在まで
に実用化されているしのには、７．１子共鳴装置として
ルヒジウムガスセル共鳴器を用いるルヒノウム原子発振
器、セシウムヒーム管を用いるセノウム原子発振器、水
素蓄債球を用いる水素メーザ発振器等かある。また、イ
オン蓄積、レーザ冷却、皇子ファウンテン等の技術を利
用した原子発振器も検討されつつある。

［発明が解決しようとする課題］ 原子発振器に要求される主な特性は周波数短期安定度、
周波数長期安定度、周波数確度であるが、これらのすべ
てが優れた原子発振器は現在のところ存在しない。例え
ば、セシウム原子発振器は、周波数長期安定度、周波数
確度が優れているが、周波数短期安定度はあまり良くな
い。一方、ルビジウム原子発振器は逆に周波数短期安定
度は優れているが、周波数長期安定度、周波数確度はあ
まり良くない。一般に周波数確度、周波数長期安定度の
優れた原子発振器を得るには、周波数シフトの小さい量
子共鳴装置を用いる。これには、原子に加わる擾乱を小
さくすることが必要である。

方、周波数短期安定度の優れた原子発振器を作るには、
Ｑ又はＳＮ比の大きな量子共鳴装置を用いる必要がある
が、これらは擾乱を伴う。従って、単一の量子共鳴装置
で周波数短期安定度、周波数長期安定度、周波数確度の
すべてを満足させることは非常に困難である。

本発明は、周波数短期安定度の優れた原子発振器と、周
波数長期安定度・周波数確度の優れた原子発振器とを、
ノンセザイザの分周比制御を介して組み合わせることに
より、周波数短期安定度、周波数長期安定度、周波数確
度がすべて優れた原子発振器を実現することを目的とす
る。

［課題を解決するための手段］ この発明は、上記課題を解決するために、周波数可変発
振器と、第１の量子共鳴装置と、前記周波数可変発振２
；の出力周波数を前記第１の量子共鳴装置の共鳴周波数
近傍に変換する第１の周波数変換手段と、前記第１の量
子共鳴装置の出力信号に対応して前記周波数可変発振器
の周波数を制御する第１の周波数制御手段と、第２の量
子共鳴装置と、前記周波数可変発振器の出力周波数を１
１７７記第２の量子共鳴装置の共鳴周波数近傍に変換す
る第２の周波数変換手段と、前記第１の周波数変換手段
の周波数変換率を制御する第２の周波数制御手段とを具
備するとともに、前記第２の周波数制御手段は、前記第
２の量子共鳴装置の出力信号に基づき、前記第１の周波
数制御手段の時定数よりも長い時定数で前記第１の周波
数変換手段の周波数変換率を制御することを特徴とする
。

［作用］ 第１のｔｎ量子共鳴装置第１の周波数変換手段、第１の
周波数制御手段によって短い時定数で制御される。さら
に、第２の周波数変換手段か第２の量子共鳴装置に基づ
いて、前記時定数より長い時定数で前記第１の周波数変
換手段の周波数変換率を制御する。このように、時定数
の異なる２つの制御ループによって周波数可変発振器の
発振か制御される。

すなわち、本発明は、Ｑ又はＳＮ比の大きな量子共鳴装
置を用いて短い時定数で制御を行うことにより周波数短
期安定度を向上させるとと乙に、周波数シフトの小さな
４１子共鳴装置を用いて長い時定数で制御を行うことに
より周波数長期安定度、周波数確度を向上させる。これ
によって、周波数短期安定度、周波数長期安定度、周波
数確度のすへてか優れた原子発振器を得ることができる
。

［実施例］ 次に、図面を参照してこの発明の実施例について説明す
る。

第１図は、この発明の一実葡例の構成を示すブロック図
である。なお、この実施例はＱの大きなＨｔ量子共鳴装
置してルビジウムガスセル共鳴器を、周波数ソフトの小
さな量子共鳴装置としてセジウムヒーム管を使用する実
施例である。また、前者として受動型の水素蓄積法を、
後者として弔−イオン蓄積共鳴器や原子ファウンテン共
鳴器などを使用してら同様な構成か可能である。

第１図において、電圧制御水晶発振器ｌ（発振周波数ｆ
）の出力信号は、変調信号発生器２とＦＭ変調器３によ
ってＦＭ変調され、周波数逓倍２に４（Ｍｉ倍率Ｎ、）
によって周波数Ｎ、ｆに逓倍されろ。また、電圧、制御
水晶発振２”Ａ　Ｉの出力信号が周波数分周器５（分周
比ｎ１）、周波数分周器６（分周比ｍ１）、位相比較器
７、ループフィルタ８、電圧制σ（）発振器９から構成
されるＰ　Ｌ　Ｌノンセサイザによって周波数（ｍＩ／
ｎ１）ｆに変換されろ。

同時に電圧制御水晶発振器１の出力信号は、周波数分周
器１０（分周比ｎ。）、周波数分周器１【（分周比ｍ。

）、位相比較器１２、ループフィルタ１３、電圧制御発
振器１４、周波数分周器Ｉ５（分周比Ｋ）から構成され
るＰＬＬシンセサイザによって周波数（ｍ　ｏ／　ｎ　
ｏＫ　）　ｆに変換される。

そして、上述した２組のＰＬＬシンセサイザの出力信号
かミキサ１６で混合され、さらに、バンドパスフィルタ
Ｉ７によって上側帯波か取り出される。これにより、周
波数（（ｍ　、／ｎ　１）＋　（ｍｏ／ｎ　ｏＫ））「
か得られる。以上のように、２組のＰＬＬシンセサイザ
を組み合わせることにより、広範囲かつ高精度の周波数
可変が実現される。

次に、周波数逓倍器４の出力と２組のＰＬＬシンセサイ
ザの合成出力をハーモニックミキサ１８で混合して周波
数（Ｎ　、Ｍ　、　−（ｍ　、／ｎ　＋）　−（ｍｏ／
ｎ　。

Ｋ））ｆ（−６，８３４・ＧＨｚ）の電磁波を発生させ
る。この電磁波はルビジウムガスセル共鳴器１９中でル
ビジウム原子と相互作用する。そして、ルビジウムガス
セル共鳴器１９からの出力は、変調信号発生器２の信号
を参照信号とする同期検波器２０によって検波され、誤
差信号に変換される。

次いで、積分器２１は誤差信号がＯになるように、電圧
制御水晶発振器１の印加電圧を制御する。以上のサーボ
系における時定数は数秒に設定されている。

上記サーボ系の動作と並行して、電圧制御水晶発振器１
の出力信号が周波数逓倍器２２（逓倍率Ｎｚ）によって
周波￥’１Ｎ２ｆに逓倍される。また、電圧制御水晶発
振器ｌの出力は、周波数分周器２３（分周比ｎ、）、周
波数分周器２４（分周比ｍ２）、位相比較器２５、ルー
プフィルタ２６、電圧制御発振器２７から構成されろＰ
　Ｌ　Ｌシンセサイザにより周波数（ｍ　ｔ／　ｎ　ｔ
）　ｆに変換される。そして、周波数逓倍器２２の出力
信号とＰＬＬシンセサイザの出力がハーモニックミキサ
２８で混合されて周波数（ＮｔＭｔ＋（ｍｔ／ｎｔ））
ｆ　（−９，Ｉ　９２・・・・Ｇ　Ｈｚ　）の電磁波が
発生される。この電磁波は、後述するようにｍ７、ｎ、
の値を周期的に切り替えることにより周波数変調されて
いる。周波数・１ （Ｎ　２Ｍ　２　＋　（ｍ　２／　ｎ　Ｊ）　ｆの電磁
波はセシウムビーム管２９中でセシウム原子と相互作用
する。そして、セシウムビーム管２９の出力信号はＡＤ
変換器３０でディジタル化信号に変換される。マイクロ
プロセッサ３１はＡＤ変換器３０の出力データを読み込
んで、以下に示ず各ステップの処理を行い、読み込んだ
データに対し数値的に検波・積分を行う。

１　ＩＩｎｔ、Ｊ　、−’ｍ、。ｆ、、Ｊ、は、予め記
憶されている値、外部から供給されるデータあるいはス
イッチ等によって設定された値である。

ｎ７、ｍ、を周波数分周２に２３．２４に出力する。

ＡＤ変換器３０から入力したデーターＸｌ。

ｆ、→ｎ２、Ｊ２−＋ｍ２゜Ｉ７．Ｊ２は、」二記１、
、Ｊ、と同様に設定される値である。

ｎ３、ｍ、を周波数分周器２３．２４に出力する。

ＡＤ変換器３０から人力しｆコデータ−・Ｘ２゜７　　
ＡＤ変換器３０から人力したデーターＸ３゜この場合、
ステップ６とは人力タイミングが異なるのでデータ値は
一般には同一でない。

３　１、−＋ｎ、、Ｊ　＋　→ｒｎ　２９　　ｎｔ、ｍ
、を周波数分周器２３．２４に出力する。

１０　　ΔＤ変換器３０から人力したデーターＸ　ｉ。

ＩＩ　　Ｙ↓α（ｘ　＋　　Ｘ　２　　Ｘ　３　＋　Ｘ
　４）　−Ｙ　０［２Ｙ（周波数制御データ）をＲＯＭ
３２に出力する。この周波数制御データＹはＲＯＭ３２
にあらかじめ書き込まれたテーブルによって周波数分周
器５．６、ｌ０１１１の分周比ｎ１、ｍｌ、ｎＯｚ　ｍ
　０に変換される。このときＲＯＭ　３２から出力され
ろ分周比は、ステップ１１における（ＸＩ　　Ｘ２　　
Ｘ３＋Ｘ、）を０に近付けるような値である。

１．３　３に戻る。

以」二の処理において、ループが平衡しているときは、
ステップ１１の括弧内の演算値が０になる。

そして、電圧制御水晶発振器１の発振周波数が変動する
と、ステップ１１における括弧内の演算値が０ならず、
これをＯに近付けるような周波数制御信号Ｙがマイクロ
プロセツサ３１から出力される。これにより、ＲＯＭ３
２から出力される分周比ｍ。、　ｎｏ、　ｍ、、　ｎ、
＋が変更され、ループか平衡に向かうよう制御される。

したかって、ルビジウムガスセル共鳴器１９側の周波数
が変動してらセンウムヒーム管２９側のループによって
電圧制御水晶発振器ｌの周波数変動が抑制されろ。ここ
で、セノウムヒーム胃２９側のサーボ系においては、時
定数は数百秒〜数千秒に設定しておく。

Ｅ発明の効果〕 以」−二説明したように、この発明によれば、周波数短
期安定度の優れた原子発振器と周波数長期安定度・周波
数確度の優れた原子発振器と、をシンセサイザの分周比
制御を介して組み合わせるようにしたので、周波数短期
安定度、周ｌ！ｌ￥Ｉ長期安定度、１．１波数確度がず
へて優れた原子発振器を得ろことかできる。したがって
、ディノタル通信網や各種の電波４１位システムに利用
することがてき、これらの性能向上を図ることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の構成を示すブロック図で
ある。 １　・・・電圧制御水晶発振器（周波数可変発振器）、
２・・−・変調信号発生器、３−−　Ｐ　Ｍ変調器、４
・周波数逓倍器、５．６・・・・周波数分周器、７位相
比較器、８・・　ループフィルタ、９　・電圧制御発振
器、１０，１１・・・・・周波数分周器、１２・・・・
位相比較器、Ｉ３　・　ループフィルタ、Ｉ４・・・・
・電圧制御発振器、１５・・・・・・周波数分周器、１
６・・　ミキサ、１７・・・・バンドパスフィルタ、１
８・・・・・・ハーモニックミキサ（以上４〜Ｉ８は第
１の周波数変換手段）、１つ　・・ルビジウムガスセル
共鳴器（第１の量子共鳴装置）、２０・・　・同期検波
器、２１・・　積分器（以上２０．２１は第１の周波数
制御手段）、２２・・・・周波数逓倍器、２３．２４・
・・・・周波数分周器、２５・・・・位相比較：擾；；
、２６・−ルビジウムガスセル、２７・・・・・電圧１
、制御発系器、２８・・・　ハーモニックミキサ（以上
２２〜２８は周波数変換手段）、２９・・・・セノウ−
（、ヒ’　　ムＦ　（第２　〕ｊｉｔ子共鳴装置）、３
０−−　Ａｒ）変換器、３１・・　マイクロプロセッサ
、３２ｆｌ　ＯＭ　（以−Ｌ３０〜３２は第２の周波数
制御手段）、。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 周波数可変発振器と、 第１の量子共鳴装置と、 前記周波数可変発振器の出力周波数を前記第１の量子共
   鳴装置の共鳴周波数近傍に変換する第１の周波数変換手
   段と、 前記第１の量子共鳴装置の出力信号に対応して前記周波
   数可変発振器の周波数を制御する第１の周波数制御手段
   と、 第２の量子共鳴装置と、 前記周波数可変発振器の出力周波数を前記第２の量子共
   鳴装置の共鳴周波数近傍に変換する第２の周波数変換手
   段と、 前記第１の周波数変換手段の周波数変換率を制御する第
   ２の周波数制御手段とを具備するとともに、 前記第２の周波数制御手段は、前記第２の量子共鳴装置
   の出力信号に基づき、前記第１の周波数制御手段の時定
   数よりも長い時定数で前記第１の周波数変換手段の周波
   数変換率を制御することを特徴とする原子発振器。