JPS5811140B2 - 原子発振器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、原子発振器、特に例えばＲｂ８７原子の遷移
周波数ｆＲを利用して予め定めた基準周波数ｆｏを発生
するルビジウム原子発振器において、回路構成を簡単に
できると共に小型化することができるようにした原子発
振器に関するものである。

一般にＲｂ８７原子は基底エネルギーレベルにおける超
微細構造にもとづいて約６８３４．６８ＭＨｚ程度の遷
移周波数ｆＲを発生することが知られており、該遷移周
波数ｆＲの不変性を利用して、予め定めた基準周波数ｆ
ｏを発生する水晶発振器を制御し該水晶発振器が常時基
準周波数ｆｏをもつ基準信号を発生し得るようにしたル
ビジウム原子発振器が知られている。

そしてこの種のルビジウム原子発振器として、従来から
水晶発振器からの出力周波数を周波数逓倍器により上記
Ｒｂ８７の遷移周波数ｆＲ近くの整数ＭＨｚ例えば６８
４０ＭＨｚに変換し、該周波数逓倍器からの上記出力周
波数６８４０ＭＨｚと別個にもうけられた周波数合成器
からの出力周波数例えば５．３１・・・・・・ＭＨｚと
を混合する混合器により６８３４．６８・・・・・−Ｈ
ｚの周波数を取り出し、該周波数６８３４．６８・・・
・・ＭＨｚを光・マイクロ波共鳴部に入力せしめて上記
Ｒｂ８７原子の遷移周波数ｆＲと上記周波数６８３４．
６８・・・・ＭＨｚとの周波数差に応じた電圧を上記水
晶発振器の制御部に帰還せしめる構成をとったものがあ
る。

しかし一般に上記水晶発振器の基準周波数ｆｏとして５
ＭＨｚまたは１０ＭＨｚ程度の比較的低い周波数が選定
されるため上記周波数逓倍器が複雑な構成にならざるを
得すまたルビジウム原子発振器全体の小型化を望めない
という難点があった。

本発明は、上記の点を解決することを目的とし回路構成
が簡単でしかも小型化することが可能な原子発振器を提
供することを目的としている。

そしてそのため本発明の原子発振器は原子の遷移周波数
ｆＲを利用して予め定めた基準周波数ｆｏをもつ基準信
号を発生する原子発振器において、予め定めた周波数ｆ
Ｉをもつ信号を発生する第１の水晶発振器、該第１の水
晶発振器からの出力周波数ｆＩを整数逓倍する逓倍回路
、および該逓倍回路から出力される周波数ｆＸを上記原
子の遷移周波数ｆＲと比較し周波数差（ｆＲ−ｆｘ）に
応じた電圧を発生して上記第１の水晶発振器の出力周波
数ｆＩを所定値に維持せしめる元・マイクロ波共鳴部を
もうけると共に、上記基準周波数ｆｏをもつ基準信号を
発生する第２の水晶発振器、上記第１の水晶発振器から
の出力周波数ｆＩを分周する第１の分周器、上記第２の
水晶発振器からの出力周波数ｆｏを分周する第２、第３
０分周器、上記第１０分周器からの出力周波数と上記第
２０分周器からの出力周波数とを混合する混合器、およ
び該混合器による混合周波数と上記第３０分周器からの
出力周波数とを位相比較し該周波数差に応じた電圧を発
生して上記第２の水晶発振器の基準周波数ｆｏを所定値
に維持せしめる位相比較器をも５けたことを特徴として
いる。

以下図面を参照しつつ本発明を説明する。

第１図は従来のルビジウム原子発振器の一例、第２図は
本発明による原子発振器の一実施例構成を夫々示してい
る。

第１図において、１は電圧制御水晶発振器で元マイクロ
波共鳴部５からの制御信号により制御され基準周波数ｆ
ｏとして５ＭＨｚを発生するもの２は周波数逓倍器であ
り図示を省略したが例えば上記電圧制御水晶発振器１か
らの出力周波数ｆ。

ＭＨｚを１８倍する第１の周波数逓倍器と該第１の周波
数逓倍器からの出力周波数１８ｆｏを更に７６倍する第
２の周波数逓倍器とで構成されているもの、３は周波数
合成器で水晶発振器１からの出力周波数ｆｏを合成して
（ｆｏ＋０．３１・・・・・）ＭＨｚの周波数を出力す
るもの、４は混合器で周波数逓倍器２からの出力周波数
１３６８ｆＱと周波数合成器３からの出力周波数（ｆｏ
＋０．３１・・・・・・）ＭＨｚとの周波数差をもつマ
イクロ波を出力するもの、５は光・マイクロ波共鳴部で
混合器４からの周波数と該共鳴部５に内蔵されているＲ
ｂ８７原子の一定な遷移周波数ｆＲとの周波数差を検出
し該検出結果に対応した電圧信号を発生して水晶発振器
１の発振周波数を制御するものを表わしている。

今仮に水晶発振器１が基準周波数ｆｏに相当した５ＭＨ
ｚの基準信号を出力しているものとすれば周波数逓倍器
２の出力周波数１３６８ｆＱは６８４０ＭＨｚとなり、
周波数合成器３の出力周波数（ｆｏ＋ｏ、３ｉ・・・・
・・）は５．３１・・・・・ＭＨｚとなり、このため混
合器４から６８３４．６８・・・・・・ＭＨｚのマイク
ロ波が出力されている。

このため光・マイクロ波共鳴部５においては、この混合
器４からのマイクロ波周波数６８３４．６８・・・・・
ＭＨｚがＲｂ８７原子の遷移周波数ｆＲに等しいことを
検出し水晶発振器１が５ＭＨｚの基準周波数を出力し続
けるよう制御する。

一方水晶発振器１が何らかの原因により５ＭＨｚの基準
周波数からズした周波数を出力するようになった場合、
混合器４から出力されてくるマイクロ波は上記水晶発振
器１０当該時点における出力周波数と５ＭＨｚの基準周
波数とのズレに対応した周波数をもつようになり、この
ため元・マイクロ波共鳴部５は上記水晶発振器１０当該
時点における出力周波数と５ＭＨｚの基準周波数との周
波数差に応じた電圧信号を水晶発振器１に出力するよう
になり、該水晶発振器１の出力周波数が５ＭＨｚの基準
周波数に復帰するよう制御する。

しかし従来のルビジウム原子発振器の場合、周波数逓倍
器２は上述した如く例えば水晶発振器１からの出力周波
数を１８倍する第１の周波数逓倍器と該第１の周波数逓
倍器からの出力周波数を更に７６倍する第２の周波数逓
倍器とで構成されている。

そして該第２の周波数逓倍器は入力されて（る周波数即
ち第１の周波数逓倍器からの出力周波数が大体９０ＭＨ
ｚ程度と比較的大きいため通常バラクタ・ダイオード１
個で足りるが、上記第１の周波数逓倍器は入力されて（
る周波数即ち水晶発振器１からの出力周波数が大体５Ｍ
Ｈｚ程度と比較的小さいためノイズの発生防止などの点
から回路構成が複雑になると共に比較的大型にならざる
を得す、この結果原子発振器全体の回路構成が複雑でし
かも大型にならざるを得なかった。

第２図は上記の点を解決するようにした本発明による原
子発振器の一実施例構成を示している。

図中、６は本発明にいう第１の水晶発振器であり予め定
めた周波数ｆｘをもつ信号を発生し光・マイクロ波共鳴
部１０からの電圧信号により上記発振周波数ｆＩが制御
されるもの、７は本発明にいう第２の水晶発振器であり
基準周波数ｆｏをもつ基準信号を発生し位相比較器１６
からの出力電圧信号により上記発振周波数ｆｏが制御さ
れるもの。

８は第１の逓倍器、９は第２の逓倍器、１０は光マイク
ロ波共鳴部で第２の逓倍器９からのマイクロ波周波数（
以下ｆ）（ＭＨｚとする）と内蔵するＲｂ８７原子の遷
移周波数ｆＲとの周波数差（ｆＲｆＸ）ＭＨｚを検出し
該周波数差（ｆｘ−ｆｘ）ＭＨｚに応じた電圧を発生し
て上記第１の水晶発振器６の発振周波数ｆ■を制御する
もの、１１は本発明にいう第１０分周器、１２は本発明
にいう第２０分周器、１３は混合器で第１の分周器１１
からの出力周波数と第２０分周器１２からの出力周波数
との周波数差を得るもの、１４は低域フィルタ、１５は
本発明にいう第３０分周器、１６は位相比較器で混合器
１３からの混合された出力周波数と第３の分局器１５か
らの出力周波数との周波数差を検出して該周波数差に対
応した電圧信号を発生するもの、１７は増幅器、１８は
低域フィルタで第２の水晶発振器の制御部に接続された
ものを夫々表わしている。

以下第１の水晶発振器６の発振周波数ｆＩとして例えば
３４．００３４２８０２ＭＨｚを選定せしめかつ第２の
水晶発振器７０基準周波数ｆｏとして例えば５ＭＨｚを
選定せしめた場合における回路動作を説明する。

なおこの場合Ｒｂ８７原子の遷移周波数ｆＲを ６８３４６８９０３２ＭＨｚであるものとしている。

第１の水晶発振器６から出力された周波数りは第１の周
波数逓倍器８により３倍された周波数３ｆＩに変換され
該周波数３ｆＩは更に第２の周波数逓倍器９により６７
倍されて該第２の周波数逓倍器９からは周波数２０１ｈ
１（−ｆｘ）のマイクロ波が出力されるようになる。

そして該マイクロ波周波数ｆＸは光・マイクロ波共鳴部
１０においてＲｂ８７の遷移周波数ｆＲと比較され、該
光・マイクロ波共鳴部１０は上記マイクロ波周波数ｆＸ
と上記遷移周波数ｈｔとの周波数差ＣｆＲ−ｆｘ）に対
応した電圧信号を発生して第１の水晶発振器６の制御部
に供給し第１の水晶発振器６の発振周波数ｆ工を上記の
如き３４．００３４２８０２ＭＨｚに維持するようにす
る。

こうして第１の水晶発振器６からは常時３４．００３４
２８０２ＭＨｚの信号が出力されるようになる。

一方第２の水晶発振器７から出力された基準周波数ｆｏ
は第２の分周器１２により１１５に分周されて１１５ｆ
ｏの周波数となり混合器１３に入力される。

この混合器１３には上記１１５ｆｏの周波数の外に、第
１の水晶発振器６かもの上述した如き固定化された周波
数３４．００３４２８０２ＭＨｚを第１０分周器１１を
介して１／３４に分周された１、０００１００８２４Ｍ
Ｈｚも入力されるようにされており、該混合器１３は上
記第１０分周器１１からの出力周波数１．０００１００
８２４ＭＨｚから上記第２０分周器１２からの出力周波
数１１５ｆｏを差し引いた周波数を出力し、該混合器１
３から出力された周波数は低域フィルタ１４を介して位
相比較器１６の一方側の入力端子に入力される。

また上記第２の水晶発振器７かも出力された基準周波数
ｔｏは分周比（４９５９１±ｍ）（但しｍは整数であり
当該場合においては「０」で与えている）をもつ第３０
分周器１５に入力されるようにされ該第３０分周器１５
からの出力周波数（ｆＯ／４９５９１±ｍ）は上記位相
比較器１６の他方側の入力端子に入力される。

そして該位相比較器１６は上記低域フィルタ１４を介し
た上記混合器１３からの出力周波数と上記第３の分周器
１５からの出力周波数とを比較し該周波数差に対応した
電圧を発生し、該電圧信号は増幅器１７および低域フィ
ルタ１８を介して第２の水晶発振器７０制御部に入力さ
れ該第２の水晶発振器７の発振周波数を所定レベルに維
持する。

即ち位相比較回路１６は第２の水晶発振器７の発振周波
数が５ＭＨｚに一致しているとき混合器１３からの出力
周波数および第３の分周器１５からの出力周波数がとも
に１００．８２４Ｈｚとなって同一周波数となるため零
の電圧信号を発生して第２の水晶発振器７の発振周波数
を５ＭＨｚに維持しつづけ、一方策２の水晶発振器７の
発振周波数が５ＭＨｚからズしたものとなると混合器１
３からの出力周波数と第３０分周器１５からの出力周波
数との間に当該ブレ周波数に対応した周波数が表われる
ため当該周波数に対応したレベル値をもつ電圧信号を第
２の水晶発振器７の制御部に供給して５ＭＨｚの発振周
波数に復帰せしめるようにする。

本発明の場合、第１の水晶発振器６の発振周波数を比較
的高い周波数である。

例えば３４．００３４２８０２ＭＨｚとして周波数逓倍
器８．９に入力せしめてＲ♂８７原子の遷移周波数ｋに
略等しいマイクロ波周波数ｆＸを得るようにしており、
このため本発明によりもうけられる周波数逓倍器８，９
は、第１図において上述した如き比較的低い周波数であ
る例えば５ＭＨｚを入力周波数とする周波数逓倍器２に
較べ雑音除去の点などを余り考慮する必要がないなどの
ため回路構成が極めて簡単かつト型になる。

また本発明の場合第２の水晶発振器７に対する制御ルー
プを構成する構成素子は第２０分周器１２や第３０分周
器１５などディジタルＩＣ化できるものであるため上述
した周波数逓倍器８，９の小型化とも考え合せて従来の
ルビジウム発振器に較べ装置全体が小型でしかも経済的
なものになる。

また本発明によれば、第３０分周器１５０分周比を例え
ば（４９５９１±ｍ）（ｍ＝ｏ、１．２・・・・・・）
と可変にして該分周器１５の出力周波数を約０．００２
Ｈｚステツプで変化せしめるようにしたため、第２０分
周器１２の出力周波数もｍに対して０．００２Ｈｚステ
ツプで変化し、この結果第２の水晶発振器７０基準周波
数ｆｏを ０．００２／１Ｘ１０６即ち２Ｘ１０９ステツプで可変
にすることができる。

このため、光・マイクロ波共鳴部１０においてケースに
封入したことなどのためにあるべき周波数６８３４．６
８９０３２ＭＨｚから僅かにズしたとしてもそのズレに
正しく対応できる。

なお第２図図示の如き実施例においては第１の水晶発振
器６の出力周波数を３４．００３４２８０２ＭＨｚに選
定したが、該周波数はｆＲ／６７（１０２，０１０＝Ｍ
Ｈｚ）又はｆＲ１５１（１３４，０１３・・・・・・Ｍ
Ｈｚ）であってもよ（、この場合周波数逓倍器８，９は
上記周波数ｆＲ／６７およびｆＲ１５１に対応して夫々
６７倍および５１倍の周波数逓倍器が用いられ、また第
１０分周器１１は夫々分周比６７および５１の分周器が
用いられることは言うまでもない。

また第２の水晶発振器７０基準周波数ｆｏは５ ＭＨｚ
付近に選定される場合に限られることなく１０ＭＨｚ付
近に選定してもよいことは言うまでもない。

なおこの場合第２の分周器１２の分周比は１０に選定さ
れかつ第３０分周器１５０分周比は（９９１８２十ｍ）
に選定される。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のルビジウム原子発振器の一例、第２図は
本発明による原子発振器の一実施例構成を示す。 図中、６は第１の水晶発振器、Ｉは第２の水晶発振器、
８，９は周波数逓倍器、１０は光・マイクロ波共鳴部、
１１は第１０分周器、１２は第２０分周器、１３は混合
器、１５は第３０分周器、１６は位相比較器を夫々表わ
す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 原子の遷移周波数ｆＲを利用して予め定めた基準周
   波数ｆｏをもつ基準信号を発生する原子発振器において
   、予め定めた周波数ｆｒをもつ信号を発生する第１の水
   晶発振器、該第１の水晶発振器からの出力周波数ｆｒを
   整数逓倍する逓倍回路および該逓倍回路から出力される
   周波数ｆＸを上記原子の遷移周波数ｆＲと比較し周波数
   差（ｆＲ−ｆＸ）に応じた電圧を発生して上記第１の水
   晶発振器の出力周波数ｆｘを所定値に維持せしめる元・
   マイクロ波共鳴部をもうけると共に、上記基準周波数ｆ
   ｏをもつ基準信号を発生する第２の水晶発振器、上記第
   １の水晶発振器からの出力周波数ｆＩを分周する第１０
   分周器、上記第２の水晶発振器からの出力周波数ｆｏを
   分周する第２、第３の分周器、上記第１０分周器からの
   出力周波数と上記第２０分周器からの出力周波数とを混
   合する混合器、および該混合器による混合周波数と上記
   第３０分周器からの出力周波数とを位相比較し該周波数
   差に応じた電圧を発生して上記第２の水晶発振器の基準
   周波数ｆＯを所定値に維持せしめる位相比較器をもうけ
   たことを特徴とする原子発振器。 ２ 上記第３０分周器は分周比が可変になるよう構成さ
   れたことを特徴とする特許 第１項記載の原子発振器。 ３ 上記第１の水晶発振器は３４００３４２８０２ＭＨ
   ｚの信号を発生し、上記逓倍回路は２０１の逓倍比をも
   ち、上記第２の水晶発振器は５ＭＨｚの基準信号を発生
   し、上記第１の分周器は３４の分周比をもち、上記第２
   ０分周器は５０分周比をもち、上記第３０分周器は（４
   ９５９１±ｍ）（ｍは整数）の分周比をもつよう構成さ
   れたことを特徴とする上記特許請求の範囲第２項記載の
   原子発振器。