KR100319970B1 - 루비듐원자 주파수표준기의 성능향상을 위한 장치 및평가방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 루비듐원자 주파수표준기의 성능향상을 위한 장치 및 평가방법에 관한 것으로서, 루비듐원자 주파수표준기의 온도 및 시간변화에 따른 주파수특성을 측정하는 단계; 상기 주파수특성을 분석하여 온도 및 시간변화에 대한 보상함수를 작성하는 단계; 상기 보상함수가 적용된 제어프로그램을 작성하여 상기 루비듐원자 주파수표준기에서 출력되는 주파수의 위상을 조정하는 단계; 및 위상이 조정된 주파수와 소정의 기준주파수로 비교하여 상기 루비듐원자 주파수표준기의 특성을 평가하는 단계;를 구비하여 이루어지며, 루비듐원자 주파수표준기의 사용환경의 개략적인 온도를 입력하면 시간의 흐름에 따라 장기적인 특성저하를 예측하고, 실시간적인 보상을 함으로써 장기적인 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 루비듐원자 주파수표준기의 성능향상을 위한 장치 및 평가방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 루비듐 원자를 사용하는 주파수표준기가 사용시간이 경과하여도 안정적인 품질을 발휘하며 성능이 우수한 정밀 주파수원으로 사용될 수 있도록 하는 루비듐원자 주파수표준기의 성능향상을 위한 장치 및 평가방법에 관한 것이다.
최근 정밀/정확한 주파수원의 필요성이 여러 분야에서 대두되고 있다. 과거에는 우리의 실생활에서 쉽게 접할 기회가 없었던 측지, 초고속 통신, 전력공급, 그리고 디지털 이동통신 등의 분야에서 정밀/정확한 주파수원의 필요성이 산업전반에 걸쳐 확산되고 있다. 이러한 주파수원에 사용되는 발진기는 수정(Crystal) 편을 이용한 단순한 수정발진기로부터 TCXO(Temperature Controlled Crystal Oscillator), VCXO(Voltage Controlled Crystal Oscillator), 그리고 루비듐(Rb), 수소(H2), 세슘(Cs) 등의 원자를 이용한 원자 주파수표준기에 이르기까지 다양한 형태로 만들어져 사용되고 있다.
이러한 발진기들은 구성하고 있는 기본회로와 재료특성에 따라 주파수 품질이 달라지게 되는데, 목적에 따라 이들 발진기를 선택적으로 사용하고 있다. 그리고, 이들 주파수원은 그 구조적인 문제 때문에 발진기에 따라 정도의 차이는 있지만 항상 똑 같은 품질을 유지할 수는 없다. 초기의 정확하게 세팅(Setting)되어 정확하게 출력되는 값에서 시간에 경과함에 따라 변화되어 가는 것이 일반적인 것이다. 이를 경년변화(Aging)라고 하는데, 경년변화율(Aging Rate)을 포함한 여러 가지 특성은 발진기의 종류에 따라 차이가 있으며 이 경년변화율이 작을수록 좋은 발진기라 할 수 있다.
전술한 주파수원들 중 현재 정밀 주파수 공급원으로 널리 사용되고 있는 대표적인 원자 주파수표준기로는 세슘 원자를 사용하여 만든 세슘원자 주파수표준기(Cesium Atomic Frequency Standards)와 루비듐 원자를 사용한 루비듐원자 주파수표준기(Rubidium Atomic Frequency Standards)가 있다.
그런데, 루비듐원자 주파수표준기는 세슘원자 주파수표준기에 비하여 값이 저렴하고, 단기적인 안정도(Stability)가 세슘에 비해 오히려 좋으며 세슘에 비해 장치의 크기가 작아 이동용 원자 주파수표준기로 사용되는 등 여러 분야에서 폭넓게 사용되고 있다. 그러나, 루비듐원자 주파수표준기는 경년변화가 급속하게 이루어져 시간의 경과에 따라 초기의 정확도로부터 빨리 나빠지는 단점을 지니고 있다.
그런데, 위와 같이 시간의 흐름에 따른 특성이 변하는 등의 단점을 극복하기 위해서는 주기적으로 교정(Calibration)을 하여야 하는데, 이 보다 고품질의 발진기에 교정하거나 위상동기시켜서 사용할 수 있지만, 높은 수준의 품질을 유지하고 있는 루비듐원자 주파수표준기 등의 출력신호를 정확히 측정하여 품질상태를 평가하려면 이보다 좋은 품질의 기준 주파수가 있어야 하며, 고가의 장비를 동작시킨 상태로 측정하고자 하는 발진기가있는 장소로 안전하게 이동시켜야 하는 등의 어려움이 있었다.
또한, 루비듐원자 주파수표준기는 앞서 말한바와 같이 초기에 아주 정밀하게 조정하여 세슘 원자 주파수표준기와 동일한 수준으로 맞추어 놓았다 하더라도 시간에 따라 나빠지는 정도가 세슘에 비해 커서 아주 정밀한 측정의 경우 오랫동안 기준신호로 사용할 수가 없고 주기적으로 교정하여야 하는 불편을 피할 수 없었다.
전술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 비교적 저가의 장비로 높은 수준의 품질을 유지하고 있는 루비듐원자 주파수표준기의 출력신호를 쉽고 정확하게 측정하여 품질상태를 평가하고, 장기적인 주파수원의 출력특성을 향상시키기 위한 루비듐원자 주파수표준기의 성능향상을 위한 장치 및 평가방법을 제공하는 데 있다.
도1은 본 발명의 실시예를 위한 루비듐원자 주파수표준기의 성능향상을 위한 평가작업의 순서도이다.
도2는 본 발명에 의한 미세위상조정기의 동작제어를 위한 흐름도이다.
도3은 본 발명의 실시예에 따른 시간간격 계수기와 컴퓨터를 이용하여 세슘원자 주파수표준기의 기준신호와 비교하여 측정하기 위한 블록도이다.
도4는 도3에 의한 루비듐원자 주파수표준기의 자체 및 보정된 클럭의 시간오차 변화특성을 나타내는 그래프이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 루비듐원자 주파수표준기 12 : 주파수계수기
14, 24 : 컴퓨터 16 : 세슘원자 주파수표준기
18 : 미세위상조정기 20, 22 : 시간간격계수기
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 루비듐원자 주파수표준기의 성능향상을 위한 평가장치는, 루비듐원자 주파수표준기로부터 출력되는 주파수를 계수하는 주파수계수기; 상기 루비듐원자 주파수표준기의 출력신호를 제공받아서 소정의 제어프로그램에 의해 상기 주파수에 대한 위상을 조정하는 미세위상조정기; 소정의 기준 주파수를 공급하는 기준 주파수 공급수단; 상기 기준 주파수 공급수단의 신호와 상기 미세위상조정기의 신호를 입력받아 상기 신호들의 시간차이를 계수하는 시간간격계수기; 및 상기 주파수계수기의 신호를 입력받아서 온도 및 시간변화에 대한 보상함수를 작성하여 그에 의한 상기 제어프로그램을 구동함으로써 상기 미세위상조정기의 동작을 제어하고, 상기 시간간격계수기로부터 출력되는 시간차이를 분석하여 상기 루비듐원자 주파수표준기의 특성에 대한 평가작업을 수행하는 컴퓨터가 구비되어 이루어진다.
상기 기준 주파수 공급수단은, 주파수 발생능력이 상기 루비듐원자 주파수표준기 보다 안정적인 주파수 출력특성을 갖는 것이 적용되어야 하며, 바람직하게는 세슘원자 주파수표준기가 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 루비듐원자 주파수표준기의 성능향상을 위한 평가방법은, 루비듐원자 주파수표준기의 온도 및 시간변화에 따른 주파수특성을 측정하는 단계; 상기 주파수특성을 분석하여 온도 및 시간변화에 대한 보상함수를 작성하는 단계; 상기 보상함수가 적용된 제어프로그램을 작성하여 상기 루비듐원자 주파수표준기에서 출력되는 주파수의 위상을 조정하는 단계; 및 위상이 조정된 주파수와 소정의 기준주파수로 비교하여 상기 루비듐원자 주파수표준기의 특성을 평가하는 단계;를 구비하여 이루어진다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예를 위한 방법의 예가 도1에 제시되어 있으며, 기존의 루비듐원자 주파수표준기가 지니고 있는 단점을 해소할 수 있는 방법이다. 그리고, 이러한 방법을 평가할 수 있는 하나의 예가 도3에 제시되어 있으며, 도3과 병행하여 상세히 설명한다.
전술한 방법에 의하면 먼저, 일정한 크기로 온도를 변화시키면서 루비듐원자 주파수표준기(10)로부터 발생된 주파수신호가 주파수계수기(12)로 입력된다. 그러면 발생된 주파수가 수치의 형태로 계수되어 결과가 출력된다. 이때 측정을 정확하게 하기 위해 주파수계수기(12)의 기준신호(Ref)를 세슘원자 주파수표준기(16)로부터 특정 주파수를 갖는 신호가 제공되도록 연결되어 있다. 그리고, 측정기 분야에서 널리 사용되는 인터페이스 버스인 GPIB(General Purpose Interface Bus)를 통해 연결되어 있는 컴퓨터(14)와 자체에 내장시킨 측정기 제어프로그램에 의해 자동으로 측정되도록 이루어진다.
이와 같이 루비듐원자 주파수표준기의 사용환경의 온도를 변화시키면서 특성 측정(S1)이 이루어지는데, 루비듐원자 주파수표준기(10)가 사용될 환경의 온도를 컴퓨터(14)에 설정하여 온도를 가변시키면서 1주일 또는 그 이상의 기간 동안 측정하여 컴퓨터(14)에 그 결과를 저장하게 되고, 이 결과가 분석되어 일정한 경향을 갖는 형태로 파악되면서 특성분석이 이루어지며, 각각의 온도에 대한 보상함수를 추출하게 된다(S2). 상기의 보상함수는 온도에 따른 영향 뿐만 아니라 루비듐원자 주파수표준기(10) 자체의 경년변화, 즉 시간에 따른 주파수변화가 포함된 값이므로 온도 및 시간에 따른 근사치의 보상함수를 찾을 수 있다.
이렇게 추출된 보상함수를 이용하여 입력신호의 위상을 미세하게 조정할수 있는 미세위상조정기(18)를 실시간으로 제어함으로써 온도변화에 따라 루비듐원자 주파수표준기(10)의 성능저하를 보상하기 위한 보상함수가 적용되도록 하는 프로그램이 작성될 수 있다(S3). 상기 프로그램은 미세위상조정기(18)의 제어를 위한 제어프로그램으로 구체적인 실행과정은 도2에 도시되어 있다.
즉, 루비듐원자 주파수표준기(10)가 작동하는 실제온도가 입력되고(S6), 해당 온도에 대한 보상함수가 설정된다(S7). 그리고 시간에 따른 보상함수를 적용하여 미세위상조정기(18)의 값을 실시간으로 변화시킨다(S8).
이렇게 특정온도에 대한 특성분석이 이루어진 후 다른 온도에서의 특성을 분석할 것인지의 여부를 판단하여(S9) 반복적으로 진행하거나 종료한다.
이와 같이 미세위상조정기(18)의 제어프로그램이 컴퓨터(14)에서 작성된 후 루비듐원자 주파수표준기(10)의 출력에 의한 위상조정이 이루어지며, 측정된 각종 데이터들을 참조하여 루비듐원자 주파수표준기(10)와 세슘원자 주파수표준기(16)에서 출력되는 주파수를 비교측정하여 루비듐원자 주파수표준기(10)의 특성을 평가하게 된다(S5).
전술한 루비듐원자 주파수표준기(10)의 특성을 향상시키기 위한 평가장치에 대해서 도3에 도시된 장치를 부가하여 설명한다. 루비듐원자 주파수표준기(10)에는 주파수계수기(12)와 미세위상조정기(18)가 연결되어 출력되는 주파수가 입력되고, 여기에 시간간격계수기(22)가 연결되어 정지신호(C4 ; Stop)로 제공된다. 루비듐원자 주파수표준기(10)에서 출력되는주파수 신호는 다른 시간간격계수기(20)에도 연결되어서 정지신호(C3)로 제공되며, 세슘원자 주파수표준기(16)의 출력신호가 시간간격계수기들(20, 22)에 공급되어서 시작신호(C1, C2 ; Start)로써 작용한다. 또한 세슘원자 주파수표준기(16)로부터 특정 주파수를 갖는 신호가 시간간격계수기들(20, 22)의 기준신호(Ref)로 제공되도록 별도로 연결되어 있다. 이때의 시작신호와 정지신호는 시간간격계수기(20, 22)의 게이트(Gate)를 열고 닫는 사이의 시간간격을 측정하기 위해 필요한 입력신호이다.
각각의 시간간격계수기들(20, 22)에는 컴퓨터(14, 24)가 연결되어 있어서 출력특성이 분석되도록 구성되어 있다.
전술한 바와 같이 구성되어 있는 본 발명의 실시예에서 측정되는 시간오차는 다음의 수학식1을 통해 예측할 수 있는 것이다.
여기서 χ0는 초기시간차이고, y0는 당시의 주파수차를 명목상의 주파수값으로 나눈 상대주파수이며, K는 경년변화율을 나타낸다. 이들 세 가지 항목이 환경적인 원인으로 유발되는 구조적인 오차로써 개선될 수 있는 반면, ε(t)는 개선을 따지기 어려운 불규칙편차에 해당된다. 이러한 수학식1은 발진기의 신호가 주파수 변조되어 있거나 경년변화율(K)이 상수가 아닌 경우를 제외하고 일반적으로 발진기의 시간오차를 예측하기 위해 사용될 수있다. 수학식1에서 불규칙편차를 제외한 모든 항을 알 수 있기 때문에 시간오차를 예측할 수 있으며, 어느 일정한 시간오차를 갖도록 루비듐원자 주파수표준기(10)의 출력신호를 조정할 수 있다.
도3의 구성요소들의 구체적인 동작을 설명한다.
컴퓨터(24)에 입력되는 시간간격계수기(20)의 계수된 신호는 루비듐원자 주파수표준기(10)의 주파수와 세슘원자 주파수표준기(16)의 주파수가 시간간격계수기(20)에 가공되지 않은 상태로 입력되는 신호이며, 루비듐원자 주파수표준기(10)의 자체특성을 나타내는 신호가 된다. 그리고, 컴퓨터(14)에 입력되는 시간간격계수기(22)로부터의 신호는 루비듐원자 주파수표준기(10)의 출력에 의한 보상함수로 작성된 제어프로그램에 의해 위상조정된 미세위상조정기(18)에 의해 시간에 따라 변화되고 있는 주파수 오차를 상쇄시킨 신호에 대해 실시간으로 측정된 신호이다.
즉, 각각의 시간간격계수기(20, 22)에 입력되는 시작신호(C1, C2)는 5㎒ 신호이며, 루비듐원자 주파수표준기(10)의 자체특성을 측정하기 위해서는 루비듐원자 주파수표준기(10)에서 직접 공급받고, 상대주파수를 상쇄시킨 출력특성을 얻기 위해서는 미세위상조정기(18)로부터 정지신호(C4)를 공급받는다. 그러나, 시작신호는 기준신호로 제공되는 세슘원자 주파수표준기(16)로부터 5㎒의 신호를 공급받도록 구성되어 있다.
이렇게 구성된 각 컴퓨터(14, 24)에 의해 비교된 상대주파수를 상쇄시킨 출력특성 곡선(A)과 자체특성 곡선(B)이 도4에 도시되어 있는데, 그래프에서 알 수 있듯이 자체특성 곡선(B)이 28시간 동안 140㎱ 변화된 반면에 상대주파수를 상쇄시킨 출력특성 곡선(A)은 25㎱ 정도의 변화폭을 보여주고 있어 5배 이상 향상된 특성을 보여주고 있다.
따라서, 전술한 바와 같이 본 발명에 따른 실시예에 의하면, 루비듐원자 주파수표준기와 미세위상조정기를 사용하여 사용하고자 하는 환경의 개략적인 온도를 입력하면 시간의 흐름에 따라 장기적인 특성저하를 예측하고 실시간적인 보상을 함으로써 장기적인 특성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 그리고, 멀리 떨어진 곳에 있는 표준기를 정밀, 정확하게 측정하기 위한 이동용 기준기로 사용될 수 있으며, 특히 이동통신기지국이나 공중통신망의 각 전화국에 설치되어 운용중인 클럭공급장치 같이 정밀한 발진기를 필요로 하는 곳의 측정 및 교정을 위해 유용하게 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면 루비듐원자 주파수표준기의 사용환경의 개략적인 온도를 컴퓨터에 입력하면 시간의 흐름에 따라 장기적인 특성저하를 예측하고, 실시간적인 보상을 함으로써 장기적인 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 따라서 이를 이용하면 원격지의 표준기를 정밀 정확하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에속함은 당연한 것이다.
Claims (4)
- 루비듐원자 주파수표준기로부터 출력되는 주파수를 계수하는 주파수계수기;상기 루비듐원자 주파수표준기의 출력신호를 제공받아서 소정의 제어프로그램에 의해 상기 주파수에 대한 위상을 조정하는 미세위상조정기;소정의 기준 주파수를 공급하는 기준 주파수 공급수단;상기 기준 주파수 공급수단의 신호와 상기 미세위상조정기의 신호를 입력받아 상기 신호들의 시간차이를 계수하는 시간간격계수기; 및상기 주파수계수기의 신호를 입력받아서 온도 및 시간변화에 대한 보상함수를 작성하여 그에 의한 상기 제어프로그램을 구동함으로써 상기 미세위상조정기의 동작을 제어하고, 상기 시간간격계수기로부터 출력되는 시간차이를 분석하여 상기 루비듐원자 주파수표준기의 특성에 대한 평가작업을 수행하는 컴퓨터;가 구비되는 것을 특징으로 하는 루비듐원자 주파수표준기의 성능향상을 위한 평가장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 기준 주파수 공급수단은, 상기 루비듐원자 주파수표준기 보다 안정적인 주파수 출력특성을 갖는 것을 특징으로 하는 상기 루비듐원자 주파수표준기의 성능향상을 위한 평가장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 기준 주파수 공급수단은 세슘원자 주파수표준기인 것을 특징으로 하는 상기 루비듐원자 주파수표준기의 성능향상을 위한 평가장치.
- 루비듐원자 주파수표준기의 온도 및 시간변화에 따른 주파수특성을 측정하는 단계;상기 주파수특성을 분석하여 온도 및 시간변화에 대한 보상함수를 작성하는 단계;상기 보상함수가 적용된 제어프로그램을 작성하여 상기 루비듐원자 주파수표준기에서 출력되는 주파수의 위상을 조정하는 단계; 및위상이 조정된 주파수와 소정의 기준주파수로 비교하여 상기 루비듐원자 주파수표준기의 특성을 평가하는 단계;를 구비함을 특징으로 하는 루비듐원자 주파수표준기의 성능향상을 위한 평가방법.
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