RU2378756C1 - Quantum frequency standard - Google Patents
Quantum frequency standard Download PDFInfo
- Publication number
- RU2378756C1 RU2378756C1 RU2008144213/09A RU2008144213A RU2378756C1 RU 2378756 C1 RU2378756 C1 RU 2378756C1 RU 2008144213/09 A RU2008144213/09 A RU 2008144213/09A RU 2008144213 A RU2008144213 A RU 2008144213A RU 2378756 C1 RU2378756 C1 RU 2378756C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- output
- input
- signal
- quantum
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технике стабилизации частоты и может быть использовано в квантовых стандартах частоты пассивного типа с квантовыми дискриминаторами на основе газовых ячеек или атомно-лучевых трубок.The invention relates to a frequency stabilization technique and can be used in passive-type quantum frequency standards with quantum discriminators based on gas cells or atomic radiation tubes.
Принцип работы квантового стандарта частоты основан на стабилизации частоты подстраиваемого кварцевого генератора относительно частоты спектральной линии, соответствующей определенному квантовому переходу, реализуемому в квантовом дискриминаторе, см., например, [1] - А.И.Пихтелев, А.А.Ульянов, Б.П.Фатеев и др. Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов // М., Сов. радио, 1978, с.5; [2] - F.Emma, G.Busca, P.Rochat. Atomic Clocks for Space Applications // ION GPS-99 Proceedings, 1999, pp.2285-2293. В обобщенном виде структурная схема квантового стандарта частоты содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения, квантовый дискриминатор и блок формирования управляющего напряжения, выход которого подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора, а также блок формирования опорных сигналов, связанный своими выходами с соответствующими входами блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения и блока формирования управляющего напряжения, а входом - с выходом подстраиваемого кварцевого генератора, см., например, патент РФ [3] - RU 2220499 С2, H03L 7/16, H01S 3/10, 27.12.2003. Блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения формирует из выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (гармонического сигнала с частотой f1) модулированный по фазе (частоте) СВЧ-сигнал радиочастотного возбуждения, номинальное значение несущей частоты f2 которого соответствует частоте f0 рабочего атомного перехода квантового дискриминатора. Частота f0 стабильна и поэтому используется в качестве эталона для подстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора. Квантовый дискриминатор формирует на своем выходе сигнал, несущий информацию об отклонении текущего значения частоты f2 от эталонной частоты f0. Блок формирования управляющего напряжения на основе выходного сигнала квантового дискриминатора формирует сигнал ошибки, а затем путем интегрирования формирует управляющее напряжение для подстраиваемого кварцевого генератора. Под действием управляющего напряжения частота f1 выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора и связанная с ней несущая частота f2 сигнала радиочастотного возбуждения изменяются в сторону уменьшения сигнала ошибки, осуществляя тем самым стабилизацию частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора относительно эталонной частоты f0.The principle of operation of the quantum frequency standard is based on the stabilization of the frequency of the tuned crystal oscillator relative to the frequency of the spectral line corresponding to a certain quantum transition realized in a quantum discriminator, see, for example, [1] - A.I. Pikhtelev, A.A. Ulyanov, B. P. Fateev et al. Standards of frequency and time based on quantum generators and discriminators // M., Sov. radio, 1978, p. 5; [2] - F. Emma, G. Busca, P. Rochat. Atomic Clocks for Space Applications // ION GPS-99 Proceedings, 1999, pp. 2285-2293. In a generalized form, the block diagram of the quantum frequency standard contains a tunable crystal oscillator, a radio frequency excitation signal generating unit, a quantum discriminator and a control voltage generating unit, the output of which is connected to the control input of the tunable crystal oscillator, and also a reference forming unit signals associated with its outputs with the corresponding inputs of the radio signal generating unit and the excitation-frequency control voltage generation unit and the input - output from the crystal oscillator being adjusted, for example, see RF patent [3] -. RU 2220499 C2,
Наиболее простым с точки зрения формирования сигнала радиочастотного возбуждения является случай, когда номинальное значение частоты f1 выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора связано целочисленным соотношением со значением частоты f0, т.е. f1=f0/N, где N - целое число. В этом случае блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения может быть выполнен достаточно просто на основе фазового модулятора и умножителя частоты, реализующего функцию f2=f1·N, см., например, квантовый стандарт частоты, представленный в патенте США [4] - US 6300841 B1, H03L 7/26, 09.10.2001, Fig.2. Однако в таком квантовом стандарте частоты номинальное значение частоты f1 выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора не кратно секунде, что для ряда применений является недостатком, в частности это неудобно для формирования шкалы времени.The simplest from the point of view of generating a radio frequency excitation signal is the case when the nominal frequency f 1 of the output signal of the tunable crystal oscillator is connected by an integer relation with the frequency value f 0 , i.e. f 1 = f 0 / N, where N is an integer. In this case, the RF excitation signal generating unit can be performed quite simply based on a phase modulator and a frequency multiplier that implements the function f 2 = f 1 · N, see, for example, the quantum frequency standard presented in US patent [4] - US 6300841 B1,
Более удобными для практического использования, в том числе для формирования шкалы времени, являются квантовые стандарты частоты, в которых номинальное значение частоты f1 выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора, используемого в качестве выходного сигнала квантового стандарта частоты, кратно секунде. Однако, поскольку номинальное значение частоты f1 выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора в этом случае не связано с частотой f0 рабочего атомного перехода квантового дискриминатора целочисленным соотношением, то это усложняет задачу формирования сигнала радиочастотного возбуждения, требуя применения нелинейного преобразования частоты, реализуемого обычно на основе смесителя, например как в квантовом стандарте частоты, представленном в патенте США [5] - US 6985043 В2, H01S 1/06, 10.01.2006, Fig.14, выбранном в качестве прототипа.More convenient for practical use, including for forming a time scale, are quantum frequency standards, in which the nominal frequency f 1 of the output signal of the tunable crystal oscillator used as the output signal of the quantum frequency standard is a multiple of a second. However, since the nominal value of the frequency f 1 of the output signal of the tunable crystal oscillator in this case is not related to the frequency f 0 of the working atomic transition of the quantum discriminator by an integer relation, this complicates the task of generating a radio frequency excitation signal, requiring the use of a nonlinear frequency conversion, usually implemented on the basis of a mixer , for example, as in the quantum frequency standard presented in US patent [5] - US 6985043 B2, H01S 1/06, 01/10/2006, Fig.14, selected as a prototype.
Квантовый стандарт частоты, выбранный в качестве прототипа, содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения, квантовый дискриминатор и блок формирования управляющего напряжения, выход которого подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора, а также блок формирования опорных сигналов, низкочастотный выход которого соединен с опорным входом блока формирования управляющего напряжения и низкочастотным опорным входом блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, высокочастотный выход соединен с высокочастотным опорным входом блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, а вход соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора.The quantum frequency standard, selected as a prototype, contains a tunable quartz oscillator, a radio frequency excitation signal generating unit, a quantum discriminator and a control voltage generating unit, the output of which is connected to the control input of the tunable crystal oscillator, as well as a generating unit reference signals, the low-frequency output of which is connected to the reference input of the control supply and the low-frequency reference input unit for generating a radio frequency excitation signal, a high frequency output is connected to a high frequency reference input unit for generating a radio frequency excitation signal, and an input coupled to the output of the crystal oscillator being adjusted.
Блок формирования опорных сигналов состоит из синтезатора частоты, вход и выход которого образуют соответственно вход и высокочастотный выход блока формирования опорных сигналов, и низкочастотного генератора, выход которого образует низкочастотный выход блока формирования опорных сигналов.The reference signal generating unit consists of a frequency synthesizer, the input and output of which respectively form the input and high-frequency output of the reference signal generating unit, and a low-frequency generator, the output of which forms the low-frequency output of the reference signal generating unit.
Квантовый дискриминатор выполнен на основе газовой ячейки с рабочим веществом в виде паров рубидия Rb87 (частота рабочего атомного перехода f0=6834,68… МГц). Газовая ячейка размещена в СВЧ-резонаторе, настроенном на частоту f0, радиочастотный вход которого является входом радиочастотного возбуждения квантового дискриминатора. Газовая ячейка оптически связана с источником света оптической накачки и фотодетектором, выход которого образует выход квантового дискриминатора.The quantum discriminator is made on the basis of a gas cell with a working substance in the form of rubidium vapor Rb 87 (the frequency of the working atomic transition is f 0 = 6834.68 ... MHz). The gas cell is placed in a microwave cavity tuned to a frequency f 0 , the radio frequency input of which is the input of the radio frequency excitation of the quantum discriminator. The gas cell is optically coupled to an optical pump light source and a photo detector, the output of which forms the output of a quantum discriminator.
Блок формирования управляющего напряжения содержит последовательно соединенные усилитель, синхронный детектор и интегратор. Вход усилителя образует сигнальный вход блока формирования управляющего напряжения, соединенный с выходом квантового дискриминатора, выход интегратора образует выход блока формирования управляющего напряжения, соединенный с управляющим входом подстраиваемого кварцевого генератора, а опорный вход синхронного детектора образует опорный вход блока формирования управляющего напряжения, соединенный с низкочастотным выходом блока формирования опорных сигналов.The control voltage generating unit comprises a series-connected amplifier, a synchronous detector, and an integrator. The amplifier input forms the signal input of the control voltage generating unit connected to the output of the quantum discriminator, the integrator output forms the output of the control voltage generating unit connected to the control input of the tunable crystal oscillator, and the reference input of the synchronous detector forms the reference input of the control voltage generating unit connected to the low-frequency output block forming reference signals.
Блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения содержит последовательно соединенные фазовый модулятор, фазовый детектор, фильтp, управляемый генератор и смеситель, а также делитель частоты на N, где N=342, вход которого соединен с выходом управляемого генератора, а выход - со вторым входом фазового детектора. Таким образом, управляемый генератор включен в кольцо фазовой автоподстройки частоты, состоящее из управляемого генератора, делителя частоты, фазового детектора и фильтра, реализующее функцию косвенного умножения частоты. В этом кольце управляемый генератор является объектом управления, фазовый детектор выполняет функцию элемента сравнения, сравнивающего входной сигнал, поступающий с выхода фазового модулятора, с сигналом обратной связи, поступающим с выхода делителя частоты, а делитель частоты - элементом, задающим соотношение значений несущей частоты выходного сигнала управляемого генератора и несущей частоты сигнала, поступающего с выхода фазового модулятора. Фазовый модулятор и смеситель по отношению к этому кольцу являются внешними входными и выходными элементами. Сигнальный вход фазового модулятора образует сигнальный вход блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, соединенный с выходом подстраиваемого кварцевого генератора. Опорный вход фазового модулятора образует низкочастотный опорный вход блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, соединенный с низкочастотным выходом блока формирования опорных сигналов. Второй вход смесителя образует высокочастотный опорный вход блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, соединенный с высокочастотным выходом блока формирования опорных сигналов. Выход смесителя образует выход блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, соединенный с входом радиочастотного возбуждения квантового дискриминатора.The RF excitation signal generating unit contains a phase modulator, a phase detector, a filter, a controlled generator and mixer, and a frequency divider by N, where N = 342, the input of which is connected to the output of the controlled generator and the output to the second input of the phase detector. Thus, the controlled oscillator is included in the phase locked loop, consisting of a controlled oscillator, frequency divider, phase detector and filter, which implements the function of indirect frequency multiplication. In this ring, the controlled generator is the control object, the phase detector performs the function of a comparison element comparing the input signal coming from the output of the phase modulator with the feedback signal coming from the output of the frequency divider, and the frequency divider is an element that sets the ratio of the carrier frequencies of the output signal controlled generator and carrier frequency of the signal coming from the output of the phase modulator. The phase modulator and mixer with respect to this ring are external input and output elements. The signal input of the phase modulator forms the signal input of the RF excitation signal generating unit, connected to the output of the tunable crystal oscillator. The reference input of the phase modulator forms a low-frequency reference input of the RF signal generating unit, connected to the low-frequency output of the reference signal generating unit. The second input of the mixer forms a high-frequency reference input of the RF signal generating unit connected to a high-frequency output of the reference signal generating unit. The output of the mixer forms the output of the RF excitation signal generating unit connected to the RF excitation input of the quantum discriminator.
Работа квантового стандарта частоты, принятого в качестве прототипа, осуществляется следующим образом. Выходной сигнал подстраиваемого кварцевого генератора, номинальное значение частоты f1 которого составляет 20 МГц, поступает на вход блока формирования опорных сигналов, где на его основе синтезируется высокочастотный опорный сигнал с частотой fсч, а также формируется низкочастотный опорный сигнал с частотой fм.The work of the quantum frequency standard, adopted as a prototype, is as follows. The output signal of the tunable crystal oscillator, the nominal value of the frequency f 1 of which is 20 MHz, is fed to the input of the reference signal generation unit, where it is used to synthesize a high-frequency reference signal with a frequency of f cps , and a low-frequency reference signal with a frequency of f m is generated.
Выходной сигнал подстраиваемого кварцевого генератора поступает также на сигнальный вход блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, а именно на сигнальный вход фазового модулятора. На опорный вход фазового модулятора с низкочастотного выхода блока формирования опорных сигналов поступает низкочастотный опорный сигнал, значение частоты которого fм=155 Гц выбрано с учетом ширины спектральной линии квантового дискриминатора. С выхода фазового модулятора фазомодулированный сигнал с несущей частотой f1 поступает на первый вход фазового детектора, являющегося входным элементом схемы косвенного умножения частоты, обеспечивающей формирование на выходе управляемого генератора фазомодулированного сигнала с несущей частотой fн=f1·N. Этот сигнал поступает на первый вход смесителя, на второй вход которого с высокочастотного выхода блока формирования опорных сигналов поступает высокочастотный опорный сигнал, значение частоты которого fcч=5,31… МГц выбрано как разница номинального значения несущей частоты fн=f1·N=6840 МГц и частоты рабочего атомного перехода квантового дискриминатора f0=6834,68… МГц. В результате преобразования, осуществляемого в смесителе, на выходе смесителя формируется сложный по спектру сигнал, состоящий из ряда гармоник, представляющих собой фазомодулированные сигналы суммарных и разностных частот. Одна из этих гармоник, значение несущей частоты f2 которой определяется выражением f2=fн-fсч=f1·N-fсч используется в качестве сигнала радиочастотного возбуждения квантового дискриминатора.The output signal of the tunable crystal oscillator is also fed to the signal input of the RF excitation signal generating unit, namely, to the signal input of the phase modulator. At the reference input of the phase modulator from the low-frequency output of the reference signal generating unit, a low-frequency reference signal is received, the frequency value of which is f m = 155 Hz, taking into account the spectral line width of the quantum discriminator. From the output of the phase modulator, a phase-modulated signal with a carrier frequency f 1 is fed to the first input of a phase detector, which is an input element of an indirect frequency multiplication circuit that ensures the formation of a phase-modulated signal at the output of a controlled generator with a carrier frequency f n = f 1 · N. This signal is fed to the first input of the mixer, the second input of which from the high-frequency output of the reference signal generating unit receives a high-frequency reference signal, the frequency value of which f cc = 5.31 ... MHz, is chosen as the difference in the nominal value of the carrier frequency f n = f 1 · N = 6840 MHz and the frequencies of the working atomic transition of the quantum discriminator f 0 = 6834.68 ... MHz. As a result of the conversion carried out in the mixer, a complex signal is formed at the output of the mixer, consisting of a series of harmonics, which are phase-modulated signals of the sum and difference frequencies. One of these harmonics, the value of the carrier frequency f 2 of which is determined by the expression f 2 = f n -f cf = f 1 · Nf cf, is used as the radio frequency excitation signal of the quantum discriminator.
Квантовый дискриминатор реализует механизм двойного радиооптического резонанса поглощения сигнала радиочастотного возбуждения в рабочем веществе газовой ячейки с детектированием резонанса поглощения по свету оптической накачки, прошедшему через газовую ячейку, с помощью фотодетектора. При этом в качестве полезного сигнала используется одна из спектральных составляющих выходного сигнала фотодетектора с частотой, соответствующей частоте fм модуляции сигнала радиочастотного возбуждения, амплитуда и фаза которой несут в себе информацию об отклонении несущей частоты f2 сигнала радиочастотного возбуждения от частоты f0 рабочего атомного перехода квантового дискриминатора.The quantum discriminator implements the mechanism of double radio-optical resonance absorption of a radio frequency excitation signal in the working substance of a gas cell with detection of the absorption resonance by optical pumping light transmitted through the gas cell using a photodetector. In this case, one of the spectral components of the photodetector output signal with a frequency corresponding to the frequency f m of modulation of the radio frequency excitation signal, the amplitude and phase of which carry information about the deviation of the carrier frequency f 2 of the radio frequency excitation signal from the frequency f 0 of the working atomic transition, is used as a useful signal quantum discriminator.
Эта информация в виде сигнала ошибки выделяется в результате синхронного детектирования, осуществляемого в блоке формирования управляющего напряжения относительно опорного сигнала с частотой fм, поступающего с низкочастотного выхода блока формирования опорных сигналов. Полученный в результате синхронного детектирования сигнал ошибки далее интегрируется с получением управляющего напряжения для подстраиваемого кварцевого генератора.This information in the form of an error signal is released as a result of synchronous detection carried out in the control voltage generating unit relative to the reference signal with a frequency f m coming from the low-frequency output of the reference signal generating unit. The error signal obtained as a result of synchronous detection is further integrated to obtain a control voltage for a tunable crystal oscillator.
Под действием управляющего напряжения, поступающего на управляющий вход подстраиваемого кварцевого генератора, частота его выходного сигнала f1 изменяется в сторону уменьшения сигнала ошибки, приводя связанную с ней частоту f2 в соответствие с частотой f0. Таким образом осуществляется процесс стабилизации частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (выходного сигнала квантового стандарта частоты) относительно стабильной частоты f0 рабочего атомного перехода квантового дискриминатора в условиях, когда номинальное значение частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора кратно секунде (в рассмотренном случае f1=20 МГц), что удобно для формирования шкалы времени.Under the influence of the control voltage supplied to the control input of the tunable crystal oscillator, the frequency of its output signal f 1 changes in the direction of decreasing the error signal, bringing the associated frequency f 2 in accordance with the frequency f 0 . Thus, the process of stabilization of the frequency of the output signal of the tunable crystal oscillator (output signal of the quantum frequency standard) is carried out relative to the stable frequency f 0 of the working atomic transition of the quantum discriminator under conditions when the nominal frequency of the output signal of the tunable crystal oscillator is a multiple of a second (in the case considered, f 1 = 20 MHz), which is convenient for forming a time scale.
Однако некратное преобразование частоты f1 в частоту f2, осуществляемое в блоке формирования сигнала радиочастотного возбуждения с использованием смесителя на своем выходе, приводит к обогащению спектра формируемого сигнала радиочастотного возбуждения нежелательными спектральными составляющими, обусловленными нелинейными процессами преобразования в смесителе (в частности, ближайшими спектральными составляющими, кратными опорной частоте fсч), что в конечном итоге проявляется в увеличении текущей «шумовой» нестабильности частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора и в сдвигах ее действительного значения.However, the multiple conversion of the frequency f 1 to the frequency f 2 carried out in the RF excitation signal generating unit using the mixer at its output leads to the enrichment of the spectrum of the generated RF excitation signal with undesirable spectral components due to nonlinear conversion processes in the mixer (in particular, the nearest spectral components multiples of the reference frequency f cf ), which ultimately manifests itself in an increase in the current “noise” frequency instability the output signal of the tunable crystal oscillator and in shifts of its actual value.
Очевидное, на первый взгляд, решение проблемы очищения спектра сигнала радиочастотного возбуждения путем применения дополнительных элементов фильтрации на выходе блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения на практике не применяется из-за технических сложностей, возникающих при попытках реализовать фильтры нужной добротности в гигагерцевом диапазоне частот, совместимые с СВЧ-резонатором квантового дискриминатора.At first glance, the obvious solution to the problem of clearing the spectrum of the RF excitation signal by using additional filtering elements at the output of the RF excitation signal generation unit is not applied in practice due to technical difficulties that arise when trying to implement filters of the required quality factor in the GHz frequency range, compatible with microwave resonator of a quantum discriminator.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является создание квантового стандарта частоты с новой структурой блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, обеспечивающей в условиях некратного преобразования частоты с использованием смесителя получение сигнала радиочастотного возбуждения с улучшенным спектром, что приводит, по сравнению с прототипом, к уменьшению сдвигов и нестабильности частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (выходного сигнала квантового стандарта частоты).The technical result, to which the claimed invention is directed, is to create a quantum frequency standard with a new structure of a block for generating a radio frequency excitation signal, which, in the case of multiple frequency conversion using a mixer, provides a radio frequency excitation signal with an improved spectrum, which leads, in comparison with the prototype, to reduction of shifts and frequency instability of the output signal of the tunable crystal oscillator (the output signal is quantum a frequency standard).
Сущность заявляемого изобретения заключается в следующем. Квантовый стандарт частоты содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения, квантовый дискриминатор и блок формирования управляющего напряжения, выход которого подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора, а также блок формирования опорных сигналов, низкочастотный выход которого соединен с опорным входом блока формирования управляющего напряжения и низкочастотным опорным входом блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, высокочастотный выход соединен с высокочастотным опорным входом блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, а вход соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора, при этом блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения содержит последовательно соединенные фазовый модулятор, опорный вход которого образует низкочастотный опорный вход блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, фазовый детектор, фильтр, управляемый генератор и делитель частоты, а также смеситель. В отличие от прототипа, второй вход фазового детектора соединен с выходом смесителя, первый вход которого образует сигнальный вход блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, а второй вход соединен с выходом делителя частоты, при этом выход управляемого генератора образует выход блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, а сигнальный вход фазового модулятора - высокочастотный опорный вход блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения.The essence of the claimed invention is as follows. The quantum frequency standard contains a tunable quartz oscillator, a radio frequency excitation signal generating unit, a quantum discriminator and a control voltage generating unit, the output of which is connected to a control input of the tunable crystal oscillator, as well as a reference signal generating unit, the low-frequency output of which connected to the reference input of the control voltage generating unit and the low-frequency reference during the course of the RF excitation signal generating unit, the high-frequency output is connected to the high-frequency reference input of the RF excitation signal generating unit, and the input is connected to the output of the tunable crystal oscillator, while the RF excitation signal generating unit contains a phase modulator connected in series, the reference input of which forms a low-frequency reference input of the block generating an RF excitation signal, a phase detector, a filter, a controlled oscillator, and frequency divider, as well as a mixer. Unlike the prototype, the second input of the phase detector is connected to the output of the mixer, the first input of which forms the signal input of the RF excitation signal generating unit, and the second input is connected to the output of the frequency divider, while the output of the controlled generator forms the output of the radio frequency excitation signal generating unit, and the signal the input of the phase modulator is a high-frequency reference input of the block for generating a radio frequency excitation signal.
Сущность изобретения и возможность его осуществления поясняются структурной схемой квантового стандарта частоты, представленной на чертеже.The invention and the possibility of its implementation are illustrated by the structural diagram of the quantum frequency standard shown in the drawing.
Заявляемый квантовый стандарт частоты, представленный на структурной схеме, содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор 1, выход которого является выходом квантового стандарта частоты, блок 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, квантовый дискриминатор 3 и блок 4 формирования управляющего напряжения, выход которого подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора 1, а также блок 5 формирования опорных сигналов, низкочастотный выход которого соединен с опорным входом блока 4 формирования управляющего напряжения и низкочастотным опорным входом блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, высокочастотный выход соединен с высокочастотным опорным входом блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, а вход соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора 1.The inventive quantum frequency standard, presented in the block diagram, contains a
Блок 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения содержит фазовый детектор 6, фильтр 7, управляемый генератор 8, делитель частоты 9, фазовый модулятор 10 и смеситель 11. Первый вход фазового детектора 6 соединен с выходом фазового модулятора 10, второй вход фазового детектора 6 соединен с выходом смесителя 11, выход фазового детектора 6 через фильтр 7 соединен с входом управляемого генератора 8. Первый вход смесителя 11 образует сигнальный вход блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, соединенный с выходом подстраиваемого кварцевого генератора 1. Второй вход смесителя 11 через делитель частоты 9, имеющий коэффициент деления N, где N - целое число, соединен с выходом управляемого генератора 8. Сигнальный вход фазового модулятора 10 образует высокочастотный опорный вход блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, соединенный с высокочастотным выходом блока 5 формирования опорных сигналов. Опорный вход фазового модулятора 10 образует низкочастотный опорный вход блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, соединенный с низкочастотным выходом блока 5 формирования опорных сигналов. Выход управляемого генератора 8 образует выход блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, соединенный с входом радиочастотного возбуждения квантового дискриминатора 3.The RF excitation
Квантовый дискриминатор 3 может быть выполнен, например, как в прототипе, на основе газовой ячейки с рабочим веществом в виде паров рубидия Rb87 (частота рабочего атомного перехода f0=6834,68… МГц). Газовая ячейка размещена в СВЧ-резонаторе, настроенном на частоту f0, и оптически связана с источником света оптической накачки и фотодетектором, входящими в состав квантового дискриминатора 3. Радиочастотный вход СВЧ-резонатора образует вход радиочастотного возбуждения квантового дискриминатора 3, соединенный с выходом блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, а выход фотодетектора образует выход квантового дискриминатора 3, соединенный с сигнальным входом блока 4 формирования управляющего напряжения.
Блок 4 формирования управляющего напряжения может быть выполнен, как в прототипе, в виде последовательно соединенных усилителя, синхронного детектора и интегратора. При этом вход усилителя образует сигнальный вход блока 4 формирования управляющего напряжения, соединенный с выходом квантового дискриминатора 3, выход интегратора образует выход блока 4 формирования управляющего напряжения, соединенный с управляющим входом подстраиваемого кварцевого генератора 1, а опорный вход синхронного детектора образует опорный вход блока 4 формирования управляющего напряжения, соединенный с низкочастотным выходом блока 5 формирования опорных сигналов.
Блок 5 формирования опорных сигналов может быть выполнен в виде синтезатора частот, формирующего на основе выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 два опорных сигнала - высокочастотный опорный сигнал с частотой fсч и низкочастотный опорный сигнал с частотой fм.
Работа заявляемого квантового стандарта частоты происходит следующим образом.The operation of the claimed quantum frequency standard is as follows.
Подстраиваемый кварцевый генератор 1 формирует на своем выходе гармонический сигнал частотой f1, номинальное значение которой кратно секунде, например f1=10 МГц, и соответственно не кратно частоте f0 рабочего атомного перехода квантового дискриминатора 3. Этот сигнал поступает на вход блока 5 формирования опорных сигналов, где на его основе формируются (синтезируется) высокочастотный опорный сигнал с частотой fсч и низкочастотный опорный сигнал с частотой fм. Значение частоты fсч связано со значением частоты f1 выражением fсч=Ксч·f1, где Ксч - коэффициент высокочастотного преобразования (дробное число), а значение частоты fм, связано со значением частоты f1 выражением fм=f1/Кнч, где Кнч - коэффициент низкочастотного преобразования (целое число). Высокочастотный и низкочастотный опорные сигналы поступают на высокочастотный и низкочастотный опорные входы блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, образованные соответствующими входами фазового модулятора 10. Кроме этого, низкочастотный опорный сигнал поступает на опорный вход блока 4 формирования управляющего напряжения.The
Выходной сигнал подстраиваемого кварцевого генератора 1 поступает также на сигнальный вход блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, на высокочастотный и низкочастотный опорные входы которого поступают высокочастотный и низкочастотный опорные сигналы с соответствующих выходов блока 5 формирования опорных сигналов. На основе этих трех входных сигналов в блоке 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения формируется фазомодулированный (с частотой модуляции fм) СВЧ-сигнал радиочастотного возбуждения, номинальное значение несущей частоты f2 которого (отвечающее номинальному значению частоты f1) соответствует частоте f0 рабочего атомного перехода квантового дискриминатора 3.The output signal of the
Формирование сигнала радиочастотного возбуждения осуществляется с помощью управляемого генератора 8, являющегося выходным элементом схемы фазовой автоподстройки частоты, реализующей функцию повышающего некратного преобразования частоты. Эта схема содержит соединенные в кольцо фазовый детектор 6, фильтр 7, управляемый генератор 8, делитель частоты 9 и смеситель 11, при этом фазовый модулятор 10 является по отношению к этой схеме внешним элементом, обеспечивающим формирование фазомодулированного сигнала сравнения с несущей частотой fcч для фазового детектора 6. Работа схемы фазовой автоподстройки частоты по формированию сигнала радиочастотного возбуждения происходит следующим образом. Выходной сигнал подстраиваемого кварцевого генератора 1, поступающий на сигнальный вход блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, проходит на первый вход смесителя 11, на второй вход которого через делитель частоты 9, имеющий коэффициент деления N, поступает выходной сигнал управляемого генератора 8, являющийся выходным сигналом блок 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения. На выходе смесителя 11 выделяется разностный сигнал промежуточной частоты fпч=|f1-f2/N|, значение которой в установившемся режиме соответствует частоте fcч.The formation of the radio frequency excitation signal is carried out using a controlled
Разностный сигнал промежуточной частоты fпч далее сравнивается в фазовом детекторе 6 с выходным сигналом фазового модулятора 10, представляющим собой модулированный по фазе с частотой fм высокочастотный сигнал с несущей частотойThe difference signal of the intermediate frequency f pch is further compared in the
fсч=Kcч·f1. В результате сравнения этих сигналов на выходе фазового детектора 6 формируется сигнал рассогласования, который после фильтрации в фильтре 7, представляющем собой, например, фильтр нижних частот с частотой среза, примерно равной частоте модуляции fм, поступает на вход управляемого генератора 8, подстраивая его выходной фазомодулированный СВЧ-сигнал таким образом, что в установившемся режиме в отношении несущей частоты выполняется равенство fпч=fcч, т.е. |f1-f2/N|=fcч, а в отношении фазовой модуляции сохраняется частота модуляции fм выходного сигнала фазового модулятора 10 (см., например, монографию [6] - А.Д.Артым. Теория и методы частотной модуляции. //М.-Л., Госэнергоиздат, 1961, с.155-170).f sc = K cf f 1 . By comparing these signals at the output of the
Таким образом, за счет действия схемы фазовой автоподстройки частоты в блоке 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения поддерживается равенство |f1-f2/N|=fcч. Из этого равенства следует, что если номинальное значение частоты f1 отвечает условию f1>f0/N, то текущее значение частоты f2 связано с частотой f1 выражением f2=(f1-fcч)·N=f1·(1-Ксч)·N, а если отвечает условию f1<f0/N, то текущее значение частоты f2 связано с частотой f1 выражением f2=(f1+fcч)·N=f1·(1+Ксч)·N. В обоих случаях значение частоты f2 однозначно определяется частотой f1 и значениями коэффициентов N и Ксч.Thus, due to the action of the phase-locked loop in the
Значения коэффициентов N и Кcч взаимосвязаны и выбор первого из них предопределяет выбор второго. В общем случае выбор коэффициентов N и Ксч может осуществляться в широких пределах, на практике выбор коэффициентов производится исходя из удобства реализации. В частности, коэффициент N может выбираться как ближайшее целое к числу, определяемому отношением f0/f1, причем это целое должно представляться произведением простых сомножителей, удобных для реализации. Например, в квантовом стандарте частоты, использующем квантовый дискриминатор 3 на рубидиевой газовой ячейке (f0=6834,68… МГц), при выбранном номинальном значении частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 f1=10 МГц значение коэффициента N может быть выбрано как N=29=512, а связанное с ним значение коэффициента Ксч как Кcч=0,334…, при этом fсч=Kcч·f1=3,34… МГц.The values of the coefficients N and K cf are interconnected and the choice of the first of them determines the choice of the second. In the general case, the selection of the coefficients N and K cf can be carried out over a wide range; in practice, the selection of the coefficients is based on the convenience of implementation. In particular, the coefficient N can be chosen as the nearest integer to the number determined by the ratio f 0 / f 1 , and this integer should be represented as a product of simple factors that are convenient for implementation. For example, in the quantum frequency standard using a
Значение частоты fм, определяемое выражением fм=f1/Кнч, выбирается в соответствии с шириной спектральной линии квантового дискриминатора 3, например в пределах fм=(30÷170) Гц, с учетом удобства реализации коэффициента Kнч.The value of the frequency f m , defined by the expression f m = f 1 / K nch , is selected in accordance with the width of the spectral line of the
Сформированный рассмотренным образом выходной сигнал управляемого генератора 8, являющийся выходным сигналом блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, не содержит в своем спектре нежелательных составляющих, обусловленных нелинейными процессами некратного преобразования частоты в смесителе 11, что объясняется фильтрацией, осуществляемой в отношении этих составляющих фазовым детектором 6, фильтром 7 и в целом замкнутой в кольцо схемой фазовой автоподстройки частоты, в состав которой входит смеситель 11. Это принципиально отличает заявляемый квантовый стандарт частоты от прототипа, где смеситель находится вне кольца фазовой автоподстройки частоты на выходе блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения и его выходной сигнал, содержащий нежелательные гармоники, является выходным сигналом блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения.The output signal of the controlled
Выходной сигнал управляемого генератора 8, являющийся в заявляемом квантовом стандарте частоты выходным сигналом блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, поступает на вход радиочастотного возбуждения квантового дискриминатора 3. Квантовый дискриминатор 3 реализует механизм двойного радиооптического резонанса поглощения сигнала радиочастотного возбуждения в рабочем веществе газовой ячейки с детектированием резонанса поглощения по свету оптической накачки, прошедшему через газовую ячейку, с помощью фотодетектора. При этом на выходе фазового детектора формируется полезный сигнал с частотой, соответствующей частоте fм модуляции сигнала радиочастотного возбуждения. Амплитуда и фаза этого сигнала несут в себе информацию об отклонении несущей частоты f2 сигнала радиочастотного возбуждения от частоты f0 рабочего атомного перехода квантового дискриминатора 3.The output signal of the controlled
Этот полезный сигнал поступает с выхода квантового дискриминатора 3 на сигнальный вход блока 4 формирования управляющего напряжения, где усиливается и подвергается синхронному детектированию относительно низкочастотного опорного сигнала с частотой fм, поступающего на его опорный вход с низкочастотного выхода блока 5 формирования опорных сигналов. В результате синхронного детектирования формируется сигнал ошибки, характеризующий величину и знак отклонения несущей частоты f2 сигнала радиочастотного возбуждения от частоты f0 рабочего атомного перехода квантового дискриминатора 3. Этот сигнал ошибки далее интегрируется с получением управляющего напряжения, которое с выхода блока 4 формирования управляющего напряжения поступает на управляющий вход подстраиваемого кварцевого генератора 1.This useful signal is supplied from the output of the
Под действием управляющего напряжения, поступающего на управляющий вход подстраиваемого кварцевого генератора 1, частота его выходного сигнала изменяется в сторону уменьшения сигнала ошибки. В результате текущее значение частоты f1 выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 приводится в соответствие со своим номинальным значением, а значение несущей частоты f2 сигнала радиочастотного возбуждения - в соответствие с частотой f0 рабочего атомного перехода квантового дискриминатора 3.Under the action of the control voltage supplied to the control input of the
Таким образом осуществляется процесс стабилизации частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 (выходного сигнала квантового стандарта частоты) относительно стабильной частоты f0 рабочего атомного перехода квантового дискриминатора 3 в рассматриваемых условиях, когда номинальное значение частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 не связано с частотой f0 рабочего атомного перехода квантового дискриминатора 3 целочисленным соотношением. При этом за счет отсутствия в спектре формируемого сигнала радиочастотного возбуждения нежелательных составляющих, обусловленных нелинейными процессами в смесителе 11, обеспечивается уменьшение, по сравнению с прототипом, текущей «шумовой» нестабильности частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 и сдвигов ее действительного значения.Thus, the process of stabilizing the frequency of the output signal of the tunable crystal oscillator 1 (the output signal of the quantum frequency standard) is carried out relative to the stable frequency f 0 of the working atomic transition of the
Аналогичным образом и с аналогичным эффектом работает квантовый стандарт частоты, использующий квантовый дискриминатор 3 на основе цезиевой атомно-лучевой трубки (f0=9192,6… МГц). В этом случае при указанном номинальном значении частоты f1 подстраиваемого кварцевого генератора 1, а именно f1=10 МГц, значения коэффициентов N и Ксч могут быть выбраны как N=29=512и Ксч=0,795..., при этом fcч=Kcч·f1=7,95… МГц, а значение частоты fм может находиться в пределах fм=(30÷170) Гц.In a similar way and with a similar effect, the quantum frequency standard works using a
Рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение осуществимо и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании квантового стандарта частоты с новой структурой блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, обеспечивающей в условиях некратного преобразования частоты с использованием смесителя получение сигнала радиочастотного возбуждения с улучшенным спектром, что позволяет в итоге получить более точный и стабильный выходной сигнал квантового стандарта частоты.The above shows that the claimed invention is feasible and ensures the achievement of a technical result consisting in the creation of a quantum frequency standard with a new structure of the RF excitation signal generating unit, which provides, under conditions of multiple frequency conversion using a mixer, the production of an RF signal with an improved spectrum, which allows one to obtain more accurate and stable output of the quantum frequency standard.
Источники информацииInformation sources
1. А.И.Пихтелев, А.А.Ульянов, Б.П.Фатеев и др. Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов // М., Сов. радио, 1978.1. A.I. Pikhtelev, A. A. Ulyanov, B. P. Fateev and others. Standards of frequency and time based on quantum generators and discriminators // M., Sov. radio, 1978.
2. F.Emma, G.Busca, P.Rochat. Atomic Clocks for Space Applications. //ION GPS-99 Proceedings, 1999, pp.2285-2293.2. F. Emma, G. Busca, P. Rochat. Atomic Clocks for Space Applications. // ION GPS-99 Proceedings, 1999, pp. 2285-2293.
3. RU 2220499 C2, H03L 7/16, H01S 3/10, опубл. 27.12.2003.3. RU 2220499 C2,
4. US 6300841 B1, H03L 7/26, опубл. 09.10.2001.4. US 6300841 B1,
5. US 6985043 B2, H01S 1/06, опубл. 10.01.2006.5. US 6985043 B2,
6. А.Д.Артым. Теория и методы частотной модуляции. // М.-Л., Госэнергоиздат, 1961.6. A.D. Artym. Theory and methods of frequency modulation. // M.-L., Gosenergoizdat, 1961.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008144213/09A RU2378756C1 (en) | 2008-11-06 | 2008-11-06 | Quantum frequency standard |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008144213/09A RU2378756C1 (en) | 2008-11-06 | 2008-11-06 | Quantum frequency standard |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2378756C1 true RU2378756C1 (en) | 2010-01-10 |
Family
ID=41644346
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008144213/09A RU2378756C1 (en) | 2008-11-06 | 2008-11-06 | Quantum frequency standard |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2378756C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108981748A (en) * | 2018-06-15 | 2018-12-11 | 上海卫星工程研究所 | A kind of atom frequency discrimination turntable rate accuracy test method and system |
| RU2714101C1 (en) * | 2019-02-27 | 2020-02-11 | Акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" | Frequency standard |
| RU2794102C1 (en) * | 2022-08-22 | 2023-04-11 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Combined quantum frequency standard |
-
2008
- 2008-11-06 RU RU2008144213/09A patent/RU2378756C1/en active
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108981748A (en) * | 2018-06-15 | 2018-12-11 | 上海卫星工程研究所 | A kind of atom frequency discrimination turntable rate accuracy test method and system |
| RU2714101C1 (en) * | 2019-02-27 | 2020-02-11 | Акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" | Frequency standard |
| RU2794102C1 (en) * | 2022-08-22 | 2023-04-11 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Combined quantum frequency standard |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Weng et al. | Spectral purification of microwave signals with disciplined dissipative Kerr solitons | |
| US6333942B1 (en) | Atomic frequency standard laser pulse oscillator | |
| Hall et al. | Stabilization and frequency measurement of the I/sub 2/-stabilized Nd: YAG laser | |
| CN110515290B (en) | Laser frequency stabilization method and optical system for improving performance of optical pumping cesium beam atomic clock | |
| US6985043B2 (en) | Atomic oscillator | |
| US20090289728A1 (en) | Atomic frequency standard based on phase detection | |
| CN103684450A (en) | Method for outputting standard frequency of coherent population beat-frequency atomic clock | |
| Bluestone et al. | An ultra-low phase-noise 20-GHz PLL utilizing an optoelectronic voltage-controlled oscillator | |
| Gobron et al. | Dispersive heterodyne probing method for laser frequency stabilization based on spectral hole burning in rare-earth doped crystals | |
| CN109525244B (en) | Coupling type photoelectric oscillation signal generator with high-speed and adjustable frequency | |
| US9130579B2 (en) | Atomic oscillator and manufacturing method of the atomic oscillator | |
| RU2408978C1 (en) | Quantum frequency standard on gas cell with laser optical pumping | |
| CN113394646B (en) | Tuned optoelectronic oscillator and feedback control method thereof | |
| RU2378756C1 (en) | Quantum frequency standard | |
| CN109194329A (en) | A kind of microwave source | |
| CN111147073B (en) | Microwave frequency locking device | |
| Ruffieux et al. | A low-power fully integrated RF locked loop for miniature atomic clock | |
| RU75807U1 (en) | QUANTUM FREQUENCY STANDARD ON THE GAS CELL (OPTIONS) | |
| Buckmaster et al. | The application of phase-lock microwave frequency stabilizers to electron paramagnetic resonance spectrometers | |
| RU2426226C1 (en) | Quantum frequency standard | |
| RU77057U1 (en) | HYDROGEN FREQUENCY AND TIME STANDARD | |
| JP2020503569A (en) | Terahertz laser source and method for emitting terahertz radiation | |
| RU90587U1 (en) | QUANTUM HYDROGEN FREQUENCY STANDARD | |
| RU2794102C1 (en) | Combined quantum frequency standard | |
| Zhao et al. | A 15 mW, 4.6 GHz frequency synthesizer ASIC with− 85 dBc/Hz at 2 kHz for miniature atomic clocks |