銣光譜燈激勵電路反饋控制研究

張金海，涂建輝，梁耀廷，崔敬忠

（蘭州物理研究所，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

銣原子頻標因具有體積小、功耗低、預熱快、結構簡單等優勢而被廣泛應用于通信、無線電導航、電視傳播等領域。衛星導航精度的不斷提高對銣原子頻標的穩定度有了更高的要求。銣光譜燈為銣原子躍遷提供抽運光源，其輸出光強的穩定性對銣原子頻標性能指標有直接的影響[1]。銣光譜燈是銣原子頻標的核心部件之一，對于銣光譜燈來說，激勵電路工作的穩定與否是決定銣光譜燈的光強穩定性的重要因素。由于激勵電路中的高頻晶體管的輸出電流隨著外界溫度的變化而變化，這樣會使得激勵電路的工作點發生變化，為了減小因環境溫度變化對晶體管性能的影響，適當改進激勵電路，增加反饋控制電路，穩定激勵電路的直流工作點，從而提高銣光譜燈光強穩定性。國外在此方面做過相應的工作，且取得較好的效果[2]。借鑒這種思路開展研究工作，以改善銣原子頻標整機性能。

2 激勵電路的設計

激勵電路采用的是串聯型電容三點式激勵電路，電路原理圖如圖1所示。

激勵電路的回路由C2、C3、C4、C5和激勵線圈L3組成，銣燈泡位于激勵線圈中，在高頻電場作用下發出抽運光。C2、C5決定激勵電路的振蕩頻率，改變C2和C5可以減小晶體管電容對頻率的影響，提高振蕩頻率穩定度。C3、C4是微調電容，用來調節激勵線圈的振蕩頻率。D1和R2作為晶體管Q1偏置網絡的一部分，提供相對較低的偏置源[3]。通過實驗發現，激勵電路在工作時，隨著溫度的變化，工作電流也隨之改變，則銣燈泡的發光狀態亦發生改變，這主要是由于高頻晶體管Q1對外界溫度的敏感性引起的，其中主要與晶體管的ICBO、ICEO等參數有關。當外界溫度升高，從外部看ICBO增大，則ICEO增大，從而使得IC增大；反之，當外界溫度降低時，則IC隨之減小。為了穩定激勵電路的工作狀態，適當改進了激勵電路，增加反饋控制電路[3]，提高激勵電路的穩定性。

3 反饋控制電路的設計

通過增加反饋控制電路使基極電流穩定，從而可以提高激勵電路的穩定性,實現穩定銣光譜燈光強的目的。激勵電路的端口A、B是連接反饋控制電路的2個端口，整個控制環路的工作原理框圖如圖2所示。

圖2 反饋控制電路工作原理框圖

光檢測器 反饋控制電路

銣燈泡

激勵電路

反饋控制電路主要由電壓射隨器AR1、比較器AR2以及差分放大器AR3三部分組成，電路工作原理如圖3所示。

圖3 控制電路工作原理圖

該控制電路所要實現的功能主要有2個：一是點燈電壓的切換；二是調節控制激勵電路的基極偏置電流。

整個控制回路的工作原理是：銣燈泡未被點亮前，光強檢測信號為零，AR1輸出為零，AR2反相端輸入電壓低于同相端參考電壓UREF1，AR2輸出高電壓，二極管D2導通，運放AR3同相端電壓遠大于反向端電壓，運放輸出高電壓，使得銣燈泡在高功率下點亮。銣燈泡點亮之后，光強檢測信號逐漸增大，當高于AR2同相端參考電壓時，比較器AR2輸出低電壓，二極管D2截止，AR3同相端電壓UREF2減小，運放AR3輸出電壓降低，則激勵電路中的IB減小，IC亦減小，使得銣燈泡在低功率下維持工作。由于晶體管的輸出電流隨著溫度變化，當溫度升高時，IC增大，則端口A電壓UA增大，運放AR3輸出電壓減小，即UB減小，這樣使得IB減小，則IC減小，反之亦然。

4 測試結果

在（25±0.5）℃恒溫環境下，對激勵電路在不加控制電路和加控制電路2種狀態下分別進行了10天的測試，采樣時間間隔是10 s。圖4是兩組光強穩定度測試結果的比較。

圖4 光強穩定度測試曲線

由圖4可以看出，激勵電路在加上控制電路之后，所測得光強穩定度曲線要好于未加控制環路之前所測得的曲線。表1是2種狀態下所測得一些指標的比較。

表1 銣光譜燈光強測試指標比較

從表1中可以看到，加上控制電路所測得銣燈光強的性能指標均優于未加控制電路所測指標，根據所用的物理部分測得的光頻移系數是2×10-11/%推算，銣光譜燈輸出光強的變化對萬秒穩定度、天漂移率的貢獻分別為8.84×10-14、2.3×10-14。這說明，通過對銣光譜燈激勵電路增加控制電路，提高了銣光譜燈光強的穩定性，這將有助于提高銣原子頻標的長期穩定度。

5 結論

作者設計了具有反饋控制的銣光譜燈激勵電路，并進行了實驗研究。通過實驗數據可以看出，激勵電路在增加控制電路后，銣光譜燈輸出光強的萬秒穩定度、天漂移率分別較未加控制的激勵電路均有所提高，說明控制電路在一定程度上提高了銣光譜燈光強的穩定性，達到了改進的目的。

[1]涂建輝,李冠斌,達道安,等.銣光譜燈老化過程分析[J].真空與低溫,2006,12(3):173～174.

[2]RILEYWJ.A rubidium clock for gps[C].Proceeding of the thirteen annual precise time and interval applications and planning meeting,1981,11.

[3]RILEYWJ.Hamilton.Power supplycircuit for an alkali vapor spectral lamp[P].U.S.Patent No.4,721,890,1988-01-26.