銣頻標溫度系數影響因素分析與改進方法研究

張 俊 王世偉 郭永剛 陸 昉 楊 煒 石福成 崔敬忠

(真空技術與物理重點實驗室，蘭州空間技術物理研究所，甘肅蘭州 730000)

1 引 言

氣泡型銣原子頻標(即被動型銣頻標)以其體積小、重量輕、功耗低、穩定性優良，成為目前應用最廣泛的原子頻標。它利用Rb87原子基態52S1/2兩超精細塞曼子能級F=1，mF=0和F=2，mF=0之間的躍遷頻率進行鑒頻，經過鎖頻環路將晶振頻率鎖定于此躍遷頻率[1]。銣頻標由物理部分和電路構成，物理部分起原子鑒頻器的作用[2]。

高性能的被動型銣頻標主要用于導航以及惡劣工作環境等特殊的領域。要求頻標不僅有高的穩定度和準確度，同時還必須具有高的可靠性以及抗擊能力、抗輻射能力和長壽命等，能在惡劣環境下長期工作等。作一個簡單的估算，若頻標的頻率穩定度為5E-13/d，在不考慮其它因素導致偏差的情況下，定位精度約為4.5m/d。所以，高準確度、高穩定度的原子頻標被認為是衛星定位的兩項關鍵技術[3]。銣頻標的穩定度包括短期穩定度和中長期穩定度，而中長期穩定度主要由溫度系數決定，目前銣頻標的天穩定度指標已達到1E-14/d甚至更優，因此，對溫度系數的要求也越來越高，目前做得較好的GPS BLOCK IIR及GALILEO所使用的銣頻標，它們的溫度系數典型值在5E-14/℃[3]，并且通過高性能熱控措施保證銣頻標安裝底板溫度在一天量級上的波動小于0.1℃，就有可能獲得5E-15/d的穩定度指標。

本文主要研究影響銣頻標溫度系數的影響因素，并開展一些改進分析和實踐，提出后續的改進思路。

2 銣頻標方案設計

2.1 整機方案設計

銣頻標由物理部分和伺服電路兩大部分組成。銣頻標整機功能框圖如圖1所示。電路部分由壓控晶振、倍頻電路、伺服電路、頻率綜合電路、遙控遙測電路、TCB(溫度控制基板)控溫電路、C場供電、二次電源等部分組成。

圖1 銣頻標整機功能框圖Fig.1 Block diagram of the rubidium clock

銣頻標整機采用雙層控溫方式，第一層控溫為對溫度比較敏感的部分電路(倍頻電路、伺服電路等)提供較穩定的工作溫度環境，同時使物理部分的安裝面的溫度變化控制在±1℃的范圍內，第二層控溫是物理部分內部的二個控溫：燈控溫和腔控溫，以保證物理部分核心工作部分的溫度穩定在所需的最佳溫度點上。

2.2 物理部分方案設計

物理部分采用三泡(銣燈泡、吸收泡、濾光泡)、雙控溫(銣燈泡、吸收泡分別控溫)設計方案。銣頻標物理部分主要包括：Rb87燈泡組件、Rb85濾光泡組件、Rb87吸收泡組件、光檢測器、微波諧振腔、控溫電路、磁屏蔽等。物理部分組成框圖如圖2所示。

圖2 銣頻標物理部分組成與結構框圖Fig.2 The composition and structure of the physical part of the rubidium clock

銣頻標物理部分工作原理為：Rb87燈泡在激勵電路作用下發射包括a線和b線的光譜，再由Rb85濾光泡濾除a線，最終由剩余譜線的b線激發Rb87吸收泡中處于處在F=1，mF=0基態能級上的Rb87原子發生躍遷，并與微波信號形成共振吸收，通過光檢測器檢測吸收泡的透射光強來檢測微波共振，形成光檢信號，此信號輸出到伺服用于鎖定外部的壓控晶體振蕩器，進而輸出穩定的頻率。

3 溫度系數分析與優化

3.1 溫度系數的影響因素

影響銣頻標頻率變化的因素絕大部分都是隨溫度變化而變化的，進而引起銣頻標頻率準確度的變化。如果能將溫度系數優化到5E-15/℃，溫度波動對銣原子頻標的影響會成為次要因素[4]。目前能達到的溫度系數指標而言，繼續研究和改進溫度系數對于提高銣頻標的中長期穩定度具有重要的意義。

近年來，隨著銣頻標技術的飛速發展，銣頻標105s上的中長期穩定度已進入到E-15量級，任何溫度的微小變化，都可能引起銣頻標頻率準確度的變化，從而導致銣頻標的中長期穩定度惡化。目前要將環境溫度和銣頻標安裝底板溫度在一天量級上的波動控制在小于0.1℃范圍內，還有一定的難度，因此，研究溫度系數變得十分重要。

由溫度系數的重要性可知：溫度系數是影響銣頻標中長期頻率穩定度的關鍵因素[5]。因此，溫度系數本質上就是影響銣頻標長期穩定度(一般可認為時域在萬秒以上的穩定度范圍)的所有因素的溫度敏感特性的疊加。時域的穩定度經驗見式(1)[1]

(1)

式中：σy(τ)——穩定度函數；σf1(τ)——影響短期頻率穩定度的函數；σf2(τ)——影響中長期頻率穩定度的函數；σf3(τ)——影響中長期頻率穩定度的其它因素；τ——取樣時間；Q——原子躍遷譜線的Q值；Vs/VN——量子系統的輸出的信噪比；aL——光頻移系數；aT——溫度漂移系數；α——頻率漂移系數。

1)當取樣時間τ很小時，穩定度主要由σf1(τ)決定，這就是短期頻率穩定度的影響因素，從式(1)可以看出，銣頻標的短穩主要由其譜線的品質因素Q和信噪比決定；

2)當取樣時間τ很大時，銣頻標的頻率穩定度主要由σf2(τ)和σf3(τ)決定。σf2(τ)主要包括了3個頻移系數，這些因素對原子頻標的影響是一個緩變的過程，要使頻標有好的中長期穩定度.必須克服或盡可能減小以上因素；

3)σf3(τ)目前還沒有明確的表達式，但對于高穩定度的銣頻標，其對穩定度的影響也不能忽略。這些因素包括：抽運光引起的光頻移、緩沖氣體引起的碰撞頻移、微波功率頻移[1]、銣光譜燈激勵功率引起的頻移、C場變化引起的頻移、腔頻牽引效應[3]、控溫電流變化引起的負溫度系數、二次穩壓電壓溫度系數、銣頻標電路部分溫度系數[6]等；

4)根據實踐經驗，以上影響中長期頻率穩定度的因素都會受到溫度的影響，并且它們與溫度的函數關系都可以通過試驗來獲取和分析。通過分析，提出改進設計思路，實現溫度系數的大幅改善。

3.1.1 碰撞頻移的影響因素

碰撞頻移經驗見式(2)[7]

υp=P0(β+δ(T-T0))

(2)

式中：νp——碰撞頻移；T——吸收泡溫度；T0——參考溫度點；P0——溫度為T0時緩沖氣體壓力；β——壓力頻移系數；δ——壓力頻移溫度系數；γ——壓力頻移二次溫度系數。

碰撞頻移與吸收泡內緩沖氣體的種類和壓力、吸收泡的溫度、銣光譜燈的發光狀態等因素有關。在泡中充入引起相反頻移的兩種氣體，就有可能互相抵消而得到較小的壓力頻移系數和溫度系數。本系統選用的氣體為N2和Ar的混合氣體。

另外，曲線極值點處溫度系數最小，稱為零溫度系數點。把泡的工作溫度點選在曲線的極值點上，溫度系數最低。

3.1.2 光頻移的影響因素

光頻移近似見式(3)[8]

(3)

其中，

ωid=(Ea-Ei)/?

由于抽運光可看作許多單色光的疊加，因此光頻移量也是許多單色光引起的頻移的疊加。抽運光的波形函數和許多因素有關，如銣燈泡的工作溫度、吸收泡的工作溫度[7]、燈激勵功率等。

3.2 各影響因素的分析與優化

3.2.1 零溫度系數點的優化

由于碰撞頻移和光頻移都依賴于吸收泡溫度和銣燈泡溫度，因此，銣燈泡和吸收泡的零溫度系數的溫度點可采用等高線圖解法。

通過改變不同的吸收泡溫度、銣燈泡溫度，測得相應的頻率準確度，即可求得最佳的零溫度系數點。我們選用了兩種不同N2和Ar氣體組份A、B的試驗情形，如圖3和圖4所示。

圖3 緩沖氣體壓力組份A的溫度系數等高曲線圖Fig.3 Temperature coefficient contour map of buffer gas pressure component A

圖4 緩沖氣體壓力組份B的溫度系數等高曲線圖Fig.4 Temperature coefficient contour map of buffer gas pressure component B

從等高線圖可以看出，曲面的平坦區域處在等高線疏松的區域，這也就是零溫度系數點選取的區間。同時，組份A的頻率準確度隨吸收泡溫度和銣燈泡溫度的變化平緩范圍更寬，斜率也較小。在零溫度系數點，吸收泡的溫度系數為負，銣燈泡的溫度系數為正；組份B的零溫度系數點對應的吸收泡和銣燈泡的溫度較高。在零溫度系數點，吸收泡的溫度系數為正，銣燈泡的溫度系數為正。因此，組份A的物理部分可調到最佳的零溫度系數點。

3.2.2 零光頻移的優化

如前所述，通過優化調節吸收泡溫度、銣燈泡溫度、燈激勵功率，就可以找到最佳的零光頻移點。當燈激勵電壓增加時，燈激勵電流會增加，燈激勵功率也會增加。在實際中，燈激勵功率不好測量和控制，因此，一般可通過改變銣光譜燈激勵電壓來間接反映燈激勵功率。頻率燈激勵電壓拉偏曲線如圖5所示。

圖5 燈激勵電壓拉偏曲線圖Fig.5 The pull-off curve of lamp excitation voltage

由圖5可以看出，拉偏曲線的平坦點大約在燈激勵電壓18V，此時光頻移量級大約為：光強每變化10%，頻率準確度變化大約1.0E-11。由于光強波動的長期穩定度阿倫方差值優于1.0E-5，故光強波動對長穩的影響也就是1.0E-15。

3.2.3 微波功率頻移的優化

根據經驗，微波功率會隨著溫度變化而變化，通過采用微波功率負反饋控制措施，可以使微波功率頻移減小到1E-13/dBm以內，微波功率頻移有正有負。

3.2.4 燈激勵功率的溫度敏感性

銣光譜燈是一種利用高頻激勵銣原子氣體發光的無極放電燈，為得到穩定的光強，要求激勵電路的頻率和功率具有高穩定性。

晶體管為有源器件，工作狀態隨環境溫度的變化而變化。為克服這種溫度效應，在發射極接入反饋電阻，構成電流負反饋偏置電路，另外在基極偏置回路上接入二極管，因其PN結溫度特性與三極管相同，可以抵消三極管的溫度效應而使激勵電流更加穩定[9]。對諧振回路元件參數進行優化，提高回路品質因數，選用具有負溫度系數的陶瓷電容，與正溫度系數的電感的溫度效應相互抵消，進一步減小諧振回路的溫度敏感性[10]。

3.2.5 C場的溫度特性

改變C場電流，測得輸出頻率隨C場電流的變化，如圖1所示。C場電流有一個最佳點，在該點時，頻率對C場最不敏感。之后，隨著C場電流的增大，輸出頻率隨C場的變化斜率也越大。因此，在兼顧信噪比的前提下，盡量選擇較低的C場。

在銣頻標中，C場電源采用高穩定的恒壓源，且溫度系數小。一般主要考慮由于負載線圈的溫度系數給C場帶來的影響。C場線圈電阻會因溫度的起伏而產生小的變化，使C場線圈電流發生變化，導致C場大小起伏。因此，選擇較低的C場，也會降低C場的溫度敏感性。只要腔溫度控制精度在士0.1℃以內(這是很容易做到的)，C場因溫度產生的磁致頻移就可忽略不計[1]。

3.2.6 腔頻牽引效應

微波腔的諧振頻率會隨著溫度的變化而發生變化，微波腔的微波場也會發生變化，進而導致頻標輸出頻率發生變化，這就是腔頻牽引效應。因此，在設計時，要減小腔頻牽引效應。TE011磁控管腔具有比較小的腔頻溫度系數[8]。

另一方面，采用微波腔熱控技術，可以實現腔的控溫精度達到0.005℃以內；采用微波功率負反饋控制技術，進一步減小腔頻牽引效應。

3.2.7 控溫電流變化引起的贗溫度系數

諧振腔溫控部分控溫電流若保持恒定，則將產生一個靜磁場，該靜磁場引起0-0躍遷頻率移動。在環境溫度變化時控溫電流將發生變化，產生一個交流磁場，引起銣頻標頻率不穩。因此，一定要采取措施規避贗溫度系數。

如果微波腔控溫設計不好，在零溫度系數點調試的試驗過程中，經常會看到贗溫度系數這種現象出現。星載銣頻標一般都要求緊挨諧振腔外加一層磁屏蔽材料制成的金屬層來減小負溫度系數。

另外，采用較低的C場、功率管加熱器、高精度控溫電路等措施，可以進一步減小負溫度系數[6]。

3.2.8 二次穩壓電壓溫度系數

二次穩壓電路穩壓電壓受到環境溫度變化的影響，這個影響對于整個銣頻標電子線路都有影響，包括射頻倍頻電路以及射頻放大電路的直流工作點以及工作電源，伺服電路放大器、積分器的直流偏置、物理部分自身各電路供電電壓等[4]。電路部分設計的難點在于倍頻鏈的設計。倍頻鏈的頻譜純度、調制失真(相位調制失真以及疊加其上的幅度調制失真)。對于一個二次諧波失真-70dB水平，線寬300Hz，將產生7E-12的頻率偏差，這也是一個不可忽視的因素，因此應精心設計倍頻鏈電路，減小調制失真，提高頻譜純度。

物理部分自身各電路供電電壓包括：C場供電電壓、控溫供電電壓、光檢測供電電壓、燈激勵電路供電電壓。對于高指標的銣頻標而言，電壓引起的溫度系數都需要考慮，因此每路供電電壓都采用二次穩壓措施，二次穩壓電壓溫度系數都很小，對頻標的溫度系數的貢獻一般為優于1E-13/℃，為了進一步減小溫度系數，可以將穩壓器件安裝于頻標的控溫底板上，這是減小二次穩壓電壓溫度系數的最有效措施。

3.2.9 銣頻標電路部分溫度系數

目前，銣頻標物理部分的溫度系數理論上可以做到優于1E-13/℃，由于銣頻標電路部分會給物理部分提供大約10倍以上的熱增益，因此，物理部分對溫度系數的貢獻僅為1E-14/℃，這樣，頻標的溫度系數理論上可以做到1E-14/℃，但是，頻標電路部分也會受到環境溫度變化的影響，進而對溫度系數有影響。實際中，電子線路的溫度系數主要來源于射頻倍頻電路、射頻放大電路、伺服電路放大器等。

頻標電路的溫度系數一般很難做到1E-13/℃以內，因此，經常會采用物理部分的溫度系數去補償電路的溫度系數，但這可能帶來長期測試中出現不穩定現象。

要徹底解決電子線路的溫度系數問題，需要電子線路全部數字化，另外采用雙層控溫也是改善溫度系數的有效辦法[11]。

4 溫度系數的優化想法

上節分析了影響銣頻標溫度系數的因素，并給出一些優化的措施，對于銣頻標而言，這些措施只是一個宏觀指導性原則，具體到每個設計方案的頻標，由于各設計方案的供電設計、物理部分設計、電路部分設計、結構及熱設計等方面存在差異性，需要針對性考慮各影響因素的抑制方法，通過試驗法形成逐步迭代的改進過程。

整機的熱設計是星載銣頻標設計中最為重要的工作，這不僅直接關系到整機熱控是否可靠，而且對于改善溫度系數有明顯的作用。在追求性能的星載銣頻標中，往往設計雙層恒溫或者三層恒溫，外恒溫層同時為電子線路提供恒溫環境。這樣可以大大提高控溫的熱增益，如GALILEO 所用銣頻標的熱增益達到2 500以上，這對于減小整機溫度系數有著重要的作用。

目前，制約銣頻標溫度系數最主要的因素是銣頻標電路部分的溫度系數，因此，設法消除電路溫度系數是需要精心思考的，同時，研究設計數字化電子線路是從根本上解決電子線路溫度系數的最佳思路。

在某些情況下，通過銣頻標物理部分的溫度系數與電路溫度系數進行補償，也是一種有效減小溫度系數的方法，但前提是兩者的溫度系數都很小。

5 試驗驗證

通過調整緩沖氣體的總壓力和壓力配比，優化控溫溫度，調整物理部分結構熱增益等措施，優化了銣頻標物理部分的溫度系數，同時，按照本文所采用方法，在真空下，腔溫設置為60.8℃，燈溫設置為109.9℃，燈電壓設置為18V，測量銣頻標基板溫度從-5℃變化到+5℃時的頻率準確度變化量，溫度系數測試曲線如圖6所示，銣頻標溫度系數為-1.89E-14/℃，在真空下連續測試36天，頻率穩定度測試曲線如圖7所示，頻率溫度度測試結果如圖8所示，可以看出整機的 105s穩定度為5.52E-15。

圖6 溫度系數曲線圖Fig.6 The curve of Temperature coefficient

圖7 頻率穩定度曲線圖Fig.7 The curve of frequency stability

圖8 頻率穩定度測試結果曲線圖Fig.8 Test results of Frequency stability

由此可見，銣頻標溫度系數對于整機頻率穩定度的影響很大，再次驗證了溫度系數指標的重要性。

6 結束語

本文分析了影響銣頻標溫度系數的因素，并給出了一些優化措施，經試驗驗證，得出以下結論。

1)溫度系數是影響銣頻標長期頻率穩定度的決定性因素，尤其是要達到銣頻標的天穩定度指標進入E-15量級以內，更需要通過溫度系數抑制和補償技術實現溫度系數優于5E-14/℃；

2)在實際的銣頻標調試中，短期頻率穩定度與長期頻率穩定度具有一定的此消彼長的制約關系，因此，在溫度系數優化過程中，還要統籌考慮信噪比和噪聲，不能使短期頻率穩定度指標惡化太多；

3)在現階段，電路溫度系數成為制約銣頻標的溫度系數的主要因素，下一階段，將開展電路部分溫度系數影響機理及抑制方法研究，同時，開展數字化電子線路設計。