國內外頻率標準發展現狀

楊 軍 毛新凱 盧心竹

（1.北京無線電計量測試研究所，北京100039；2.計量與校準技術國家重點實驗室，北京100039）

1 引 言

導航定位、網絡通信、交通運輸、航空航天以及工農業生產各個方面都離不開時間頻率，特別是現代高技術戰爭中，時間頻率的精準性至關重要。在所有物理量的測量中，時間頻率是7 個基本量中準確度最高的物理量，其他基本量通過基本常數和時間頻率建立物理關系，從而得到準確的結果，例如處于超導狀態下的約瑟夫森結，在微波信號輻照下，結的兩端產生準確的直流電壓Vn，約瑟夫結電壓Vn與頻率的關系為

式中:KJ-90——約瑟夫森常數483 597. 9GHz/V；N——約瑟夫森結電壓臺階數［1，2］；f——頻率，可溯源到銫原子頻率標準。

長度單位米被定義為光在真空中在（1/299 792 458）s 的時間間隔內所經路徑的長度［3］。頻率標準經歷了從晶體振蕩器、原子頻率標準到光鐘的長期發展歷程。頻率標準主要包括高穩晶振、微型CPT原子頻標、銣原子頻率標準、氫原子頻率標準、銫原子頻率標準，新型原子頻率標準和光鐘等。隨著科學技術的進步，頻率標準向高準確、高穩定、微型化方向發展。

2 高穩晶振性能差距較大，在空間科學研究和武器裝備大量應用

1921年，Walter Guyton Cady 發明了第一個石英晶體振蕩器（簡稱晶振）。至此開始，晶振廣泛應用于電子設備，成為電子設備的心臟，尤其是二戰期間軍事無線電設備的需求刺激了精確頻率控制晶體的制造產業的快速發展。晶振分為壓控晶振VCXO、溫補晶振TCXO、恒溫晶振OCXO，頻率穩定度最高的晶振是恒溫晶振。瑞士OSA 公司的恒溫晶振8607 采用先進的SC 切割BVA 石英晶體技術和雙恒溫槽設計［4］。這種獨特的切割技術消除了電極和石英晶片之間的表面接觸，消除了石英晶片表面離子擴散引起的問題，消除了石英晶片支撐結構間的表面應力。由于這種獨特的設計，使得8607具有非常優秀的短期頻率穩定度和高純頻譜，頻率穩定度比普通晶振優10 倍以上，頻率穩定度達到8E-14/s，相位噪聲為-133dBc/Hz（載波頻率5MHz，傅里葉頻率1Hz）。8607 的雙恒溫槽結構和5MHZ 輸出的相位噪聲如圖1 所示。之后，新西蘭Rakon 公司和美國Microsemi 也相繼推出了基于SC切割BVA 晶體的高穩晶振。Rakon 公司高穩晶振HSO14 和美國Microsemi 高穩晶振1000C 的頻率穩定度分別達到了8E-14/s 和2E-13/s，相位噪聲均為-130dBc/Hz（載波頻率5MHz，傅里葉頻率1Hz）［5，6］。目前國內高穩晶振的頻率穩定度僅能達到5E-13/s，與國外存在較大的差距，國內航天產品研制單位大量采用國外先進的高穩晶振。

圖1 8607 雙恒溫槽和5MHz 輸出的相位噪聲圖Fig.1 The double constant temperature structure and phase noise curve of OCXO 8607

3 高精度銣原子鐘日趨成熟，打破國外壟斷

經過近60年的發展，光抽運汽泡型銣原子頻率標準因其體積小、價格低、壽命長、可靠性高備受歡迎［6，7］，廣泛應用于電力、通信、金融、氣象、導航等領域，尤其是在導航領域的應用，GPS和北斗衛星導航系統（BDS）均采用銣原子頻率標準作為星載時基，為全球提供高精度的定位和時間服務。

美國GPS 衛星經歷了BLOCK I 衛星、BLOCK II/IIA 衛星、BLOCK IIR 衛星、BLOCK IIR-M 衛星、BLOCK IIF 衛星等，各階段的衛星都搭載銣原子頻率標準。不同時期的GPS 衛星所攜帶的星載銣原子頻率標準性能也存在差異。通過對GPS 星載銣原子頻率標準在軌性能分析可知，星載銣原子頻率標準的相對頻率偏差在E-12 量級；大部分日頻率漂移率在E-15 量級，但是有8 ～9 顆衛星的星載銣原子頻率標準日頻率漂移率較大，處于E-14量級，個別衛星在個別月份出現了比較明顯的異常值現象；大部分日頻率穩定度處于在E-14 量級，其中G03，G08 衛星日頻率穩定度較差，在E-13 量級，G01、G02、G06、G15、G23、G25、G27、G30 幾顆衛星日頻率穩定度很好，達到了E-15 量級［8-11］。GPS 星載銣原子頻率標準在軌性能的年平均值見表1。

表1 GPS 星載銣原子頻率標準在軌性能Tab.1 The performances of GPS rubidium atomic frequency standard on orbit

上世紀90年代，中國制定北斗衛星導航系統“三步走”發展戰略，作為其中關鍵技術的星載原子頻率標準，在當時的中國屬于技術空白。在從國外引進星載銣鐘遭拒后，中國開始自主研制之路。經過20 多年科研工作者的勵精圖治，星載原子鐘完全實現了國產化，并且在國民經濟建設鐘也發揮重要作用，如我國海洋二號衛星首次使用高準確度低漂移率的銣原子頻率標準代替晶振，保障海洋二號衛星具備在全天時、全天候、全球連續高精度探測海洋動力環境信息的能力。通過對BDS 星載銣原子頻率標準在軌性能分析可知，BDS 系統整體星載原子鐘性能基本處于一個數量級。BDS 星載銣原子頻率標準的相對頻率偏差為E-11 量級，日頻率漂移率基本在E-14 量級，其中C02、C08、C14 這三顆衛星日頻率漂移率較其他衛星相比大了一個數量級；日頻率穩定度在E-14 量級，其中C02、C04、C06 三顆衛星的日頻率穩定度較其他衛星相比大一個數量級。總體而言，地球同步軌道衛星星載銣原子頻率標準性能低于傾斜同步軌道與中地球軌道衛星［8，9，11-14］。BDS 星載銣原子頻率標準在軌性能見表2［15］。

表2 BDS 星載銣原子頻率標準在軌性能Tab.2 The performances of BDS rubidium atomic frequency standard on orbit

銣原子頻率標準是商品化成度最高的原子頻率標準，銣原子頻率標準向小型化、高穩低噪聲方向發展。美國SRS 公司和FEI 公司代表了國外的最高水平，SRS 公司的PRS10 和FEI 公司的FE-5680A 是兩款最常用的銣原子頻率標準，技術指標各有所長，PRS10 的相位噪聲低，優于FE-5680A10dB 左右，具有1PPS 輸入馴服功能，可接收外部標準1PPS 信號，如GPS/BDS 接收機輸出1PPS，實現外部標準時間信號對銣原子頻率標準的馴服功能，提高銣原子頻率標準的準確度，非常適合精密的頻率測量［16］；FE-5680A 的短期頻率穩定度低，優于PRS10 一個數量級左右［17］。國內以航天203 所和成都天奧為代表生產的商品型銣原子頻率標準，技術指標已達到國際領先水平，國內研制和生產的商品銣原子頻率標準技術性能已全面超越國外同類產品，BM2102-06 是目前全世界技術指標最高的商品型銣原子頻率標準，其整合了最先進的分離濾光技術和低噪聲電路技術，具有極優的頻率穩定度、相位噪聲和漂移特性。國內外商品性銣原子頻率標準性能比較見表3。

在銣原子頻率標準小型化研制方面，國內技術發展也處于國際領先水平，203 所研制了全世界最薄的高精度銣原子頻率標準BM2102-05，體積為76mm×76mm×17mm，頻率穩定度達到1E-11/s、3E-12/10s、1E-12/100s。BM2102-05 銣原子頻率標準實物圖和測量曲線如圖2 所示［18］。

表3 國內外商品型銣原子頻率標準性能比較Tab.3 The performance comparison of rubidium atomic frequency standard at home and abroad

圖2 BM2102-05 銣原子頻率標準實物圖和測量曲線Fig.2 Rubidium atomic frequency standard BM2102-05 and measurement curves

4 守時型銫、氫原子頻率標準急需邁上新的臺階

銫原子頻率標準和氫原子頻率標準是常用的計量標準和守時用頻率標準。國際計量局BIPM 保持的協調世界時UTC 是由全世界597 臺原子鐘綜合得到自由原子時，在通過噴泉鐘駕馭和UT1 協調得到國際標準時間，是全世界共同維持的一個標準時間，國際上參與國際原子時計算的實驗室分布圖如圖3 所示。在597 臺原子頻率標準中，商品銫原子頻率標準占65%，氫原子頻率標準站30%，實驗室銫噴泉頻率標準占3%，實驗室銣噴泉標準占2%，統計2018年BIPM 發布的參加國際原子時計算的各種原子頻率標準的數量和種類如圖4 所示［19］。

圖3 參與國際原子時計算的實驗室分布圖Fig.3 The laboratory distributions participating TAI computation

圖4 2018年參加國際原子時計算的原子頻率標準數量和種類分布Fig.4 The quantities and types of atomic frequency standards participating TAI computation in 2018

目前，高性能的銫原子頻率標準和氫原子頻率標準被國外壟斷。美國Microsemi 公司生產的5071A 占據銫原子頻率標準市場的90%以上，它是目前世界上性能最優可靠性最高銫原子頻率標準，其最大允許頻率偏差為±5E-13，國內計量部門、電信、電力、金融等行業都在使用5071A 作為頻率標準或守時設備。國內多家單位開展了銫原子頻率標準關鍵技術研究。多年來，困擾我國銫原子頻率標準的關鍵技術之一就是磁控濺射法電子倍增器技術，電子倍增器增益衰減過快，導致其壽命只有半年到1年。針對電子倍增器技術造成的銫原子頻率標準壽命較短的難題，各單位都提出了不同的解決方案。航天科技510 所依靠多年真空技術的研究和積累，堅持傳統工作方式的磁選態-電子倍增器方案；航天科工203 所突破了MCP 電子倍增器技術，采用磁選態—磁控濺射打拿極電子倍增器、MCP電子倍增器和微電流放大器三位一體設計方案；北京大學采用光抽運-光檢測方案；成都天奧采用光抽運—光檢測的方案。各單位都完成研制，部分產品在某些領域得到應用。國內外銫原子頻率標準的技術性能比較見表4，從技術性能分析來看，國內銫原子頻率標準的水平與國外相當，在實際測試中有些指標超越了國外同類產品，但國內銫原子頻率標準還存在頻率復現性和日頻率漂移率差，且壽命也沒有得到長時間考核驗證［18，20，21］。

表4 國內外銫原子頻率標準主要技術性能比較Tab.4 The performance comparison of cesium atomic frequency standard at home and abroad

美國Microsemi 公司，俄羅斯VCH 公司和瑞士T4S 公司幾乎壟斷了國內外守時實驗的氫原子頻率標準的市場，Micorsemi 公司的MHM2010 占有較大的市場份額，但隨著俄羅斯VCH 公司的技術和工藝不斷提升， 技術指標和可靠性已超越了MHM2010，VCH-1003M 已成為市場的新寵，國內許多守時實驗室都在采購其產品。面對巨大的市場競爭，Microsemi 公司推出了最新產品MHM2020，技術指標與VCH-1003M 相當。瑞士T4S 與VCH 公司合作，結合VCH 公司物理部分研制的優勢和T4S在電路研制方面的優勢，研制了iMaser3000，也正在積極推出iMaser4000 新產品。國內在二十世紀60年代就開始了氫原子頻率標準的研制，目前只有航天203 所和上海天文臺研制和生產氫原子頻率標準，203 所采用藍寶石介質加載諧振腔，有效地減小了諧振腔和儲存泡的體積，從而縮小氫原子頻率標準的磁屏蔽、真空、恒溫等外圍結構，實現了小型化的主動型氫原子頻率標準；上海天文天采用傳統的微波諧振腔。國內研制的兩種類型的氫原子頻率標準技術指標相當，但與國外相比，日頻率穩定度相差一個數量級。國內外主動型氫原子頻率標準性能比較見表5［12-24］。

表5 國內外主動型氫原子頻率標準技術性能比較Tab.5 The performance comparison of active hydrogen atomic frequency standard at home and abroad

5 微型化CPT 原子頻率標準方興未艾

CPT 原子頻率標準（ Coherent Population Trapping）是基于量子的相干布局囚禁機理而設計的新型原子頻標，它的量子系統不需要微波諧振腔，工作原理不同與傳統的氫、銣、銫原子頻率標準。CPT原子頻率標準可大量應用于遠程通信系統、時間同步網絡等領域，可代替恒溫晶振作為頻率源。美國Microsemi 公司已實現CPT 原子頻率標準的工程化和量產，而國內多家單位也完成了相關研制工作，技術指標超過國外同類產品，但由于激光管等關鍵元器件為進口元器件，且激光管的可用率極低，產品成本極高，目前的制造成熟度很低，難以實現規模化量產。國內外CPT 原子頻率標準性能比較見表6［18，25］。

表6 國內外CPT 原子頻率標準性能比較Tab.6 The performance comparison of CPT atomic frequency standard at home and abroad

6 低溫藍寶石微波頻率源和激光超穩微波源將成為下一代頻率穩定度標準

短期頻率穩定度極好的微波源不僅可作為時間頻率計量的標準，也可以作為銫原子噴泉頻率標準和光學頻率標準的本地振蕩器，同時也可以應用于雷達、通信、深空探測和基礎物理學研究等方面，具有非常重要的應用價值。超導微波諧振腔和藍寶石腔的結合，超穩激光技術和光頻梳技術的結合，可分別實現頻率穩定度極好的低溫藍寶石微波頻率源（CSO）和激光超穩微波源。

低溫藍寶石微波頻率源是利用低溫藍寶石微波腔在回音壁模式下具有極高Q 值的特點而研制的。藍寶石諧振器微波頻率源的電路原理如圖5所示，這種電路結構與被動型原子頻標的電路結構非常像，藍寶石諧振器只是起鑒相器的作用，鑒相器的原理也是基于Pound 電路。鑒相器的輸出信號用來控制一個壓控振蕩器，把壓控振蕩器鎖定在藍寶石諧振器上，壓控振蕩器的輸出就是微波信號源的輸出。

圖5 藍寶石諧振器微波頻率源的電路原理框圖Fig.5 The principle diagram of sapphire oscillator

低溫藍寶石微波頻率源涉及的關鍵技術有藍寶石諧振器的設計、低溫系統設計、電路系統設計等。藍寶石諧振器是藍寶石諧振器是整個微波頻率源的核心。藍寶石諧振器的內部結構圖如圖6所示，它由兩部分構成:第一部分是一塊圓柱形的藍寶石單晶；第二部分是一個外腔。整個諧振器固定在低溫系統中。外腔上有兩個耦合器，實現外部電路和藍寶石晶體的相互作用。

圖6 低溫藍寶石諧振器的結構圖Fig.6 Structure of sapphire resonator

低溫藍寶石微波頻率源的研究方向可分為三類，第一類關心的指標是短期頻率穩定度，主要研究內容有低溫系統的穩定性、藍寶石諧振器的溫度補償、頻率鎖定控制電路；第二類關心的是相位噪聲，主要研究內容有提高藍寶石諧振器的Q 值、低噪聲電路；第三類關心的是低溫藍寶石微波頻率源的實用性，主要研究內容是提高低溫藍寶石微波頻率源的工作溫度。

澳大利亞、美國、法國（與歐空局合作）和日本等國都在開展相關的研究工作。國際上，西澳大利亞大學和法國在低溫藍寶石微波源研究一直處于領先地位，西澳大利亞大學發布其兩臺比對的結果，其頻率穩定度為5.8E-16（τ=1s）。法國ULISS公司的商品化可搬運低溫藍寶石微波源，頻率穩定度達到3E-15（τ=1s ～1d），已經在歐洲深空探測VLBI 工程、計量實驗室、歐空局PHARAO 項目的法國圖盧茲站點等，ULISS 公司的低溫藍寶石微波源如圖7 所示［26-28］。

近年來，在超穩激光和飛秒光梳方面的技術進步，使得利用飛秒光梳將超穩激光傳遞到微波頻率成為可能。在光頻段，由于低吸收和散射作用，在室溫下諧振腔的品質因數可以達到1E11，將激光鎖定到諧振腔上，可以使其在（1 ～10）s 間的頻率穩定度達到約2E-16 的水平，將這種超穩激光信號利用飛秒光梳傳遞到微波波段，便可以得到穩定度性能極好的微波信號。激光超穩微波信號產生原理如圖8 所示。2011年，美國NIST 利用518THz 和282THz 的兩個頻率穩定度為7E-16/s 的超穩激光信號與鎖模飛秒激光頻率梳進行拍頻，分別得到10GHz 微波信號，對兩個10GHz 信號進行頻率穩定度和相位噪聲測量，如圖9 所示。

圖7 ULISS 公司的低溫藍寶石微波源實物圖Fig.7 The sapphire oscillator of ULISS company

圖8 激光超穩微波信號產生原理圖Fig.8 The principle of ultra stable optical-cavity-based microwave source

測量得到兩個10GHz 信號的頻率穩定度為8E-16/s，相位噪聲達到-104dBc/Hz@1Hz，遠端相位噪聲達到-157dBc/Hz，比目前性能最好的晶振經無損耗變頻至10GHz 后的信號質量提升60dB，如圖10 所示［29］。

德國MenloSystems 公司與英國國家物理實驗室NPL 合作研制了商品化的緊湊型光學參考系統ORS-Cubic，光學腔由超低膨脹系數（ULE）的玻璃制成，采用恒溫隔振設計，將真空腔、激光器、控制電路等集成在19 英寸機柜中，輸出超窄線寬、超高穩定性的單色連續光，頻率穩定度可達8E-16（τ=1s），通過飛秒光梳進行光學-微波頻率下轉換，可以將超穩激光的頻率穩定性完美傳遞到超穩微波。MenloSystems公司ORS-Cubic 超穩激光源如圖11 所示［30］。

圖9 激光超穩微波信號測量試驗圖Fig.9 The measurement of ultra stable optical-cavitybased microwave source

圖10 激光超穩微波信號頻率穩定度測量結果圖Fig.10 The measurement results of ultra stable opticalcavity-based microwave source

圖11 超穩激光源實物圖Fig.11 Ultra stable optical-cavity-based microwave source

7 噴泉基準鐘性能進入實用化階段

隨著激光冷卻技術的發展，1995年法國計量局LPTF 首次實現了激光冷卻銫原子噴泉鐘，使原子鐘的工作原理發生了革命性的變化，準確度提高到1.5E-15 ～2E-15。經過二十多年的發展，噴泉鐘作為各國的頻率計量基準，已經廣泛應用，美國國家標準技術研究院（NIST）、德國物理研究院（PTB）和中國計量院（NIM）都已將噴泉基準鐘作為守時系統的基準鐘，激光冷卻原子原理和NIST-F1 銫噴泉鐘如圖12 所示。美國海軍天文臺（USNO）已經建成了四臺銣噴泉鐘并加入其守時鐘組中，并正在新研三臺用于其備份守時系統，USNO 的銣噴泉鐘如圖13 所示。

圖12 激光冷卻原子原理和NIST-F1 頻率基準Fig.12 The principle of laser cooling atom and NIST-F1

美國NIST-F1 的頻率不確定度達到3E-16，巴黎天文臺SYRTE-FO2 噴泉鐘頻率不確定度已經達到2.1E-16，英國物理實驗室的NPL-CsF2 的頻率不確定度降低到2.3E-16，中國計量院NIM5 的頻率不確定度為1.6E-15［31-34］。2018年對國際原子時TAI 有貢獻的銫噴泉頻率標準的不確定度見表7［35］。

噴泉鐘在世界主要計量實驗室已實用化，但是噴泉鐘的性能指標仍然在應用中不斷進步，可以預見在未來幾年，隨著人們對物理現象認識的加深，噴泉鐘的指標將進一步提升，達到微波鐘所能實現的極限，同時隨著噴泉鐘設計技術的不斷嫻熟，噴泉鐘的工程化應用將會越來越廣泛。

圖13 美國海軍天文臺銣噴泉鐘組實物圖Fig.13 The ensemble of rubidium atomic fountain clock in UNSO

表7 2018 對TAI 貢獻的銫噴泉鐘頻率不確定度Tab.7 The uncertainty of cesium atomic fountain clock contributing TAI in 2018

8 結束語

我國在頻率標準的研究方面經過幾十年的持續投入，傳統的氫、銣、銫原子頻率標準取得了引人注目的成績，尤其是銣原子頻率標準的發展，打破國外壟斷，為北斗導航系統提供高精度的時間基準，地面實用性銣原子頻率標準技術指標實現全面超越。但銫原子頻率標準的可靠性穩定性、氫原子頻率標準的技術性能有待進一步提高。銫噴泉鐘基準方面已接近國際先進水平。時間頻率關系國家的安全，頻率標準是整個時間頻率的基石，加強時間頻率基礎建設，特別是原子物理、關鍵工藝、低噪聲核心器件等基礎研究，進一步推動我國時間頻率的發展。