銣原子頻標(biāo)校頻模式研究

蔣 勇，李小光，趙德艷，魯江偉

（中國(guó)人民解放軍63726 部隊(duì)，寧夏 銀川 750004）

1 銣原子頻標(biāo)的作用及關(guān)鍵指標(biāo)分析

1.1 銣原子頻標(biāo)的作用

銣原子頻標(biāo)是時(shí)統(tǒng)設(shè)備的核心設(shè)備。 隨著科技的發(fā)展,目前原子頻標(biāo)主要將銫原子頻標(biāo)、氫原子頻標(biāo)為一級(jí)原子頻標(biāo)；銣原子頻標(biāo)為二級(jí)原子頻標(biāo)。 一級(jí)原子頻標(biāo)輸出的頻率信號(hào)精確度高,不需要精度校準(zhǔn),可作為標(biāo)準(zhǔn)頻率源校準(zhǔn)二級(jí)以下的頻率標(biāo)準(zhǔn)。 目前原子頻標(biāo)應(yīng)用比較廣泛的為銣原子頻標(biāo),其為二級(jí)原子頻標(biāo),輸出的頻率精度多需要校準(zhǔn)。 很多用戶(hù)采用原子鐘組(含一級(jí)頻標(biāo)）校準(zhǔn)或采用GPS、北斗信號(hào)校準(zhǔn),根據(jù)用戶(hù)使用的不同需求,校準(zhǔn)模式也分為手動(dòng)校準(zhǔn)或自動(dòng)校準(zhǔn)等。

1.2 銣原子頻標(biāo)的指標(biāo)分析

銣原子頻標(biāo)工作性能的優(yōu)良主要體現(xiàn)在以下幾項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)方面。

1.2.1 頻率穩(wěn)定度

頻率穩(wěn)定度是在單位時(shí)間間隔內(nèi),振蕩器頻率的變化程度。 頻率穩(wěn)定度有長(zhǎng)期、中期、短期、瞬間穩(wěn)定度之分。 中期、長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度主要由晶體老化決定；影響短期頻率穩(wěn)定的主要因素是內(nèi)部電路參數(shù)的變化和環(huán)境條件的變化,例如電路產(chǎn)生的白噪聲等各種隨機(jī)噪聲。 瞬間頻率穩(wěn)定度是指秒、毫秒時(shí)間間隔內(nèi)的頻率隨機(jī)變化。 目前銣原子頻標(biāo)輸出的頻率穩(wěn)定度指標(biāo)秒穩(wěn)可以達(dá)到優(yōu)于1.0×10-11的量級(jí)。

1.2.2 頻率準(zhǔn)確度

頻率準(zhǔn)確度表示一個(gè)被測(cè)量的物體量的測(cè)量結(jié)果對(duì)它的真值的逼近程度,也就是頻率源輸出頻率的實(shí)際值與標(biāo)稱(chēng)頻率的頻差(或頻偏）,即輸出頻率偏離標(biāo)稱(chēng)值的程度,其反映了實(shí)際振蕩周期偏離標(biāo)稱(chēng)振蕩周期的程度頻率準(zhǔn)確度,是銣原子頻標(biāo)的重要指標(biāo)之一,是在用戶(hù)使用銣原子頻標(biāo)過(guò)程中可以調(diào)整的指標(biāo),其精度直接影響用戶(hù)設(shè)備的精度。 目前銣原子頻標(biāo)輸出的頻率準(zhǔn)確度指標(biāo)可以達(dá)到優(yōu)于1.0×10-11的量級(jí)。

1.2.3 漂移率

銣原子頻標(biāo)在連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中,由于元器件的老化使輸出頻率隨時(shí)間單方向漂移(大多遵循線性規(guī)律）,頻率值隨時(shí)間的線性變化稱(chēng)為漂移,單位時(shí)間內(nèi)的頻率相對(duì)漂移量稱(chēng)為漂移率或老化率。 若單位時(shí)間為日,則稱(chēng)為日漂移率；單位為月、年,則稱(chēng)為月漂移率或年漂移率。 由于生產(chǎn)工藝的精度存在差異,不同型號(hào)銣原子頻標(biāo)的老化率也會(huì)有所差異。

1.2.4 頻率調(diào)整范圍

頻率調(diào)整分為粗調(diào)、細(xì)調(diào)。 粗調(diào)一般用于振蕩器老化所引起的頻率變化,其范圍一般要求為-5×10-7～1×10-6；細(xì)調(diào)通常用來(lái)調(diào)整振蕩頻率,使其達(dá)到較高的準(zhǔn)確度,其范圍一般要求為+/-(0.8-1.5）10-9。 隨著科技的發(fā)展,嚴(yán)重頻標(biāo)的頻率調(diào)整范圍已經(jīng)從原來(lái)的只能手動(dòng)調(diào)整頻率微調(diào)旋鈕,改變?yōu)樵宇l標(biāo)躍遷的C場(chǎng)電壓值,從而改變躍遷頻率,到現(xiàn)在的通過(guò)算法自動(dòng)調(diào)整躍遷的C 場(chǎng)電壓,達(dá)到調(diào)整頻率準(zhǔn)確度的目標(biāo),使銣原子頻標(biāo)輸出高精度的頻率信號(hào)。

1.2.5 溫度特性

溫度變化對(duì)頻率源輸出頻率精確度也存在一定影響。 不同的頻率源由于工藝的不同受溫度的影響不同,溫度特征也會(huì)有一定的差異。

1.2.6 開(kāi)機(jī)特性

開(kāi)機(jī)特性指振蕩器在冷凍狀態(tài)下開(kāi)機(jī)后,在一定時(shí)間間隔內(nèi)頻率穩(wěn)定度能達(dá)到的數(shù)值,一般穩(wěn)定度愈高則所需的時(shí)間就愈長(zhǎng)。 開(kāi)機(jī)特性的優(yōu)良,可以使原子頻標(biāo)快速為用戶(hù)提供高精度的頻率信號(hào)。

晶振、倍頻和綜合、銣量子系統(tǒng)、伺服放大、分頻單元等幾部分組成,其原理如圖1 所示。

圖1 銣原子頻標(biāo)工作原理

壓控晶振輸出10 MHz 頻率,經(jīng)過(guò)倍頻與綜合模塊合成6 834.687 5 MHz。 Rb87 量子系統(tǒng)的中心頻率也是6 834.687 5 MHz,它是Rb87 的基態(tài)超精細(xì)能級(jí)F＝2,m＝0,和F＝1,m＝0 之間量子躍遷所產(chǎn)生的譜線的中心頻率。 量子系統(tǒng)起到鑒頻器的作用,當(dāng)晶振頻率偏離10 MHz 時(shí),經(jīng)倍頻與綜合后的頻率就偏離了量子系統(tǒng)中心頻率,這時(shí)量子系統(tǒng)就會(huì)輸出誤差信號(hào),經(jīng)伺服放大后去控制晶振頻率,調(diào)整壓控晶振電壓,使其輸出標(biāo)準(zhǔn)5 MHz,10 MHz 的頻率信號(hào)。

銣原子頻標(biāo)量子系統(tǒng)結(jié)構(gòu),如圖2 所示。 Rb87 吸收泡放在一個(gè)圓柱形微波諧振腔中,諧振腔的諧振頻率為6 834.687 5 MHz,工作于 TE011 模式。 光抽運(yùn)Rb87 共振燈發(fā)出的光經(jīng)透鏡和Rb85 濾光泡后,照射在Rb87 吸收泡上,然后聚焦在光電二極管上。 Rb85濾光泡和Rb87 吸收泡放置在同一恒溫槽中。

圖2 銣原子頻標(biāo)量子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Rb87 吸收具有良好的磁屏蔽,以減小外磁場(chǎng)對(duì)頻率的影響。 Rb87 共振燈泡放置在另一個(gè)恒溫槽中。微波腔外密繞C 場(chǎng)線圈,調(diào)節(jié)C 場(chǎng)可以對(duì)Rb87 吸收譜線的中心頻率f進(jìn)行微調(diào),銣原子頻標(biāo)的頻率準(zhǔn)確度調(diào)節(jié)就是通過(guò)調(diào)節(jié)C 場(chǎng)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 銣原子頻標(biāo)校頻分析

2.1 原子頻標(biāo)校頻原理分析

校頻的原理為:用測(cè)時(shí)差的方法測(cè)出相對(duì)頻率偏差,相對(duì)頻率偏差在數(shù)值上和頻率準(zhǔn)確度基本相同,相對(duì)頻率偏差與時(shí)間差的關(guān)系［1］:

這就是說(shuō)相對(duì)頻率偏差可以用時(shí)間差來(lái)表示,所以校頻守時(shí)的方法一般為以下幾個(gè)步驟［2］。

(1）測(cè)出某一時(shí)刻頻標(biāo)相對(duì)北斗/GPS 的時(shí)差X(t）。

(2）經(jīng)過(guò)τ時(shí)間后再次測(cè)出頻標(biāo)分頻鐘相對(duì)長(zhǎng)波的時(shí)差,用上式即可的出相對(duì)頻率偏差X(t+τ）。

(3）相對(duì)頻率偏差的值調(diào)整頻率源的頻率調(diào)整旋鈕。

(4）重復(fù)以上步驟直到所測(cè)的相對(duì)頻率偏差達(dá)到要求的頻率準(zhǔn)確度的數(shù)值。

2.2 原子頻標(biāo)校頻模式分析

2.2.1 手動(dòng)校頻模式分析

手動(dòng)校頻模式為銣原子頻標(biāo)為自由運(yùn)行狀態(tài),通過(guò)記錄北斗/GPS 與銣秒的時(shí)差、計(jì)算頻率準(zhǔn)確度,調(diào)整銣原子頻標(biāo)輸出10 MHz 準(zhǔn)確度。

手動(dòng)校頻方法優(yōu)點(diǎn)是:能實(shí)時(shí)全面掌握設(shè)備狀態(tài),北斗/GPS 變化不會(huì)影響銣原子頻標(biāo)輸出10 MHz 準(zhǔn)確度。

手動(dòng)校頻方法缺點(diǎn)是:工作煩瑣；掌握設(shè)備的機(jī)理、會(huì)記錄、分析數(shù)據(jù)；調(diào)鐘需要經(jīng)驗(yàn)、細(xì)心、責(zé)任心。上面3 點(diǎn)缺少一點(diǎn)都有可能造成銣原子頻標(biāo)故障沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)、匯報(bào)、調(diào)鐘錯(cuò)誤等問(wèn)題。

2.2.2 自動(dòng)校頻模式分析

自動(dòng)校頻模式為銣原子頻標(biāo)為跟蹤模式,銣原子頻標(biāo)通過(guò)北斗/GPS 自動(dòng)計(jì)算頻率準(zhǔn)確度,每秒自動(dòng)調(diào)整準(zhǔn)確度。

自動(dòng)校頻方法優(yōu)點(diǎn)是:北斗/GPS 自動(dòng)調(diào)整銣原子頻標(biāo)準(zhǔn)確度,節(jié)省了人力和時(shí)間。

自動(dòng)校頻方法缺點(diǎn)是:

(1）如果北斗/GPS 出現(xiàn)問(wèn)題會(huì)使銣原子頻標(biāo)準(zhǔn)確度調(diào)偏,由于目前單位使用北斗/GPS 的解調(diào)秒輸出都沒(méi)有進(jìn)行時(shí)差比對(duì)判斷或收星偽距(坐標(biāo)）判斷,在切星或信號(hào)不好時(shí),會(huì)出現(xiàn)北斗/GPS 解調(diào)秒時(shí)差突跳等問(wèn)題。

(2）由于北斗/GPS 會(huì)每秒不斷調(diào)整銣原子頻標(biāo)準(zhǔn)確度,銣原子頻標(biāo)設(shè)備出現(xiàn)故障或性能下降(例如頻率漂移率變差）時(shí),不容易發(fā)現(xiàn),存在風(fēng)險(xiǎn)隱患。

2.2.3 校頻模式的改進(jìn)

針對(duì)上述手動(dòng)、自動(dòng)校頻模式的優(yōu)缺點(diǎn),銣原子頻標(biāo)的校頻模式可以為“自動(dòng)校頻+自由運(yùn)行”校頻模式。該模式為:在守時(shí)期間通過(guò)北斗/GPS 采用“自動(dòng)校頻”調(diào)整銣原子頻標(biāo)頻率準(zhǔn)確度,在準(zhǔn)確度調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)量級(jí)后,在使用時(shí)采用“自由運(yùn)行”模式。 該模式原理為通過(guò)開(kāi)關(guān)切斷北斗/GPS 信號(hào)與銣芯的聯(lián)系,銣原子頻標(biāo)為自由運(yùn)行狀態(tài),其不影響北斗/GPS 信號(hào)的接收和時(shí)差的比對(duì)、銣原子頻標(biāo)準(zhǔn)確度的測(cè)量,這樣可以避免銣原子頻標(biāo)在使用期間內(nèi)受北斗/GPS 影響；銣原子頻標(biāo)設(shè)備出現(xiàn)故障或性能下降,也會(huì)被發(fā)現(xiàn)。

“自動(dòng)校頻+自由運(yùn)行”校頻模式結(jié)合了上述兩種校頻模式的優(yōu)點(diǎn),克服了缺點(diǎn)。 在實(shí)際工作中,采取哪種校頻工作模式,用戶(hù)要根據(jù)需要,具體分析并選擇適合的銣原子頻標(biāo)校頻模式。