一種超小型汽泡銣原子頻標(biāo)

高偉，睢建平，陳智勇，余鈁，盛榮武

（中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所，武漢 430071）

一種超小型汽泡銣原子頻標(biāo)

高偉，睢建平，陳智勇，余鈁，盛榮武

（中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所，武漢 430071）

為滿足對小型化銣原子頻標(biāo)的需求，設(shè)計(jì)了一種超小型汽泡銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)。介紹了該超小型汽泡銣原子頻標(biāo)的設(shè)計(jì)。通過全新設(shè)計(jì)的小型光譜燈和集成腔泡系統(tǒng)，配合優(yōu)化設(shè)計(jì)的電路部分，成功地將整機(jī)體積減小至140 cm3，重量僅為250 g，穩(wěn)態(tài)功耗7 W。測試結(jié)果表明其短期穩(wěn)定度優(yōu)于1.5×10-11/（1 s≤τ≤100 s）。

超小型；銣原子頻標(biāo)；熱結(jié)構(gòu)；電磁兼容

作為目前應(yīng)用最為廣泛的原子頻標(biāo)，汽泡型銣原子頻標(biāo)一直朝著2個(gè)方向不斷改進(jìn)：高性能和小型化。隨著銣原子頻標(biāo)在衛(wèi)星導(dǎo)航、深空探測、電力、通信等領(lǐng)域的普及應(yīng)用，對銣原子頻標(biāo)小型化的要求越來越高，不僅要求重量輕、體積小、功耗低，還要求性能高和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。超小型銣原子頻標(biāo)的研制成功，勢必進(jìn)一步拓展銣原子頻標(biāo)的應(yīng)用范圍，尤其是對1 in厚度的高精度小型化銣頻標(biāo)的需求具有重要意義[1]。

1 超小型汽泡銣原子頻標(biāo)的設(shè)計(jì)

圖1給出了超小型汽泡銣原子頻標(biāo)的簡要原理框圖。整機(jī)由2大部分組成：物理系統(tǒng)和電路部分。物理系統(tǒng)作為量子鑒頻器給出誤差信號，電路部分與物理系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)頻率控制鎖定環(huán)路，用以將壓控晶體振蕩器（VCXO）的輸出頻率鎖定在物理系統(tǒng)的原子躍遷頻率上[2]。

雖然超小型汽泡銣原子頻標(biāo)的原理與傳統(tǒng)汽泡銣原子頻標(biāo)相同，但壓縮體積的要求致使設(shè)計(jì)時(shí)必須重點(diǎn)考慮以下3個(gè)方面：小型化物理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電磁兼容。

1.1 小型化物理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

物理系統(tǒng)的小型化設(shè)計(jì)包括光譜燈設(shè)計(jì)和腔泡系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是整機(jī)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵所在。

光譜燈作為系統(tǒng)中的核心部件之一，其性能直接影響整機(jī)的短期、長期頻率穩(wěn)定度和漂移指標(biāo)[3]。光譜燈的結(jié)構(gòu)一般有分離型和緊湊型2種，在早期研制的214 cm3銣原子頻標(biāo)中，我們采用的是緊湊型設(shè)計(jì)，將燈泡、線圈和激勵(lì)電路全部置于金屬燈室內(nèi)，用單功率管對金屬燈室進(jìn)行恒溫控制[4]。但在超小型銣原子頻標(biāo)中，金屬燈室不可能占用較大的空間，必須采用將光譜燈頭與激勵(lì)電路分置的分離型結(jié)構(gòu)。在射頻激勵(lì)電路方面，我們選擇振蕩頻率和幅度都具有高穩(wěn)定度的克拉潑（Clapp）振蕩電路，并通過溫度補(bǔ)償電路將燈激勵(lì)電流隨溫度的變化減至最小。此外，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，必須考慮機(jī)械尺寸盡可能地小，同時(shí)還應(yīng)具有一定的機(jī)械強(qiáng)度及規(guī)避一定的機(jī)械諧振頻率，以保障整機(jī)能適應(yīng)較惡劣的力學(xué)環(huán)境，如在振動、沖擊等條件下能正常工作。

圖1 超小型汽泡銣原子頻標(biāo)簡要原理框圖

對腔泡系統(tǒng)，我們采用小型銣頻標(biāo)常用的集成腔泡系統(tǒng)技術(shù)[5]，其關(guān)鍵是微波諧振腔的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)微波諧振腔時(shí)，首先應(yīng)保證合適的腔Q。若腔Q過低，腔的損耗過大，要求輸入的射頻功率大，電路工作難度增大，且不利于微波倍頻混頻的邊帶抑制；其次應(yīng)保證腔填充因子足夠大。填充因子越高，腔內(nèi)微波能量被用于激勵(lì)原子躍遷的比例就越高，所需的微波功率就越小，這對緩解微波倍頻鏈的壓力、減小微波功率頻移和提高系統(tǒng)的信噪比均有很大貢獻(xiàn)[6]。最后，應(yīng)保證腔的諧振頻率與銣原子躍遷頻率匹配，并實(shí)現(xiàn)腔頻可調(diào)。由于微波諧振腔的機(jī)械加工公差及手工制作泡胚產(chǎn)生的誤差，腔頻往往會有偏差，因此，實(shí)現(xiàn)腔頻可調(diào)就顯得很重要。圖2是設(shè)計(jì)微波腔時(shí)的腔頻仿真圖。

圖2 微波腔的腔頻仿真圖

從圖2知，腔頻在6 835 MHz附近，腔Q大約是450。通過大量仿真和實(shí)驗(yàn)，我們成功設(shè)計(jì)了用于超小型銣原子頻標(biāo)的微波諧振腔，使得整個(gè)腔泡系統(tǒng)的體積壓縮至8.5 cm3。

圖3是腔泡系統(tǒng)和光譜燈的實(shí)物圖。

圖3 腔泡系統(tǒng)和光譜燈的實(shí)物圖

1.2 熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在超小型銣原子頻標(biāo)中，眾多發(fā)熱部件集成在一個(gè)狹小空間內(nèi)，因此，熱結(jié)構(gòu)成為整機(jī)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。良好的熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅可以極大地提高整機(jī)的溫度適應(yīng)性，還能有效改善整機(jī)溫度系數(shù)。

光譜燈是整機(jī)中最大的熱源，其熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。合理的冷端設(shè)置和泡形設(shè)計(jì)可使燈泡自身形成較好的溫度梯度，從而降低光譜燈的工作溫度；有效的保溫措施可最大限度地增大光譜燈的熱阻，減小對整機(jī)熱量的貢獻(xiàn)。通過多次實(shí)驗(yàn)與改進(jìn)，我們成功設(shè)計(jì)出一款小型光譜燈，其體積小于4 cm3，工作溫度和功耗與前期相比均得到較大幅度的降低，其性能與前期設(shè)計(jì)的光譜燈的性能比較如表1所示。

表1 前期設(shè)計(jì)與現(xiàn)在設(shè)計(jì)的光譜燈性能比較

腔泡系統(tǒng)作為整機(jī)中的另一個(gè)主要熱源，其熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也很關(guān)鍵。一般來說，腔泡系統(tǒng)的恒溫點(diǎn)要比光譜燈的低很多，因此，在其熱設(shè)計(jì)中，需綜合考慮光譜燈的工作溫度和系統(tǒng)的零光強(qiáng)頻移溫度這2個(gè)因素；此外，由于系統(tǒng)VCXO中的晶體需要借助腔體實(shí)現(xiàn)恒溫，因此，腔泡系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)還需考慮晶體的拐點(diǎn)溫度。

對于超小型銣原子頻標(biāo)而言，其正常工作時(shí)系統(tǒng)各個(gè)不同區(qū)域的溫度場強(qiáng)度差異極大，為了提高整機(jī)的高溫適應(yīng)性，器件的合理布局顯得十分重要，原則上對高溫敏感的器件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離系統(tǒng)的高溫工作區(qū)。當(dāng)然，器件的布局除了考慮溫度效應(yīng)外，還需綜合考慮電磁兼容效應(yīng)。

1.3 電磁兼容

在任何電子設(shè)備中，當(dāng)各類電路單元擁擠在無屏蔽隔離的狹小空間中時(shí)，其系統(tǒng)內(nèi)的電磁兼容問題就會顯得格外突出，銣原子頻標(biāo)也不例外。

在超小型銣原子頻標(biāo)中，光譜燈是一種靠射頻激勵(lì)而發(fā)光的無極放電燈，具有較高的激勵(lì)頻率和功率，設(shè)計(jì)不當(dāng)易于干擾其他電路的正常工作，尤其是分離型的光譜燈結(jié)構(gòu)更是如此。為了減小光譜燈信號的串?dāng)_，除了用磁屏材料將燈頭罩住以外，還需仔細(xì)考慮激勵(lì)線圈的射頻場與燈泡的耦合問題。良好的耦合可以降低燈激勵(lì)電路對外的電磁輻射，從而從源頭上緩解了光譜燈射頻場引起的電磁兼容問題。

隨著銣原子頻標(biāo)體積的縮小，電路中各個(gè)功能模塊以及各種信號之間的走線距離變短，相互串?dāng)_明顯增大，處理不當(dāng)會惡化整機(jī)短期穩(wěn)定度指標(biāo)。因此，PCB（印制電路板）設(shè)計(jì)十分重要。通過在PCB上進(jìn)行模塊劃分，同時(shí)將射頻部分與數(shù)字部分分別布在不同的PCB上[7]，可以明顯地減小電路間的相互干擾，提高整機(jī)的相噪指標(biāo)。

2 整機(jī)指標(biāo)

2.1 基本特征

我們實(shí)現(xiàn)的超小型汽泡銣原子頻標(biāo)的體積達(dá)到了140 cm3（75 mm×75 mm×25 mm），重量為250 g，穩(wěn)態(tài)功耗約7 W，可以在-20℃～60℃的溫度范圍內(nèi)工作。圖4是整機(jī)實(shí)物圖。

圖4 超小型銣原子頻標(biāo)實(shí)物圖

表2給出了該超小型汽泡銣原子頻標(biāo)與國內(nèi)外主流同類型銣原子頻標(biāo)的部分性能比較。

表2 國內(nèi)外主流同類型銣原子頻標(biāo)的部分性能比較

2.2 性能指標(biāo)

圖5為實(shí)測的相噪指標(biāo)圖。

圖5 超小型銣原子頻標(biāo)相噪指標(biāo)圖

短期頻率穩(wěn)定度測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 短期頻率穩(wěn)定度測試結(jié)果

3 結(jié)語

分析了實(shí)現(xiàn)超小型銣原子頻標(biāo)的技術(shù)難點(diǎn)和重點(diǎn)，介紹了研制過程中采取的相應(yīng)措施。通過大量的仿真優(yōu)化和實(shí)際改進(jìn)，成功研制出一種超小型汽泡銣原子頻標(biāo)。其體積由原來的212 cm3壓縮至140 cm3，短期穩(wěn)定度指標(biāo)優(yōu)于1.5×10-11/（1 s≤τ≤100 s），重量僅為250 g，并具有較好的環(huán)境適應(yīng)性。

[1] 李超, 高偉, 睢建平, 等. 2009年全國時(shí)間頻率學(xué)術(shù)會議論文集[C] // 成都: 2009年全國時(shí)間頻率學(xué)術(shù)會議組委會, 2009.

[2] 王義遒, 王慶吉, 傅濟(jì)時(shí), 等. 量子頻標(biāo)原理[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1986: 239-241.

[3] CAMPARO J. Frequency Equilibration and the Light-shift Effect for Block IIR GPS Rubidium Clocks[C] // Proceedings of the 36th Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Meeting. Washington D.C.: [s.n.], 2004.

[4] 余鈁, 金鑫, 管妮娜, 等. 一種小型化銣光譜燈的設(shè)計(jì)[J]. 宇航計(jì)測技術(shù), 2008, 28(1): 13-16.

[5] VANIER J, KUNSKI R, PAULIN P, et al. On the Light Shift in Optical-pumping of Rubidium 87- the Techniques of Separated and Integrated Hyperfine Filtering[J]. Canadian Journal of Physics(S 0008-4204), 1982, 60(10): 1396-1403.

[6] WANG Yan, YU Fang, CHEN Zhi-yong, et al. A Downsized Microwave Cavity for the Rubidium Vapor Cell Frequency Standard[C] // Proceedings of the IEEE International Frequency Control Symposium Joint with the 21st European Frequency and Time Forum. Geneva, Switzerland: [s.n.], 2007.

[7] 劉燕竹, 戴文. 數(shù)模混合電路的PCB設(shè)計(jì)[J]. 印制電路信息, 2007, (2): 43-45.

An Ultra-miniature Vapor Cell Frequency Standard

GAO Wei, SUI Jian-ping, CHEN Zhi-yong, YU Fang, SHENG Rong-wu

(Wuhan Institute of Physics and Mathematics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China)

In order to meet the requirements to miniature rubidium frequency standard, an ultra-miniature rubidium vapor cell frequency standard has been designed. The design of this ultra-miniature rubidium vapor cell frequency standard is introduced in this paper. With the new-designed miniature lamp, integrated filter technique (IFT) and optimized electronic circuits, the volume of this frequency standard is successfully downsized to 140 cm3, and the weight is 250 g. In steady state, the power dissipation is only 7 W, and the short-term stability is superior to 1.5×10-11/(1 s≤τ≤100 s).

ultra-miniature; rubidium atomic frequency standard; thermal structure; electromagnetic compatibility

TM935.115

A

1674-0637(2010)02-0092-06

2010-03-31

高偉，男，博士研究生，主要從事銣原子頻標(biāo)方面的研究。