銣原子頻標(biāo)溫度系數(shù)補(bǔ)償技術(shù)研究

張文璽，崔敬忠，廉吉慶，劉志棟，王 寬，張金海

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

關(guān)鍵字：銣原子頻標(biāo)；溫度系數(shù)；補(bǔ)償電路；頻率穩(wěn)定度；相位噪聲

0 引言

銣原子頻標(biāo)因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、短期頻率穩(wěn)定度好等優(yōu)點(diǎn)[1]，被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、遙感等航天領(lǐng)域以及通信裝備、雷達(dá)系統(tǒng)、電力和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等地面軍用和民用時(shí)頻系統(tǒng)中。銣原子頻標(biāo)主要由物理部分、鎖頻電路以及晶振三部分構(gòu)成[2]。銣原子頻標(biāo)通常對(duì)工作環(huán)境溫度的變化比較敏感[3-10]，當(dāng)工作環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，其輸出頻率也會(huì)隨之發(fā)生改變。這是制約銣原子頻標(biāo)應(yīng)用的一個(gè)重要因素。因此，對(duì)銣原子頻標(biāo)頻率溫度特性的優(yōu)化是銣原子頻標(biāo)技術(shù)研究的重要課題之一。

目前常見(jiàn)的對(duì)銣原子頻標(biāo)頻率溫度特性的優(yōu)化方法包括：優(yōu)化物理部分的溫度系數(shù)[6-10]、采用數(shù)字化頻標(biāo)電路降低電路溫度系數(shù)[11]以及利用數(shù)字補(bǔ)償電路對(duì)溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償[12-13]等。文獻(xiàn)[12]和文獻(xiàn)[13]均采用在銣原子頻標(biāo)輸出端外接DDS（直接數(shù)字頻率合成器），將DDS的輸出作為銣原子頻標(biāo)的輸出對(duì)銣原子頻標(biāo)的溫度系數(shù)進(jìn)行了補(bǔ)償。利用該方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)溫度系數(shù)補(bǔ)償，但也增大了補(bǔ)償后銣原子頻標(biāo)輸出頻率信號(hào)的相位噪聲[13]。為此，本文采用另一種補(bǔ)償方案，即通過(guò)補(bǔ)償銣原子頻標(biāo)頻率綜合單元中的微波信號(hào)來(lái)對(duì)銣原子頻標(biāo)的溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。本方案可以在保證銣原子頻標(biāo)相位噪聲和短期頻率穩(wěn)定度不受影響的條件下，獲得良好的溫度系數(shù)補(bǔ)償效果。

1 銣原子頻標(biāo)工作原理與溫度頻移的產(chǎn)生

銣原子頻標(biāo)的工作原理如圖1所示，壓控晶振輸出的10 MHz信號(hào)經(jīng)過(guò)倍頻綜合后產(chǎn)生接近87Rb原子基態(tài)超精細(xì)能級(jí)躍遷頻率的信號(hào)，并耦合到物理部分的微波腔內(nèi)部，銣燈泡發(fā)出的光經(jīng)濾光泡濾除部分不利于光抽運(yùn)的光后入射到吸收泡，用于原子態(tài)制備和信號(hào)探測(cè)。當(dāng)微波信號(hào)頻率等于87Rb原子基態(tài)超精細(xì)能級(jí)躍遷頻率時(shí)，吸收泡內(nèi)的銣原子在磁共振的作用下對(duì)光強(qiáng)的吸收增強(qiáng)，產(chǎn)生鑒頻信號(hào)，伺服電路根據(jù)鑒頻信號(hào)鎖定壓控晶振，輸出精準(zhǔn)的10 MHz頻率信號(hào)。

圖1 銣原子頻標(biāo)工作原理圖Fig.1 The principle diagram of Rubidium atomic frequency standards

溫度頻移是指當(dāng)銣原子頻標(biāo)工作環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)其輸出頻率隨之發(fā)生的變化，工程中通常用溫度系數(shù)表征。溫度系數(shù)KT如式（1）所示：

式中：ΔT為銣原子頻標(biāo)工作環(huán)境的溫度變化量；Δf是由ΔT所引起的銣原子頻標(biāo)輸出頻率的變化量；f0為銣原子頻標(biāo)輸出的標(biāo)稱頻率。

根據(jù)銣原子頻標(biāo)的工作原理，產(chǎn)生溫度頻移的原因是多樣的。如圖1所示，當(dāng)銣原子頻標(biāo)工作溫度發(fā)生變化時(shí)，物理部分內(nèi)部的銣泡和電路系統(tǒng)的溫度敏感器件均會(huì)受溫度變化的影響，產(chǎn)生碰撞頻移、光頻移、微波功率頻移和元器件參數(shù)溫漂等。這些變化對(duì)銣原子頻標(biāo)輸出頻率的影響很難通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)將其完全定量地分離開(kāi)，它們同時(shí)存在，共同作用，宏觀表現(xiàn)為銣原子頻標(biāo)的溫度敏感性。

2 溫度系數(shù)補(bǔ)償方案設(shè)計(jì)

考慮到僅通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)無(wú)法將銣原子頻標(biāo)的溫度系數(shù)降至可忽略的程度，本設(shè)計(jì)采用了頻率補(bǔ)償?shù)姆桨浮Ｊ紫韧ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)得到銣原子頻標(biāo)補(bǔ)償前的溫度系數(shù)，然后利用溫度傳感器測(cè)出其工作的環(huán)境溫度變化量，再由單片機(jī)根據(jù)之前測(cè)得的溫度系數(shù)計(jì)算出由環(huán)境溫度變化所引起的銣原子頻標(biāo)輸出頻率的變化量，計(jì)算出此時(shí)87Rb原子基態(tài)超精細(xì)能級(jí)躍遷頻率的變化量，根據(jù)該變化量通過(guò)調(diào)整DDS輸出的5.3125 MHz頻率使微波模塊的輸出頻率始終與87Rb原子基態(tài)超精細(xì)能級(jí)的躍遷頻率保持一致，從而完成對(duì)銣原子頻標(biāo)溫度系數(shù)的補(bǔ)償。由于銣原子頻標(biāo)的物理部分可以等效為一個(gè)高Q值的帶通濾波器，所以本文所采用的頻率補(bǔ)償方案可以有效地濾除DDS輸出信號(hào)中的噪聲干擾，避免像文獻(xiàn)[12]和文獻(xiàn)[13]中由于DDS頻率變換過(guò)程中噪聲的引入使得銣原子頻標(biāo)最終輸出頻率信號(hào)的相位噪聲增大。溫度系數(shù)補(bǔ)償原理框圖如圖2所示。

圖2 溫度系數(shù)補(bǔ)償原理框圖Fig.2 Principle block diagram of temperature coefficient compensation

3 補(bǔ)償前溫度系數(shù)的測(cè)定

在未加入補(bǔ)償電路的條件下，通過(guò)改變被測(cè)銣原子頻標(biāo)工作底板的溫度，使其從25℃變化至39℃，溫度變化步長(zhǎng)約為2℃，每個(gè)溫度點(diǎn)穩(wěn)定2 h左右。取每個(gè)溫度點(diǎn)所測(cè)頻率準(zhǔn)確度的后1 000個(gè)點(diǎn)的平均值作為該溫度點(diǎn)的頻率準(zhǔn)確度，便可得到被測(cè)銣原子頻標(biāo)補(bǔ)償前的頻率溫度特性曲線，如圖3所示。通過(guò)線性擬合可得被測(cè)銣原子頻標(biāo)補(bǔ)償前的溫度系數(shù)約為2.43×10-11/℃。

圖3 補(bǔ)償前的頻率溫度特性曲線Fig.3 Frequency-temperature characteristic curve before compensation

根據(jù)文獻(xiàn)[14]，銣原子頻標(biāo)也是一個(gè)氣壓敏感部件，其工作環(huán)境的氣壓變化也會(huì)使其頻率準(zhǔn)確度發(fā)生變化。在溫度系數(shù)測(cè)定期間，被測(cè)銣原子頻標(biāo)所處環(huán)境的大氣壓力是不斷變化的，最大變化率約為90 Pa/h。經(jīng)測(cè)量，被測(cè)銣原子頻標(biāo)的壓力頻移系數(shù)約為5.0×10-16/Pa，所以在每個(gè)溫度點(diǎn)由環(huán)境氣壓變化所引起的最大相對(duì)頻移量在10-14量級(jí)，而由溫度變化所引起的相對(duì)頻移量在10-11量級(jí)，可見(jiàn)，環(huán)境氣壓變化對(duì)溫度系數(shù)的影響此處可忽略不計(jì)。

4 補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

4.1 硬件電路設(shè)計(jì)

溫度系數(shù)補(bǔ)償電路硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。該補(bǔ)償電路采用STM32F103C8T6單片機(jī)作為主控單元，該單片機(jī)與SPL06-001型溫度氣壓傳感器之間通過(guò)I2C總線進(jìn)行通信，與直接數(shù)字頻率合成器AD9852之間采用并口通信。由于DDS數(shù)模轉(zhuǎn)換器的有限分辨率和非線性特性，其輸出的模擬信號(hào)是階梯信號(hào)且具有較大的雜散，為了平滑DDS數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的階梯波并濾除雜散，需要在DDS的數(shù)模轉(zhuǎn)換器后級(jí)接一個(gè)低通濾波器。由于AD9852自身不帶低通濾波器，而本設(shè)計(jì)中AD9852需要輸出的中心頻率約為5.3125 MHz，所以在AD9852的輸出端加入了7 MHz的7階橢圓型低通濾波器[15-16]。所用低通濾波器的Multisim10仿真結(jié)果如圖5所示。

圖4 補(bǔ)償電路硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Block diagram of compensation circuit hardware structure

圖5 低通濾波器的Multisim10仿真結(jié)果Fig.5 Simulation result of Multisim10 for low pass filter

從圖5可以看出，本文所設(shè)計(jì)的低通濾波器具有良好的幅頻特性和截止特性，可以滿足實(shí)際補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)的需要。

本文所用AD9852的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為40 MHz，采用FSK工作模式，調(diào)制頻率為55 Hz，調(diào)制深度為110 Hz，輸出頻率的分辨率為：

用AD9852可調(diào)整的銣原子頻標(biāo)壓控晶振10 MHz頻率信號(hào)的最小相對(duì)變化量為：

已知被測(cè)銣原子頻標(biāo)補(bǔ)償前的溫度系數(shù)為10-11量級(jí)，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償預(yù)期能達(dá)到的溫度系數(shù)為10-13量級(jí)，因此AD9852的輸出分辨率可以滿足溫度系數(shù)補(bǔ)償?shù)男枰?/p>

4.2 軟件設(shè)計(jì)

在對(duì)溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，取銣原子頻標(biāo)開(kāi)機(jī)2 h后整機(jī)工作狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)的工作底板溫度Tstd作為補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)溫度，然后根據(jù)溫度傳感器的測(cè)量值T得到溫度變化量ΔT：

再由所測(cè)得溫度系數(shù)KT得到需要補(bǔ)償?shù)念l移量Δf：

則補(bǔ)償時(shí)AD9852需要輸出的頻率為：

式中：fdesired為補(bǔ)償時(shí)AD9852需要輸出的頻率；fb為補(bǔ)償前AD9852的輸出頻率。此時(shí)AD9852所需的頻率控制字K為：

式中：fs為AD9852的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。其補(bǔ)償流程如圖6所示。

圖6 溫度系數(shù)補(bǔ)償流程圖Fig.6 Temperature coefficient compensation flow chart

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 補(bǔ)償前后溫度系數(shù)對(duì)比

加入補(bǔ)償電路后，按第3節(jié)所述測(cè)試方法，重新測(cè)試了被測(cè)銣原子頻標(biāo)的溫度系數(shù)，并與補(bǔ)償前的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖7所示。

圖7 補(bǔ)償前后的頻率溫度特性曲線對(duì)比圖Fig.7 The comparison of frequency-temperature characteristic curve before and after compensation

在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，通過(guò)線性擬合得到被測(cè)銣原子頻標(biāo)補(bǔ)償后的溫度系數(shù)約為3.83×10-13/℃，較補(bǔ)償前明顯減小，表明本文設(shè)計(jì)的溫度系數(shù)補(bǔ)償電路具有較好的補(bǔ)償效果。

5.2 補(bǔ)償前后相位噪聲對(duì)比

表1中列出了被測(cè)銣原子頻標(biāo)分別在未補(bǔ)償、采用本文設(shè)計(jì)的微波激勵(lì)頻率補(bǔ)償以及采用文獻(xiàn)[12]和文獻(xiàn)[13]設(shè)計(jì)的利用DDS對(duì)銣原子頻標(biāo)輸出信號(hào)直接補(bǔ)償?shù)那闆r下輸出信號(hào)相位噪聲測(cè)試對(duì)比情況。

表1 補(bǔ)償前后銣原子頻標(biāo)輸出信號(hào)的相位噪聲Tab.1 Phase noise of output signal of Rubidium atomic frequency standards before and after compensation

從表1可以看出，利用DDS對(duì)銣原子頻標(biāo)輸出10 MHz頻率信號(hào)直接進(jìn)行補(bǔ)償會(huì)使補(bǔ)償后輸出頻率信號(hào)的相位噪聲在頻率偏移10 Hz以后明顯增大。而用微波激勵(lì)頻率補(bǔ)償對(duì)銣原子頻標(biāo)輸出頻率信號(hào)的相位噪聲不會(huì)產(chǎn)生明顯影響，補(bǔ)償后銣原子頻標(biāo)輸出頻率信號(hào)的相位噪聲仍能夠保持原有水平。

5.3 補(bǔ)償前后頻率穩(wěn)定度對(duì)比

補(bǔ)償前后銣原子頻標(biāo)頻率穩(wěn)定度測(cè)試曲線如圖8所示。

圖8 補(bǔ)償前后銣原子頻標(biāo)頻率穩(wěn)定度測(cè)試曲線Fig.8 Frequency stability test curve of Rubidium atomic frequency standards before and after compensation

圖8給出了被測(cè)銣原子頻標(biāo)采用本文設(shè)計(jì)的微波激勵(lì)頻率補(bǔ)償電路進(jìn)行溫度系數(shù)補(bǔ)償前后的頻率穩(wěn)定度對(duì)比情況。從圖中可以看出，本文所采用的補(bǔ)償方案對(duì)銣原子頻標(biāo)取樣時(shí)間200 s內(nèi)的頻率穩(wěn)定度未產(chǎn)生明顯影響，但由于溫度補(bǔ)償對(duì)銣原子頻標(biāo)頻率溫度特性的修正，使銣原子頻標(biāo)取樣時(shí)間200 s后的頻率穩(wěn)定度有所改善。

6 結(jié)論

本文利用溫度傳感器、單片機(jī)和直接數(shù)字頻率合成器AD9852設(shè)計(jì)了一種基于銣原子基態(tài)超精細(xì)能級(jí)躍遷的微波激勵(lì)頻率補(bǔ)償電路，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了補(bǔ)償前后銣原子頻標(biāo)的溫度系數(shù)、相位噪聲和頻率穩(wěn)定度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在保證銣原子頻標(biāo)相位噪聲和短期頻率穩(wěn)定度指標(biāo)不受影響的條件下，本文所設(shè)計(jì)的補(bǔ)償電路可以有效地減小銣原子頻標(biāo)的溫度系數(shù)。