銣原子頻標校頻模式研究

蔣 勇，李小光，趙德艷，魯江偉

（中國人民解放軍63726 部隊，寧夏 銀川 750004）

1 銣原子頻標的作用及關鍵指標分析

1.1 銣原子頻標的作用

銣原子頻標是時統(tǒng)設備的核心設備。 隨著科技的發(fā)展,目前原子頻標主要將銫原子頻標、氫原子頻標為一級原子頻標；銣原子頻標為二級原子頻標。 一級原子頻標輸出的頻率信號精確度高,不需要精度校準,可作為標準頻率源校準二級以下的頻率標準。 目前原子頻標應用比較廣泛的為銣原子頻標,其為二級原子頻標,輸出的頻率精度多需要校準。 很多用戶采用原子鐘組(含一級頻標）校準或采用GPS、北斗信號校準,根據(jù)用戶使用的不同需求,校準模式也分為手動校準或自動校準等。

1.2 銣原子頻標的指標分析

銣原子頻標工作性能的優(yōu)良主要體現(xiàn)在以下幾項關鍵指標方面。

1.2.1 頻率穩(wěn)定度

頻率穩(wěn)定度是在單位時間間隔內(nèi),振蕩器頻率的變化程度。 頻率穩(wěn)定度有長期、中期、短期、瞬間穩(wěn)定度之分。 中期、長期頻率穩(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噪聲。 瞬間頻率穩(wěn)定度是指秒、毫秒時間間隔內(nèi)的頻率隨機變化。 目前銣原子頻標輸出的頻率穩(wěn)定度指標秒穩(wěn)可以達到優(yōu)于1.0×10-11的量級。

1.2.2 頻率準確度

頻率準確度表示一個被測量的物體量的測量結果對它的真值的逼近程度,也就是頻率源輸出頻率的實際值與標稱頻率的頻差(或頻偏）,即輸出頻率偏離標稱值的程度,其反映了實際振蕩周期偏離標稱振蕩周期的程度頻率準確度,是銣原子頻標的重要指標之一,是在用戶使用銣原子頻標過程中可以調(diào)整的指標,其精度直接影響用戶設備的精度。 目前銣原子頻標輸出的頻率準確度指標可以達到優(yōu)于1.0×10-11的量級。

1.2.3 漂移率

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

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；細調(diào)通常用來調(diào)整振蕩頻率,使其達到較高的準確度,其范圍一般要求為+/-(0.8-1.5）10-9。 隨著科技的發(fā)展,嚴重頻標的頻率調(diào)整范圍已經(jīng)從原來的只能手動調(diào)整頻率微調(diào)旋鈕,改變?yōu)樵宇l標躍遷的C場電壓值,從而改變躍遷頻率,到現(xiàn)在的通過算法自動調(diào)整躍遷的C 場電壓,達到調(diào)整頻率準確度的目標,使銣原子頻標輸出高精度的頻率信號。

1.2.5 溫度特性

溫度變化對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,溫度特征也會有一定的差異。

1.2.6 開機特性

開機特性指振蕩器在冷凍狀態(tài)下開機后,在一定時間間隔內(nèi)頻率穩(wěn)定度能達到的數(shù)值,一般穩(wěn)定度愈高則所需的時間就愈長。 開機特性的優(yōu)良,可以使原子頻標快速為用戶提供高精度的頻率信號。

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 銣原子頻標工作原理

壓控晶振輸出10 MHz 頻率,經(jīng)過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)超精細能級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,當晶振頻率偏離10 MHz 時,經(jīng)倍頻與綜合后的頻率就偏離了量子系統(tǒng)中心頻率,這時量子系統(tǒng)就會輸出誤差信號,經(jīng)伺服放大后去控制晶振頻率,調(diào)整壓控晶振電壓,使其輸出標準5 MHz,10 MHz 的頻率信號。

銣原子頻標量子系統(tǒng)結構,如圖2 所示。 Rb87 吸收泡放在一個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 銣原子頻標量子系統(tǒng)結構

Rb87 吸收具有良好的磁屏蔽,以減小外磁場對頻率的影響。 Rb87 共振燈泡放置在另一個恒溫槽中。微波腔外密繞C 場線圈,調(diào)節(jié)C 場可以對Rb87 吸收譜線的中心頻率f進行微調(diào),銣原子頻標的頻率準確度調(diào)節(jié)就是通過調(diào)節(jié)C 場電壓來實現(xiàn)。

2 銣原子頻標校頻分析

2.1 原子頻標校頻原理分析

校頻的原理為:用測時差的方法測出相對頻率偏差,相對頻率偏差在數(shù)值上和頻率準確度基本相同,相對頻率偏差與時間差的關系［1］:

這就是說相對頻率偏差可以用時間差來表示,所以校頻守時的方法一般為以下幾個步驟［2］。

(1）測出某一時刻頻標相對北斗/GPS 的時差X(t）。

(2）經(jīng)過τ時間后再次測出頻標分頻鐘相對長波的時差,用上式即可的出相對頻率偏差X(t+τ）。

(3）相對頻率偏差的值調(diào)整頻率源的頻率調(diào)整旋鈕。

(4）重復以上步驟直到所測的相對頻率偏差達到要求的頻率準確度的數(shù)值。

2.2 原子頻標校頻模式分析

2.2.1 手動校頻模式分析

手動校頻模式為銣原子頻標為自由運行狀態(tài),通過記錄北斗/GPS 與銣秒的時差、計算頻率準確度,調(diào)整銣原子頻標輸出10 MHz 準確度。

手動校頻方法優(yōu)點是:能實時全面掌握設備狀態(tài),北斗/GPS 變化不會影響銣原子頻標輸出10 MHz 準確度。

手動校頻方法缺點是:工作煩瑣；掌握設備的機理、會記錄、分析數(shù)據(jù)；調(diào)鐘需要經(jīng)驗、細心、責任心。上面3 點缺少一點都有可能造成銣原子頻標故障沒有及時發(fā)現(xiàn)、匯報、調(diào)鐘錯誤等問題。

2.2.2 自動校頻模式分析

自動校頻模式為銣原子頻標為跟蹤模式,銣原子頻標通過北斗/GPS 自動計算頻率準確度,每秒自動調(diào)整準確度。

自動校頻方法優(yōu)點是:北斗/GPS 自動調(diào)整銣原子頻標準確度,節(jié)省了人力和時間。

自動校頻方法缺點是:

(1）如果北斗/GPS 出現(xiàn)問題會使銣原子頻標準確度調(diào)偏,由于目前單位使用北斗/GPS 的解調(diào)秒輸出都沒有進行時差比對判斷或收星偽距(坐標）判斷,在切星或信號不好時,會出現(xiàn)北斗/GPS 解調(diào)秒時差突跳等問題。

(2）由于北斗/GPS 會每秒不斷調(diào)整銣原子頻標準確度,銣原子頻標設備出現(xiàn)故障或性能下降(例如頻率漂移率變差）時,不容易發(fā)現(xiàn),存在風險隱患。

2.2.3 校頻模式的改進

針對上述手動、自動校頻模式的優(yōu)缺點,銣原子頻標的校頻模式可以為“自動校頻+自由運行”校頻模式。該模式為:在守時期間通過北斗/GPS 采用“自動校頻”調(diào)整銣原子頻標頻率準確度,在準確度調(diào)整到標準量級后,在使用時采用“自由運行”模式。 該模式原理為通過開關切斷北斗/GPS 信號與銣芯的聯(lián)系,銣原子頻標為自由運行狀態(tài),其不影響北斗/GPS 信號的接收和時差的比對、銣原子頻標準確度的測量,這樣可以避免銣原子頻標在使用期間內(nèi)受北斗/GPS 影響；銣原子頻標設備出現(xiàn)故障或性能下降,也會被發(fā)現(xiàn)。

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