铷原子频标校频模式研究

蒋 勇，李小光，赵德艳，鲁江伟

（中国人民解放军63726 部队，宁夏 银川 750004）

1 铷原子频标的作用及关键指标分析

1.1 铷原子频标的作用

铷原子频标是时统设备的核心设备。 随着科技的发展,目前原子频标主要将铯原子频标、氢原子频标为一级原子频标；铷原子频标为二级原子频标。 一级原子频标输出的频率信号精确度高,不需要精度校准,可作为标准频率源校准二级以下的频率标准。 目前原子频标应用比较广泛的为铷原子频标,其为二级原子频标,输出的频率精度多需要校准。 很多用户采用原子钟组(含一级频标）校准或采用GPS、北斗信号校准,根据用户使用的不同需求,校准模式也分为手动校准或自动校准等。

1.2 铷原子频标的指标分析

铷原子频标工作性能的优良主要体现在以下几项关键指标方面。

1.2.1 频率稳定度

频率稳定度是在单位时间间隔内,振荡器频率的变化程度。 频率稳定度有长期、中期、短期、瞬间稳定度之分。 中期、长期频率稳定度主要由晶体老化决定；影响短期频率稳定的主要因素是内部电路参数的变化和环境条件的变化,例如电路产生的白噪声等各种随机噪声。 瞬间频率稳定度是指秒、毫秒时间间隔内的频率随机变化。 目前铷原子频标输出的频率稳定度指标秒稳可以达到优于1.0×10-11的量级。

1.2.2 频率准确度

频率准确度表示一个被测量的物体量的测量结果对它的真值的逼近程度,也就是频率源输出频率的实际值与标称频率的频差(或频偏）,即输出频率偏离标称值的程度,其反映了实际振荡周期偏离标称振荡周期的程度频率准确度,是铷原子频标的重要指标之一,是在用户使用铷原子频标过程中可以调整的指标,其精度直接影响用户设备的精度。 目前铷原子频标输出的频率准确度指标可以达到优于1.0×10-11的量级。

1.2.3 漂移率

铷原子频标在连续运行过程中,由于元器件的老化使输出频率随时间单方向漂移(大多遵循线性规律）,频率值随时间的线性变化称为漂移,单位时间内的频率相对漂移量称为漂移率或老化率。 若单位时间为日,则称为日漂移率；单位为月、年,则称为月漂移率或年漂移率。 由于生产工艺的精度存在差异,不同型号铷原子频标的老化率也会有所差异。

1.2.4 频率调整范围

频率调整分为粗调、细调。 粗调一般用于振荡器老化所引起的频率变化,其范围一般要求为-5×10-7～1×10-6；细调通常用来调整振荡频率,使其达到较高的准确度,其范围一般要求为+/-(0.8-1.5）10-9。 随着科技的发展,严重频标的频率调整范围已经从原来的只能手动调整频率微调旋钮,改变为原子频标跃迁的C场电压值,从而改变跃迁频率,到现在的通过算法自动调整跃迁的C 场电压,达到调整频率准确度的目标,使铷原子频标输出高精度的频率信号。

1.2.5 温度特性

温度变化对频率源输出频率精确度也存在一定影响。 不同的频率源由于工艺的不同受温度的影响不同,温度特征也会有一定的差异。

1.2.6 开机特性

开机特性指振荡器在冷冻状态下开机后,在一定时间间隔内频率稳定度能达到的数值,一般稳定度愈高则所需的时间就愈长。 开机特性的优良,可以使原子频标快速为用户提供高精度的频率信号。

晶振、倍频和综合、铷量子系统、伺服放大、分频单元等几部分组成,其原理如图1 所示。

图1 铷原子频标工作原理

压控晶振输出10 MHz 频率,经过倍频与综合模块合成6 834.687 5 MHz。 Rb87 量子系统的中心频率也是6 834.687 5 MHz,它是Rb87 的基态超精细能级F＝2,m＝0,和F＝1,m＝0 之间量子跃迁所产生的谱线的中心频率。 量子系统起到鉴频器的作用,当晶振频率偏离10 MHz 时,经倍频与综合后的频率就偏离了量子系统中心频率,这时量子系统就会输出误差信号,经伺服放大后去控制晶振频率,调整压控晶振电压,使其输出标准5 MHz,10 MHz 的频率信号。

铷原子频标量子系统结构,如图2 所示。 Rb87 吸收泡放在一个圆柱形微波谐振腔中,谐振腔的谐振频率为6 834.687 5 MHz,工作于 TE011 模式。 光抽运Rb87 共振灯发出的光经透镜和Rb85 滤光泡后,照射在Rb87 吸收泡上,然后聚焦在光电二极管上。 Rb85滤光泡和Rb87 吸收泡放置在同一恒温槽中。

图2 铷原子频标量子系统结构

Rb87 吸收具有良好的磁屏蔽,以减小外磁场对频率的影响。 Rb87 共振灯泡放置在另一个恒温槽中。微波腔外密绕C 场线圈,调节C 场可以对Rb87 吸收谱线的中心频率f进行微调,铷原子频标的频率准确度调节就是通过调节C 场电压来实现。

2 铷原子频标校频分析

2.1 原子频标校频原理分析

校频的原理为:用测时差的方法测出相对频率偏差,相对频率偏差在数值上和频率准确度基本相同,相对频率偏差与时间差的关系［1］:

这就是说相对频率偏差可以用时间差来表示,所以校频守时的方法一般为以下几个步骤［2］。

(1）测出某一时刻频标相对北斗/GPS 的时差X(t）。

(2）经过τ时间后再次测出频标分频钟相对长波的时差,用上式即可的出相对频率偏差X(t+τ）。

(3）相对频率偏差的值调整频率源的频率调整旋钮。

(4）重复以上步骤直到所测的相对频率偏差达到要求的频率准确度的数值。

2.2 原子频标校频模式分析

2.2.1 手动校频模式分析

手动校频模式为铷原子频标为自由运行状态,通过记录北斗/GPS 与铷秒的时差、计算频率准确度,调整铷原子频标输出10 MHz 准确度。

手动校频方法优点是:能实时全面掌握设备状态,北斗/GPS 变化不会影响铷原子频标输出10 MHz 准确度。

手动校频方法缺点是:工作烦琐；掌握设备的机理、会记录、分析数据；调钟需要经验、细心、责任心。上面3 点缺少一点都有可能造成铷原子频标故障没有及时发现、汇报、调钟错误等问题。

2.2.2 自动校频模式分析

自动校频模式为铷原子频标为跟踪模式,铷原子频标通过北斗/GPS 自动计算频率准确度,每秒自动调整准确度。

自动校频方法优点是:北斗/GPS 自动调整铷原子频标准确度,节省了人力和时间。

自动校频方法缺点是:

(1）如果北斗/GPS 出现问题会使铷原子频标准确度调偏,由于目前单位使用北斗/GPS 的解调秒输出都没有进行时差比对判断或收星伪距(坐标）判断,在切星或信号不好时,会出现北斗/GPS 解调秒时差突跳等问题。

(2）由于北斗/GPS 会每秒不断调整铷原子频标准确度,铷原子频标设备出现故障或性能下降(例如频率漂移率变差）时,不容易发现,存在风险隐患。

2.2.3 校频模式的改进

针对上述手动、自动校频模式的优缺点,铷原子频标的校频模式可以为“自动校频+自由运行”校频模式。该模式为:在守时期间通过北斗/GPS 采用“自动校频”调整铷原子频标频率准确度,在准确度调整到标准量级后,在使用时采用“自由运行”模式。 该模式原理为通过开关切断北斗/GPS 信号与铷芯的联系,铷原子频标为自由运行状态,其不影响北斗/GPS 信号的接收和时差的比对、铷原子频标准确度的测量,这样可以避免铷原子频标在使用期间内受北斗/GPS 影响；铷原子频标设备出现故障或性能下降,也会被发现。

“自动校频+自由运行”校频模式结合了上述两种校频模式的优点,克服了缺点。 在实际工作中,采取哪种校频工作模式,用户要根据需要,具体分析并选择适合的铷原子频标校频模式。