張金海，涂建輝，梁耀廷，崔敬忠

（蘭州物理研究所，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

銣原子頻標(biāo)因具有體積小、功耗低、預(yù)熱快、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用于通信、無線電導(dǎo)航、電視傳播等領(lǐng)域。衛(wèi)星導(dǎo)航精度的不斷提高對銣原子頻標(biāo)的穩(wěn)定度有了更高的要求。銣光譜燈為銣原子躍遷提供抽運(yùn)光源，其輸出光強(qiáng)的穩(wěn)定性對銣原子頻標(biāo)性能指標(biāo)有直接的影響[1]。銣光譜燈是銣原子頻標(biāo)的核心部件之一，對于銣光譜燈來說，激勵電路工作的穩(wěn)定與否是決定銣光譜燈的光強(qiáng)穩(wěn)定性的重要因素。由于激勵電路中的高頻晶體管的輸出電流隨著外界溫度的變化而變化，這樣會使得激勵電路的工作點(diǎn)發(fā)生變化，為了減小因環(huán)境溫度變化對晶體管性能的影響，適當(dāng)改進(jìn)激勵電路，增加反饋控制電路，穩(wěn)定激勵電路的直流工作點(diǎn)，從而提高銣光譜燈光強(qiáng)穩(wěn)定性。國外在此方面做過相應(yīng)的工作，且取得較好的效果[2]。借鑒這種思路開展研究工作，以改善銣原子頻標(biāo)整機(jī)性能。

2 激勵電路的設(shè)計

激勵電路采用的是串聯(lián)型電容三點(diǎn)式激勵電路，電路原理圖如圖1所示。

激勵電路的回路由C2、C3、C4、C5和激勵線圈L3組成，銣燈泡位于激勵線圈中，在高頻電場作用下發(fā)出抽運(yùn)光。C2、C5決定激勵電路的振蕩頻率，改變C2和C5可以減小晶體管電容對頻率的影響，提高振蕩頻率穩(wěn)定度。C3、C4是微調(diào)電容，用來調(diào)節(jié)激勵線圈的振蕩頻率。D1和R2作為晶體管Q1偏置網(wǎng)絡(luò)的一部分，提供相對較低的偏置源[3]。通過實驗發(fā)現(xiàn)，激勵電路在工作時，隨著溫度的變化，工作電流也隨之改變，則銣燈泡的發(fā)光狀態(tài)亦發(fā)生改變，這主要是由于高頻晶體管Q1對外界溫度的敏感性引起的，其中主要與晶體管的ICBO、ICEO等參數(shù)有關(guān)。當(dāng)外界溫度升高，從外部看ICBO增大，則ICEO增大，從而使得IC增大；反之，當(dāng)外界溫度降低時，則IC隨之減小。為了穩(wěn)定激勵電路的工作狀態(tài)，適當(dāng)改進(jìn)了激勵電路，增加反饋控制電路[3]，提高激勵電路的穩(wěn)定性。

3 反饋控制電路的設(shè)計

通過增加反饋控制電路使基極電流穩(wěn)定，從而可以提高激勵電路的穩(wěn)定性,實現(xiàn)穩(wěn)定銣光譜燈光強(qiáng)的目的。激勵電路的端口A、B是連接反饋控制電路的2個端口，整個控制環(huán)路的工作原理框圖如圖2所示。

圖2 反饋控制電路工作原理框圖

光檢測器 反饋控制電路

銣燈泡

激勵電路

反饋控制電路主要由電壓射隨器AR1、比較器AR2以及差分放大器AR3三部分組成，電路工作原理如圖3所示。

圖3 控制電路工作原理圖

該控制電路所要實現(xiàn)的功能主要有2個：一是點(diǎn)燈電壓的切換；二是調(diào)節(jié)控制激勵電路的基極偏置電流。

整個控制回路的工作原理是：銣燈泡未被點(diǎn)亮前，光強(qiáng)檢測信號為零，AR1輸出為零，AR2反相端輸入電壓低于同相端參考電壓UREF1，AR2輸出高電壓，二極管D2導(dǎo)通，運(yùn)放AR3同相端電壓遠(yuǎn)大于反向端電壓，運(yùn)放輸出高電壓，使得銣燈泡在高功率下點(diǎn)亮。銣燈泡點(diǎn)亮之后，光強(qiáng)檢測信號逐漸增大，當(dāng)高于AR2同相端參考電壓時，比較器AR2輸出低電壓，二極管D2截止，AR3同相端電壓UREF2減小，運(yùn)放AR3輸出電壓降低，則激勵電路中的IB減小，IC亦減小，使得銣燈泡在低功率下維持工作。由于晶體管的輸出電流隨著溫度變化，當(dāng)溫度升高時，IC增大，則端口A電壓UA增大，運(yùn)放AR3輸出電壓減小，即UB減小，這樣使得IB減小，則IC減小，反之亦然。

4 測試結(jié)果

在（25±0.5）℃恒溫環(huán)境下，對激勵電路在不加控制電路和加控制電路2種狀態(tài)下分別進(jìn)行了10天的測試，采樣時間間隔是10 s。圖4是兩組光強(qiáng)穩(wěn)定度測試結(jié)果的比較。

圖4 光強(qiáng)穩(wěn)定度測試曲線

由圖4可以看出，激勵電路在加上控制電路之后，所測得光強(qiáng)穩(wěn)定度曲線要好于未加控制環(huán)路之前所測得的曲線。表1是2種狀態(tài)下所測得一些指標(biāo)的比較。

表1 銣光譜燈光強(qiáng)測試指標(biāo)比較

從表1中可以看到，加上控制電路所測得銣燈光強(qiáng)的性能指標(biāo)均優(yōu)于未加控制電路所測指標(biāo)，根據(jù)所用的物理部分測得的光頻移系數(shù)是2×10-11/%推算，銣光譜燈輸出光強(qiáng)的變化對萬秒穩(wěn)定度、天漂移率的貢獻(xiàn)分別為8.84×10-14、2.3×10-14。這說明，通過對銣光譜燈激勵電路增加控制電路，提高了銣光譜燈光強(qiáng)的穩(wěn)定性，這將有助于提高銣原子頻標(biāo)的長期穩(wěn)定度。

5 結(jié)論

作者設(shè)計了具有反饋控制的銣光譜燈激勵電路，并進(jìn)行了實驗研究。通過實驗數(shù)據(jù)可以看出，激勵電路在增加控制電路后，銣光譜燈輸出光強(qiáng)的萬秒穩(wěn)定度、天漂移率分別較未加控制的激勵電路均有所提高，說明控制電路在一定程度上提高了銣光譜燈光強(qiáng)的穩(wěn)定性，達(dá)到了改進(jìn)的目的。

[1]涂建輝,李冠斌,達(dá)道安,等.銣光譜燈老化過程分析[J].真空與低溫,2006,12(3):173～174.

[2]RILEYWJ.A rubidium clock for gps[C].Proceeding of the thirteen annual precise time and interval applications and planning meeting,1981,11.

[3]RILEYWJ.Hamilton.Power supplycircuit for an alkali vapor spectral lamp[P].U.S.Patent No.4,721,890,1988-01-26.