王國(guó)瑞，杜 燕，李錫瑞

(1. 中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)，上海 200030；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094)

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，高精度的時(shí)頻測(cè)量有了廣泛的應(yīng)用，如航空航天、衛(wèi)星發(fā)射及監(jiān)控、地質(zhì)測(cè)繪、導(dǎo)航通信、電力傳輸、通信同步網(wǎng)的構(gòu)建等方面[1]，原子鐘作為一種精確且穩(wěn)定的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生。目前，氫原子鐘是應(yīng)用較多的原子鐘之一。氫原子頻標(biāo)具有優(yōu)良的頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度，但是，該頻標(biāo)也有其固有的缺點(diǎn)，由于使用高有載品質(zhì)因數(shù)的微波諧振腔，其振蕩頻率隨著腔諧振頻率的變化而變化，即所謂的腔牽引效應(yīng)。另外，輸出回路效應(yīng)以及外界環(huán)境因素的改變等都影響諧振腔的振蕩頻率[2]。

腔自動(dòng)調(diào)諧技術(shù)最早由Peters于1982年提出[3]。目前，應(yīng)用較廣的腔自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式包括3種：外部探測(cè)信號(hào)調(diào)諧方式、微波腔頻率開(kāi)關(guān)調(diào)諧方式和Qa調(diào)制方式。接下來(lái)結(jié)合上海天文臺(tái)SOHM-4型主動(dòng)氫原子鐘和俄羅斯VCH-1003M型主動(dòng)氫原子鐘對(duì)外部探測(cè)信號(hào)調(diào)諧方式和微波腔頻率開(kāi)關(guān)調(diào)諧方式進(jìn)行介紹和分析。

1 腔牽引效應(yīng)

當(dāng)諧振腔的諧振頻率與原子的躍遷頻率不一致時(shí)，原子的躍遷頻率隨著諧振腔振蕩頻率的變化而變化，產(chǎn)生腔牽引效應(yīng)。腔牽引效應(yīng)的公式如下[2]：

Δf0=ΔfcQc/Ql，

(1)

其中，Δf0為氫原子鐘輸出頻率的變化；Δfc為諧振腔的腔頻變化；Qc為諧振腔的有載品質(zhì)因數(shù)；Ql為氫原子的譜線品質(zhì)因數(shù)。

主動(dòng)型氫原子鐘典型的Qc=46 000，Ql=1.1 × 109。根據(jù)公式：

(2)

其中，f0為1.4 GHz。由(2)式可以得出，如果使氫原子鐘的長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度保持在10-14量級(jí)，那么諧振腔的頻率變化范圍要控制在1 Hz以內(nèi)，這對(duì)諧振腔的調(diào)諧精度提出了較高的要求。

雖然腔牽引效應(yīng)影響比較小，但是它使得氫原子鐘的長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度變差，導(dǎo)致氫原子鐘的性能無(wú)法滿足實(shí)際工程需求。因此，高效實(shí)用的腔自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)顯得尤為重要。

2 長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度

主動(dòng)型氫原子鐘的頻率穩(wěn)定度表示為[4]

(3)

其中，Qa為氫原子譜線品質(zhì)因數(shù)；τ為測(cè)量時(shí)間；k為玻爾茲曼常數(shù)(1.38 × 10-23J/K)；T為氫脈澤絕對(duì)溫度；Pa為氫原子提供給諧振腔的功率。

表1 物理因素對(duì)氫脈澤頻率的影響Table 1 Effects of physical factors on hydrogen maser frequency

3 外部探測(cè)信號(hào)調(diào)諧

外部探測(cè)信號(hào)調(diào)諧是指利用外部信號(hào)，它由法國(guó)人Audoin于1981年提出[5]。在該調(diào)諧方式中，一個(gè)外部信號(hào)被注入諧振腔，這個(gè)信號(hào)會(huì)被調(diào)諧，調(diào)諧后的信號(hào)通過(guò)諧振腔后被解調(diào)出來(lái)。目前該技術(shù)主要應(yīng)用于上海天文臺(tái)的氫原子鐘，代表是SOHM-4型主動(dòng)氫原子鐘。

SOHM-4型原子鐘采用的外部探測(cè)信號(hào)為方波信號(hào)，其自動(dòng)調(diào)諧原理如圖1，自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)方框圖如圖2。使用混頻器將20.405 ±fmMHz信號(hào)與1.4 GHz的微波信號(hào)混頻形成一個(gè)調(diào)制信號(hào)，其中fm為方波探測(cè)信號(hào)。將該調(diào)制信號(hào)注入諧振腔，當(dāng)諧振腔的頻率和探測(cè)信號(hào)頻率的平均值不相等時(shí)，經(jīng)過(guò)諧振腔耦合環(huán)輸出的信號(hào)被調(diào)幅，調(diào)幅后的信號(hào)同步檢波出誤差信號(hào)，將誤差信號(hào)通過(guò)積分電路產(chǎn)生壓控電壓來(lái)調(diào)諧諧振腔內(nèi)的變?nèi)荻O管，將諧振腔響應(yīng)曲線由圖1中虛線響應(yīng)拉回至實(shí)線響應(yīng)，以此穩(wěn)定諧振腔的頻率，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)諧。

圖1 方波探測(cè)調(diào)諧原理圖
Fig.1 Schematic diagram of square detection tuning

該方波信號(hào)探測(cè)自動(dòng)調(diào)諧方式得到了較好的信噪比，但由于載波信號(hào)可能干擾脈澤信號(hào)，影響脈澤信號(hào)的固有短期頻率穩(wěn)定度，這是方波探測(cè)信號(hào)調(diào)諧方法的難點(diǎn)。與此同時(shí)，通過(guò)電路板產(chǎn)生射頻信號(hào)，產(chǎn)生的射頻信號(hào)可能受環(huán)境等因素的干擾，這些因素在某種程度上對(duì)氫脈澤的頻率穩(wěn)定度產(chǎn)生影響。頻率穩(wěn)定度測(cè)試表明：注入諧振腔的方波探測(cè)信號(hào)使得氫原子鐘的短期頻率穩(wěn)定度受到了一定的影響，而它的長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度得到了一定的改善。

圖2 方波探測(cè)調(diào)諧框圖
Fig.2 Block diagram of square detection tuning

4 微波腔頻率開(kāi)關(guān)調(diào)諧

4.1 原理分析

微波腔頻率開(kāi)關(guān)調(diào)諧方式是使用某個(gè)微波腔頻率開(kāi)關(guān)的方式，在兩個(gè)與躍遷頻率等間距的腔頻間切換。該種調(diào)諧技術(shù)主要應(yīng)用于美國(guó)和俄羅斯的主動(dòng)型氫原子鐘[6-8]，典型代表有VCH-1003M和MHM-2010。VCH-1003M的腔頻自適應(yīng)原理如圖3，腔頻調(diào)諧框圖如圖4。

圖3 微波腔頻率開(kāi)關(guān)調(diào)諧原理圖

Fig.3 Schematic diagram of microwave cavity frequency switch tuning

圖4 VCH-1003M微波腔頻率開(kāi)關(guān)調(diào)諧框圖
Fig.4 VCH-1003M Block diagram of microwave cavity frequency switch tuning

經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大電路和低通電路后的87.2 Hz方波信號(hào)作為失諧信號(hào)作用于同步檢波器。另一路87.2 Hz方波信號(hào)通過(guò)移相等電路消除信號(hào)傳播時(shí)延后送至同步檢波器。同步檢波器產(chǎn)生 “+” 和 “-” 脈沖控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器1，調(diào)節(jié)作用于變?nèi)荻O管的輸出電壓UC，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)諧。腔頻切換的頻率比較快，維持每個(gè)腔頻的時(shí)間在0.01 s量級(jí)。這個(gè)調(diào)制時(shí)間大于諧振腔對(duì)電磁信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間(約為10-5s)，小于原子的弛豫時(shí)間(約為1 s)，使得整個(gè)腔頻切換過(guò)程對(duì)氫脈澤信號(hào)的振蕩狀態(tài)不產(chǎn)生任何影響，即不影響氫脈澤信號(hào)固有的頻率穩(wěn)定度，這是該調(diào)諧方式的一大優(yōu)點(diǎn)。

頻率穩(wěn)定度測(cè)試表明VCH-1003M的長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度得到了改善，已經(jīng)達(dá)到10-16量級(jí)，且沒(méi)有影響氫脈澤信號(hào)的短期頻率穩(wěn)定度和氫脈澤輸出信號(hào)的相位噪聲。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)通過(guò)信號(hào)發(fā)生器向諧振腔注入87 Hz的方波信號(hào)后，從耦合環(huán)取出1.4 GHz的射頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)隔離放大器、混頻器、中頻放大器以及積分器等作用于變?nèi)荻O管，實(shí)現(xiàn)調(diào)諧，其中變?nèi)荻O管的調(diào)節(jié)范圍為0～9 V。實(shí)驗(yàn)表明，手動(dòng)調(diào)節(jié)加在變?nèi)荻O管上的電壓時(shí)，當(dāng)注入變?nèi)荻O管的電壓為1 V，5 V，9 V時(shí)，與參照原子鐘的頻差如圖5。根據(jù)(4)式，即腔牽引公式和變?nèi)荻O管靈敏度公式，將頻差轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，可以得出，在0～9 V范圍內(nèi)的某個(gè)電壓值，能夠?qū)⒛硞€(gè)電壓加在變?nèi)荻O管上時(shí)，實(shí)現(xiàn)調(diào)諧的目的。

(4)

圖5 頻差圖
Fig.5 Frequency difference

微波腔頻率開(kāi)關(guān)調(diào)諧方式的實(shí)現(xiàn)框圖如圖6。由于輸出的脈澤信號(hào)為射頻信號(hào)，需要通過(guò)混頻器將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào)，同時(shí)通過(guò)中頻放大器放大微弱的中頻信號(hào)。將中頻放大信號(hào)送至幅度檢波器進(jìn)行檢波，檢波產(chǎn)生的半波信號(hào)送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter, ADC)進(jìn)行采樣，數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor, DSP)對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，再將處理后的數(shù)字信號(hào)送至數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital to Analog Converter, DAC)，從而轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，作用于變?nèi)荻O管，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振腔的自動(dòng)調(diào)諧。

圖6 微波腔頻率開(kāi)關(guān)調(diào)諧框圖
Fig.6 Block diagram of microwave cavity frequency switch tuning

5 結(jié) 語(yǔ)

關(guān)于主動(dòng)型氫原子鐘相關(guān)技術(shù)的研究已經(jīng)進(jìn)行了半個(gè)多世紀(jì)，其技術(shù)理論日趨成熟。近些年主動(dòng)型氫原子鐘的研究主要集中在技術(shù)的優(yōu)化提升上，從而達(dá)到更高的頻率穩(wěn)定度。其中，技術(shù)優(yōu)化的一個(gè)方向是研究新的調(diào)諧方式，以高效地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)諧。目前采用微波腔頻率開(kāi)關(guān)調(diào)諧或外部探測(cè)信號(hào)調(diào)諧方式進(jìn)行調(diào)諧的主動(dòng)型氫原子鐘的頻率穩(wěn)定度指標(biāo)如表2。

表2 主動(dòng)型氫原子鐘頻率穩(wěn)定度指標(biāo)Table 2 Indexes of frequency stability of active hydrogen atomic clock

從表2可以看出，采用微波腔頻率開(kāi)關(guān)調(diào)諧方式的VCH-1003M等氫原子鐘的長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度要優(yōu)于采用外部探測(cè)信號(hào)調(diào)諧方式的SOHM-4型氫原子鐘。產(chǎn)生這種結(jié)果的部分原因可能是微波腔頻率開(kāi)關(guān)調(diào)諧方式的輔助電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)比外部探測(cè)信號(hào)調(diào)諧方式簡(jiǎn)單，引入了較少的電子噪聲，提高了電子學(xué)系統(tǒng)的性能，從而提升長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度。

在接下來(lái)的研究中，將進(jìn)一步在上海天文臺(tái)SOHM-4型氫原子鐘的自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用微波腔頻率開(kāi)關(guān)調(diào)諧方式實(shí)現(xiàn)腔自動(dòng)調(diào)諧，以提高氫原子鐘的長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度。