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(biāo)的作用及關(guān)鍵指標(biāo)分析

1.1 銣原子頻標(biāo)的作用

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

1.2 銣原子頻標(biāo)的指標(biāo)分析

銣原子頻標(biāo)工作性能的優(yōu)良主要體現(xiàn)在以下幾項關(guān)鍵指標(biāo)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(biāo)輸出的頻率穩(wěn)定度指標(biāo)秒穩(wěn)可以達(dá)到優(yōu)于1.0×10-11的量級。

1.2.2 頻率準(zhǔn)確度

頻率準(zhǔn)確度表示一個被測量的物體量的測量結(jié)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(biāo)稱頻率的頻差(或頻偏）,即輸出頻率偏離標(biāo)稱值的程度,其反映了實際振蕩周期偏離標(biāo)稱振蕩周期的程度頻率準(zhǔn)確度,是銣原子頻標(biāo)的重要指標(biāo)之一,是在用戶使用銣原子頻標(biāo)過程中可以調(diào)整的指標(biāo),其精度直接影響用戶設(shè)備的精度。 目前銣原子頻標(biāo)輸出的頻率準(zhǔn)確度指標(biāo)可以達(dá)到優(yōu)于1.0×10-11的量級。

1.2.3 漂移率

銣原子頻標(biāo)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(biāo)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(xì)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(xì)調(diào)通常用來調(diào)整振蕩頻率,使其達(dá)到較高的準(zhǔn)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(yán)重頻標(biāo)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(biāo)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(dá)到調(diào)整頻率準(zhǔn)確度的目標(biāo),使銣原子頻標(biāo)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(dá)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(biāo)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(biāo)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(xì)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)5 MHz,10 MHz 的頻率信號。

銣原子頻標(biāo)量子系統(tǒng)結(jié)構(gòu),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(biāo)量子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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(jìn)行微調(diào),銣原子頻標(biāo)的頻率準(zhǔn)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(biāo)校頻分析

2.1 原子頻標(biāo)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(zhǔn)確度基本相同,相對頻率偏差與時間差的關(guān)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(biāo)相對北斗/GPS 的時差X(t）。

(2）經(jīng)過τ時間后再次測出頻標(biāo)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(fù)以上步驟直到所測的相對頻率偏差達(dá)到要求的頻率準(zhǔn)確度的數(shù)值。

2.2 原子頻標(biāo)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(biāo)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(zhǔn)確度,調(diào)整銣原子頻標(biāo)輸出10 MHz 準(zhǔn)確度。

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

手動校頻方法缺點是:工作煩瑣；掌握設(shè)備的機理、會記錄、分析數(shù)據(jù)；調(diào)鐘需要經(jīng)驗、細(xì)心、責(zé)任心。上面3 點缺少一點都有可能造成銣原子頻標(biāo)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(biāo)為跟蹤模式,銣原子頻標(biāo)通過北斗/GPS 自動計算頻率準(zhǔn)確度,每秒自動調(diào)整準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行時差比對判斷或收星偽距(坐標(biāo)）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(biāo)準(zhǔn)確度,銣原子頻標(biāo)設(shè)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(fēng)險隱患。

2.2.3 校頻模式的改進(jìn)

針對上述手動、自動校頻模式的優(yōu)缺點,銣原子頻標(biāo)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(biāo)頻率準(zhǔn)確度,在準(zhǔn)確度調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)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(guān)切斷北斗/GPS 信號與銣芯的聯(lián)系,銣原子頻標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)確度的測量,這樣可以避免銣原子頻標(biāo)在使用期間內(nèi)受北斗/GPS 影響；銣原子頻標(biāo)設(shè)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(jié)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(biāo)校頻模式。