CPT原子鐘、星載鐘及時頻測控領域的新技術研究.pdf

1、基于CPT(Coherent Population Trapping，相干布居囚禁)現象的原子鐘是近年來國際國內的一個研究熱點?；贑PT現象可以開發(fā)出兩種不同的原子鐘即CPT-Maser型原子鐘和被動型CPT鐘，前者的特點是結構復雜但是準確度和穩(wěn)定度卻很高，后者的特點是結構非常簡單，是可以實現微型化的原子鐘之一。
　　 在描述了Rb CPT maser原子鐘的工作原理，三個子系統(tǒng)的功能，設計及測試等內容后，對電路子系統(tǒng)中的有關

2、內容進行重點研究和實現。
　　 CPT-Maser鐘中頻率鏈電路的作用是聯系用戶頻率(通常是5MHz和10MHz)和調制激光器的頻率(通常是原子基態(tài)超精細能級躍遷頻率的一半)。在高性能原子鐘中都采用低噪聲頻率合成技術。在CPT-Maser鐘中設計和實現了用戶頻率到100MHz鎖相式倍頻電路和100MHz到3.417GHz頻綜電路，該頻綜電路的性能達到了國內先進水平。
　　 CPT-Maser原子鐘是通過檢測CPT-Mas

3、er信號的功率變化來實現鎖定的，而CPT-Maser信號通常在-90dBm以下，頻率約為6.834GHz，因此設計了外差式接收機和檢波電路實現功率檢測。該電路中對檢波分辨率，溫度穩(wěn)定性有很高的要求，通過選擇高性能的器件來解決上述問題。分析說明了這部分電路與整機閉環(huán)后輸出的頻率準確度和穩(wěn)定度之間存在的關系。
　　 伺服電路將檢波電路輸出的誤差信號處理成本振的控制電壓。設計和實現了主要由A/D，單片機，D/A構成的數字伺服，它的主要

4、優(yōu)點是利用軟件便能完成調試和具有一些傳統(tǒng)模擬伺服原子鐘不具有的功能例如軟件補償和擴捕功能。針對10-13的頻率準確度和穩(wěn)定度，理論分析了數字伺服的設計方法。
　　 原子鐘的頻率溫度系數是一個重要參數，目前國外星載銣鐘的該參數已達10-14量級，而CPT-Maser的為10-12量級。設計和實現了基于軟件補償頻率溫度系數的方法。擴捕電路能解決傳統(tǒng)的原子鐘中出現的當本振頻率偏出原子鐘的捕獲帶時環(huán)路不能鎖定的問題。設計和實現了CPT-

5、Maser原子鐘擴捕電路。
　　 圍繞被動型CPT鐘的微型化設計了適宜于微型化要求的整機設計方案，它在細節(jié)上它具有以下四個特點：一是采用了VCSEL激光器；二是采用了小型化的頻率鏈電路；三是采用了數字式的鎖激光器和鎖本振電路；四是利用一個銣泡的輸出同時實現鎖激光器和鎖本振。
　　 基于DDS，單片機，鎖相環(huán)芯片等研制了一個適應于小型化CPT鐘或其它小型化原子鐘的頻綜電路。它借助了高速數字化器件，簡化了頻綜設計，具有數字化

6、，輸出頻率可高精度軟件調節(jié)，軟件產生FSK調制和同時可輸出同步解調信號等優(yōu)點。
　　 研究了被動型CPT鐘的智能化和數字化，理論上數字化原子鐘具有便于生產，測試，軟件補償等優(yōu)勢，對頻率溫度系數的補償，原子鐘的非實時控制，基于相位重合點檢測實現的鎖頻環(huán)等內容作了實驗研究。
　　 闡述了星載鐘設計的特點，國外星載鐘的主要性能和主要研究單位，我國星載鐘的研制水平和國外的差距，國外星載鐘研制的技術細節(jié)等內容，同時提出了一些有望提

7、高我們星載鐘研制水平的建議。
　　 時頻測試設備的研制和新型時頻信號處理技術是時頻領域的另一個研究方向。
　　 時間量化技術是很多測試設備的一個基礎，目前對其分辨率的要求已達ps量級?；贑MOS門延遲的時間量化技術實現起來比較復雜，繼續(xù)采用該技術提高分辨率將會很困難。研究了利用信號在介質中傳輸時會出現延遲這種現象來進行時間量化的可行性及其特點。首先分析采用該技術的進行時間量化時理論上的分辨率和誤差，及各種影響穩(wěn)定度的因

8、素，然后對導線延遲的分辨率，準確度，線性度做了實驗驗證，并對溫度，信號衰減和色散等量對延遲穩(wěn)定度的影響做了實驗研究。分析和實驗表明，基于傳輸延遲的時間量化技術是一種新的可以獲得高分辨的時間量化技術，同時指出了該方法的一些特點及其應用。
　　 設計了一種新的時鐘插入技術以實現高分辨率的時間間隔測量儀。該時鐘插入技術利用信號在傳輸時會有穩(wěn)定的、規(guī)律的延遲特性，用一段傳輸線對時鐘信號延遲，在傳輸線上根據設計分辨率的大小設置一些離散的檢

9、測點，用D觸發(fā)器完成對延遲后的時鐘信號與被測時間間隔開始或者結束信號的重合檢測，根據重合點出現的位置推算出時鐘信號與被測時間間隔開始或者結束信號的時差大小。采用FPGA芯片EP2C5Q204和上述時鐘插入技術實現了一個高精度時間間隔測量儀.實現的時間間隔測量儀具有分辨率高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。
　　 目前對穩(wěn)定度測試設備有較大的需求量。主要基于DDS技術和測差頻周期法研制了一個穩(wěn)定度測量儀器。它的本底穩(wěn)定度優(yōu)于4.5×10-13/1

10、s，1.5×10-13/10s，它的測量范圍是1MHz到30MHz。與國外的主要產品比較，它主要具有低成本高分辨率的優(yōu)點。
　　 目前的時間比對中通常采用時間間隔測量儀作為測量儀器，在這種條件下時間間隔測量儀的分辨率制約時間比對的分辨率。分析了時間比對過程中的時間比對和頻率源比相之間的關系，提出了利用頻率源比相測量間接完成時間比對的思路并完成了驗證上述思路的實驗，同時指出了這種間接測量的優(yōu)勢。
　　 分析了雙頻信號的相對

11、相位變化特點，提出了一種新的秒信號的產生方式即利用兩個頻率信號的周期性的相位重合點作為標準時間信號。完成了利用雙頻信號的相位重合點獲得標準時間信號的說明及初步實驗，結果是該方法能用來產生秒信號且產生的秒信號穩(wěn)定性優(yōu)于200ps。闡述了新方法在授時過程中的優(yōu)勢并指出了進一步研究內容。
　　 采用目前廣泛應用的鎖相環(huán)技術來實現兩頻率間的鎖定時，由于它們的頻率關系往往不相關以至于實現時必須借助于頻率變換電路，將兩不相關頻率信號處理成具