基于85Rb的微型化CPT原子钟的设计和实现

介绍基于85Rb原子相干布居囚禁(CPT)现象的微型原子钟的设计与实现,系统以MSP430单片机作为主控芯片,实现电流源、TCXO和射频等功能模块,并与CPT原子钟物理部分实现联调与整机封装,实现了高稳定度、低功耗的小型CPT原子钟。整机体积只有31 cm3,功耗为660 mW,测得10 MHz输出信号稳定度约为2×10-10 s-1,4×10-11/1 000 s。系统采用全宽调制在85Rb的D1线实现CPT原子钟方案,可提升CPT共振谱线对比度,提高原子钟稳定度。     

宇宙通信和跟踪系统的频率稳定度要求

宇宙通信和跟踪系统对稳定的频率源提出了严格的要求。“闪烁”(1/f)噪声和环境变化是影响典型的宇宙系统性能的振荡器的两个不稳定因素。列出了几种系统的例子以及各个系统对频率源的要求。依据具体试验,地球卫星系统对稳定度的要求在数秒到数小时时间内为10~(-10)。典型系统要求S波段12赫带宽接收机内的相位噪声小于5°均方根值。以宇宙飞行器应答机为例,在10赫到10千赫,峰值为3g的振动下,其相位噪声应低于45°峰峰值。     

传输高稳定原子钟信号的光纤模拟通信系统

采用光纤模拟通信技术,对某微波通信站高稳定的原子钟信号进行光纤传输,设计专用光纤模拟通信设备,并分析影响原子钟信号短期频率稳定度的主要因素,同时给出减少影响的有效方法。通过设备研制和实验对比．结果证明,经光纤模拟传输后,原子钟信号的短期频率稳定度达到某微波通信站的应用要求。     

传输高稳定原子钟信号的光纤模拟通信系统

采用光纤模拟通信技术,对某微波通信站高稳定的原子钟信号进行光纤传输,设计专用光纤模拟通信设备.并分析影响原子钟信号短期频率稳定度的主要因素.同时给出减少影响的有效方法.通过设备研制和实验对比.结果证明.经光纤模拟传输后.原子钟信号的短期频率稳定度达到某微波通信站的应用要求.     

环境温度对氢原子钟稳定度的影响

环境因素对氢原子钟性能指标的影响不容忽视，在计量和使用过程中必须加以严格控制。本文从氢原子钟的构成入手，分析了影响氢原子钟频率稳定度的因素，并重点对环境温度的影响进行了分析和实验。实验结果表明，环境温度对氢原子钟频率短期稳定度影响不大，会严重影响长期稳定度指标。     

综合原子时软件中联合守时方法的探究

<正>综合原子时软件采用加权平均算法，以各钟频率稳定度作为取权依据，根据原始钟差测量数据和利用原子钟模型预报的钟差改正数据计算产生综合原子时，再经过频率驾驭实现向外部标准时间溯源。同时，通过计算各原子钟的频率稳定度、频率偏差、频率漂移、数据质量、预报质量等指标对原子钟性能进行评估^[1]。     

基于DFT算法的新型CPT原子钟设计

CPT原子钟应用Rb85原子的相干布居囚禁原理,避免了厘米量级的微波谐振腔,使得原子钟的微型化成为可能。采用传统采样比较方式,频率稳定度在百秒稳之后难以驯服。本文介绍了一种以FPGA为主控模块的新型CPT原子钟,并用DFT算法改进了锁定方式提高了系统的抗噪声能力,最后给出了样机测试结果,其千秒稳达到1.96×10-11。     

原子钟相位一时间起伏周期的小波分析

文中根据小波变换的奇异性检测原理，分析了环境温度变化对原子钟特性的影响。基于小波变换的信号重建原理，将温度变化引起原子钟相位-时间起伏进行时-频域分离。用小波变换理论分析了由于昼夜温度变化引起原子钟周期性波动的原因，结合传统的港分析方法，认证了原子钟相位－时间起伏的周期性。结果表明：在有环境温度调节的环境中，氢原子钟的相位－时间起伏标准差41ns左右，在一般环境中，她原子钟的相位一时间起伏标准差21us左右。改善环境条件可以提高原子钟的频率稳定度。     

设计空间用的毫米波倍频器

在20和30千兆赫频段的空间通信活动中,要求要有价廉而稳定的信号源。对许多应用而言,只要求基频源就行了,但是在一些要求非常高稳定度的场合,例如在电波传插实验中,基频信号源就不适宜了。毫米波倍频器是实现超高稳定度要求的手段。用一个温度控制的132.222兆赫的品体振荡器加一条倍频至30千兆赫的倍频链,便可以达到1×10~(-6)的频率稳定度,而且可以使90%的功率能量集中在中心频率±150赫的带宽内。     

用于CPT芯片级原子钟的滤波器设计

长期稳定性优化是芯片级原子钟研究的难点问题,本文讨论了在CPT芯片级原子钟长期稳定性优化过程中,滤波器模块的设计原理和要点,并设计了适用于原子钟的巴特沃斯滤波器.最后,基于本实验室所研究的芯片钟系统对该滤波器进行了开环和闭环测试,所得到的千秒稳为6.62×10-12,万秒稳为1.16×10-11,天稳为6.71×10-12.     

新型原子钟及其在我国的发展

简述了原子喷泉(铯和铷)钟、离子微波钟、原子(离子)光钟、相十布居陷俘(CPT)钟、脉冲激光抽运(POP)铷原子钟以及积分球冷原子钟等新犁原子钟的基本原理;概述了这些新型原子钟在我国的研制概况,包括主要方案、特点和进展情况;指出了这种采用激光冷却和陷俘以及新物理原理的新型原子钟具有很高的潜在稳定度和准确度.最后,表明这种新型原子钟,尤其是原子(离子)光钟在我国的发展尚处起步阶段,并对这种新型原子钟在我国的发展提出了建议和评述.     

守时系统钟组规模技术验证

通过分析氢原子钟和铯原子钟的频率稳定度和影响原子钟性能的噪声类型,将两种元素原子钟的仿真运行与实际运行数据进行对比。应用ALGOS算法对各类钟组配置进行原子时计算和溯源周期为五天的时标计算和性能分析以及无溯源条件下的自主守时性能。结果表明：溯源状态下,氢钟占比越高,钟组频率稳定度和时间稳定度越好,且自主守时能力也相对越强。氢钟作为守时钟组可得到较好的钟组性能,而铯钟的价格更具优势,所以可按实际使用需求选择原子钟。     

氢钟频移校准与相位无损切换

为满足VLBI等高精度空间测量技术对时间频率稳定度和准确度提出的更高要求,深空测控系统都配置了高性能的氢原子钟。但由于部件老化、环境变化等影响,氢原子钟输出频率会发生漂移变化,需要对此频移进行校准;同时备份原子钟需要追踪并保持与主钟的输出相位一致,必须进行相位的无损切换才能保障时频信号的连续性。分析了氢原子钟的工作原理和调频移相技术,设计了一种氢钟追踪外部授时系统进行频率漂移校准、主备钟相位无损切换的工程实施方法。应用结果表明,72 h测试时间内,与GPS相比,氢钟的稳定度由原来1.1×10-13提高到3.2×10-14,主备氢钟相位差由原来1.03o减小至0.08o,满足了VLBI长时间高精度测量的精度需求。     

多谐振荡器频率稳定度分析

多谐振荡器用途广泛。其特点是,结构简单,振荡频率范围宽,便于分频与压控,容易改变传空比等等。但其缺点是频率稳定度较差,如要求温升△T=±20℃时△E/E=±10％;以及在一个维护周期内达到10~(-3)量级的频率变化常常是困难的。本文试就怎样提高频率稳定度问题上加以探讨。众所周知,供电电压的变化是容易通过稳压来解决的;时间稳定度也是能够通过采用优质的元器件并加以老化来满足的。因此,留下的问题在于温度变化下的频率稳定度,它将是总的频率稳定度的关键。下     

星载MEMS原子钟稳频系统的优化及实验研究

简要介绍CPT原子钟工作原理,讨论原子频标的两个重要指标:短期稳定性和频率漂移.对CPT原子钟的锁频伺服控制电路进行系统分析和优化设计,并通过饱和吸收稳频实验验证所设计伺服控制电路的稳频性能,100 s的频率稳定度达到1.6×10-12,有望进一步提高频率稳定性.     

原子钟在线监测评估方法设计

大型通信、测量电子系统一般配备2台或2台以上原子钟作为系统的时间、频率基准,互为备份构建主、备时频信号基准,以提高系统时频信号可靠性,保障系统连续运行。主备原子钟间虽然可通过相位比对、数据分析检测到原子钟工作状态异常状况,但是由于缺乏参考,难以通过时频系统本身区分故障来源,存在故障定位难的技术难点。针对这一问题,提出了一种基于中间振荡器的主、备用原子钟频率跳变检测、短期稳定度分析评估方法,为时频系统主、备用原子钟故障定位提供技术手段,提高时频系统故障判断准确性,并缩减系统故障定位、故障恢复时间。使用3台铷原子钟进行了测试验证,实验结果表明,该方法可实现时钟稳定度的评估,并可实现时钟频率跳变的故障定位。     

卫星导航系统星载钟时域频率稳定度探讨

介绍了四大卫星导航系统采用的时间系统,分析了频率标准的时域频率稳定度研究内容、研究方法,推导了其实用计算方法和公式,主要对近十年以来研究GNSS星载原子钟频率稳定度的测算数据进行了梳理和归纳总结,对比分析了各个导航系统星载原子钟的频率稳定度,综合数据表明大部分星载钟天稳均可达到10^-14量级,其中GPS星载铷钟和Galileo星载PHM钟稳定性最好。     

专辑序

量子频标(原子钟、原子频标)利用原子能级跃迁来实现高稳定度和高准确度的时间频率输出。得益于相对成熟的微波技术,氢、铷、铯这三种微波原子钟首先发展起来,在导航、通信、授时、基础研究等领域发挥了重大作用并广泛应用。近年来,光学原子钟的发展日新月异,精度已远超微波原子钟,有可能产生新的秒定义,但在众多工程应用领域,环境适应性更好、可靠性更高的微波原子钟依然不可替代。值得注意的是,相干布居囚禁技术的出现,使得微波原子钟的小型化和微型化成为可能,超低功耗的芯片尺度原子钟已经在PNT领域实现规模应用。     

亚微米电子束曝光机数控电流源系统

本文介绍了亚微米电子束曝光机电流源系统。该系统在国内首次使用计算机实现了自动化调节,系统内关键部位使用了大量先进器件,多达20路独立可调的电流输出,稳定度均达到2×10~(-5)/1小时。其中对稳定度要求最高的物镜电源,由于首次将电压/频率转换器(VFC)用于连续可调的电源系统,形成了一个闭环反馈控制电路,使它达到5×10~(-6)/4小时的稳定度。该系统还具有很强的抗干扰能力,纹波<1×10~(-5)V_(P-P)。这些指标保证了0.1μm束斑的精度要求,它的研制成功为电子束曝光机的自动化调机奠定了基础。     

简易铷原子频率源

在诸如单边带通讯及脉码调制等许多系统中,都需要有高精度频率源。应用晶体振荡器往往就能满足此精度要求。晶振具有极好的短期稳定度,但受到晶体固有老化的影响,长期稳定度较差。若保持晶振温度恒定,则稳定度可优于1×10~(-7)/每年。但这种