《电讯技术》专题资料《时间频率技术》题要（十）

锁相铷原子频标（王正忠） 铷原子频标具有高的频率准确度和良好的长期稳定度,而压控晶体振荡器具有高的短期稳定度和低相位噪声特性。利用锁相技术,可使两者优良性能有机结合,输出既具有原子频标的高频率准确度和良好长期稳定性,又具有晶振的高瞬稳和低相位噪声的频标信号。     

一种高稳定恒温晶振的设计

为了满足对晶体振荡器频率稳定度的较高要求,设计了一种标频为10MHz的高稳定低相噪恒温晶体振荡器。通过分析晶体振荡器的短期稳定度,总结出改善短期稳定度的措施,并根据分析结果进行实际振荡电路的设计,然后借助ADS谐波平衡仿真工具,通过对电路参数的不断优化,最终得到理想的相位噪声仿真曲线并根据优化的最终参数指导设计出实际样品,测试结果表明,频偏在1Hz处的相位噪声为-108dBc/Hz,其1s处的阿伦方差可达1.1E-12,具有很高的稳定性。     

光抽运铷脉泽

光抽运铷脉泽是最新发展的一种原子频标。从体积小、结构简单方面考虑,它是第一个能代替晶体振荡器的原子频率标准。它是所有频标中唯一具有这些优点和(由于脉泽原理而达到)相位稳定度非常高的设备。这种设备产生的微波输出是铷~(87)基态的超精细频率6835兆赫。这个脉泽是由充满铷~(87)蒸汽和氮的微波腔体组成。当铷蒸汽被已过滤的铷共振辐射的光照射时,产生振荡。脉泽的输出功率是10~(-10)瓦。还可以期望更高的功率输出。本文将介绍铷脲泽的物理原理和它的结构。同时讨论了光抽运、缓冲气体和温度对脉泽的影响。给出了实验结果。在观察时间约1秒的短期稳定度预计约1×10~(-12)。由于增加输出功率到10~(-8)瓦,短期稳定度还可提高。长期稳定度预计比得上已经获得的无源铷频标(约1×10~(-11)/每月)。由于压强漂移、光漂移、腔体牵引和缓冲气体化学成份的变化引起缓慢的频率波动。由于采用铷脉泽作为原子束频标的“飞轮”,长期稳定度可以改善。这种组合能够期望长期和短期稳定度都优于1×10~(-13)。     

数字式双混频时差测量仪原理分析与仿真

为了突破传统时频测量技术的局限性,提高频率稳定度的精确程度,研究设计了一套数字式双混频时差测量系统,采用经典双混频时差测量原理,运用数字信号处理技术实现频标的比对测量。仿真结果证明,采用10 MHz信号进行测量时,得到相位噪声Allan方差优于3E-13/s,可对高精度频标进行实时测量和监控。     

铷原子频标远程在线校频方案设计

依据铷频标检定规程和卫星导航定位系统地面监测站技术指标要求,设计了一套铷原子频率标准在线校频方案,解决了监测站铷原子频率标准每年到计量单位检定的问题,从而确保各监测站铷频标长期正常工作.该方案对于铷原子频率标准校频具有通用性,可以推广使用.     

基于LMX2306的高稳定度晶体振荡器设计

介绍了一种基于LMX2306（PLL）＋VCXO实现的20-100MHz高稳定晶体振荡器的设计方法，该设计方法利用锁相稳频技术可获得长，短期频率稳定度和相位噪声皆比较好的频标特性。     

基于受激Raman散射的微型铷频标性能研究

通过入射的半导体激光束与在铷汽泡中产生的受激Ｒａｍａｎ散射光束之间的拍频，从高速光检测器中将输出一频率为铷原子基态超精细跃迁频率的信号．由于上述过程与暗线共振、电磁诱导透明及原子体系中的相千诱导Ｒａｍａｎ增益等密切相关，故此拍频信号具有相当窄的线宽和高的频率稳定度，以此为参考频率，可望作成迄今最小的微型原子频标．此外，这种频标对加速度很不敏感，功耗极低，频率稳定度性能适中，因而特别适于恶劣环境下使用（如通讯网中的时间同步、ＧＰＳ接收机以及许多军事装备等）．到目前为止已经提出和试验过若干方案，包括…     

晶体管放大器相位噪声的正交优化设计

本文给出了频标放大器输出级相位噪声功率谱密度的公式。为了降低相位噪声,用正交法对电路参数进行了优化设计。实验结果表明,放大器经优化设计后,其频率稳定度(阿仑方差)优于(35)10-13/s。     

国外光频标进展

量子频标是依据原子或分子（以下简称粒子)跃迁频率的恒定性建立起来的。从五十年代初就开始利用氨分子在微波段的吸收谱线来测量频率,测量准确度达10^-8。1955年英国Essen第一次制成了铯原子束频标,准确度达到10^-9。到六十年代各种类型量子频标的研究工作都开展起来了,例如光抽运吸收泡型频标、铊原子束型频标和氢振荡器型频标。这些研究工作均取得飞快进展,并研制出稳定度和准确度很好的量子频标,其中铯原子束频标的准确度始终领先。图1给出了到目前为止历年来微波量子频标进展的示意图。1967年第13次国际权度会议通过以Cs133原子基态超精细能级跃迁辐射的9192631770个周期（长度)为一秒,建立了原子吋基准。Cs133原子束频标也就是频率的基准。     

采用射频调制实现对单频激光器频率噪声的抑制

在使用铷原子饱和吸收谱线作为激光频率参考进行稳频的激光稳频系统中,环路带宽是影响激光输出频率噪声的重要因素之一。对激光稳频系统中限制环路带宽的主要因素进行分析,使用射频调制信号直接调制商用外腔半导体激光器的高速电流调制端来对激光稳频系统的环路带宽进行拓展。根据对稳频环路的分析,合理设置反馈电路,实现激光稳频。使用低频谱分析仪对稳频后的鉴频信号进行分析,发现带宽拓展后,在傅里叶频率为5kHz处对频率噪声的抑制度达到了20dB以上。通过将该稳频激光器输出的激光与锁定在极稳恒温晶振上的飞秒光学频率梳进行拍频,测量了该稳频激光相对光梳的频率噪声,测量结果与直接分析鉴频信号的结果吻合。经过测量,通过拓展带宽抑制频率噪声,稳频激光器的短期频率稳定度得到改善。最后,测量了稳频激光相对于锁定在恒温晶振上的飞秒光学频率梳的频率稳定度,Allan方差在平均时间1s时达到4.52×10~(-12),在平均时间20s时达到1.65×10~(-12)。     

利用锁相飞秒激光对碘分子R(59)8-4超精细跃迁的绝对频率测量

介绍了633 nm半导体激光频标系统,高重复频率锁相飞秒激光器系统和绝对频率测量系统的建立以及测量碘分子超精细跃迁绝对频率的系统方案.633 nm半导体激光频标采用三次微分稳频方法,将激光频率锁定在碘分子谱线上,获得0.5 mW的稳频激光输出.飞秒激光稳频系统通过锁相电路将飞秒激光的高重复频率(760 MHz)和初始频率稳定在微波频率标准上,从而得到稳定的飞秒光梳,其稳定度优于6.44×10-13.在此基础上建立了绝对频率的直接测量系统,即利用波长计直接测量光梳的齿数n,并通过拍频法,测出633 nm半导体激光频标与飞秒光梳的差频,从而计算出相应谱线的绝对频率.这样,通过锁相飞秒激光器,建立了微波频率标准到光学频率标准的传递,为进一步的基础研究工作奠定了基础.     

铷87原子双光子跃迁光谱稳频特性研究

铷87的双光子光谱具有高信噪比、无多普勒展宽、窄线宽等特点。构建了基于⁸⁷Rb原子双光子跃迁的光学频率参考，分析测试了影响其短期稳定度的因素。利用778 nm外腔半导体激光器激发双光子跃迁产生420 nm荧光信号，通过荧光信号锁定激光器频率。探讨了谱线线宽、信噪比、功率、温度相关的谱线展宽、光频移、系统结构稳定性和调制宽度等对频移和稳定度的影响。采用螺栓锁紧结构固定光学元件，大幅改善了光学对准引起的稳频误差，通过直接调制激光器电流实现了秒级稳定度为1.5×10^-12、500 s稳定度为2.88×10^-13的光学频率参考。与其他基于饱和吸收的光学频率参考相比，构建的基于⁸⁷Rb原子双光子跃迁的光学频率参考的稳定度提高了10～100倍。光学对准对于提高荧光探测信噪比和优化长期稳定度具有重要意义。验证了内调制实现双光子光学频率参考的可行性，并提出了进一步优化短期稳定度和长期稳定度可采用的技术方案。     

原子干涉仪中拉曼激光的相位-频率双调制稳频

为降低拉曼激光的频率噪声,提出了一种相位-频率双调制稳频技术。用光纤电光相位调制器对激光进行调制并产生大失谐边带;用射频信号对光纤相位调制器的微波驱动信号进行频率调制,通过锁相放大法将一个大失谐边带锁到铷原子的饱和吸收谱线上。利用该技术实现了拉曼种子激光的稳频和2 GHz的移频,拉曼激光的线宽大幅压窄到56 kHz,预期拉曼激光频率噪声引起的原子干涉重力仪的单次测量噪声可降低到7×10-9/s2。     

GNSS系统驯服铷钟基准研究

本文主要研究一种面向时间统一系统应用的卫星可驯服铷钟.通过具体试验,将卫星导航系统(GNSS)频率信号准确度、长期稳定度优势与铷钟中短期频率稳定度有机结合起来,实现高精度的铷钟应用需求.     

GPS校频的压控振荡器设计

提高压控振荡器（VCO）的频率稳定度和噪声抑制能力,是基于反馈控制原理与GPS驯服校频技术频标产生电路获得高稳定度、高准确率的标准频率信号的关键。综合差分对型VCO,LC型VCO的优点,研究压控振荡器的噪声与频率调节范围及稳定时间的关系,设计一种全差分结构的LC型压控振荡器（使用COMS电容阵列作LC元件）,具有较高的电源噪声和衬底噪声抑制能力。仿真结果表明,该压控振荡器的频率稳定时间短,准确度锁定在GPS标准的准确度上。     

X波段固态微波频率合成器的研制

本文报道一种可用计算机控制输出频率的 X 波段固态微波频率合成器,其输出频率在100MHz 范围内以100kHz 步进可调,秒级频率稳定度为1.722×10~(-9),长期频率稳定度与主晶振相同。最后给出了利用差频法测量短期频率稳定度的测量系统框图及其测量结果。     

C波段低相噪快速跳频源的研制

介绍一种利用乒乓环和混频技术实现C波段低相噪快速跳频源的方案。该方案共有三个环,通过两个低频锁相环采用乒乓工作的方式来实现跳频,最后一个固定点频锁相环作为混频器的本振完成上变频。与传统方法的不同之处在于,以往采用下变频频率合成器来降低相位噪声,而该方案是将低相噪的频率合成器上变频至高频段。测试结果表明,用这种方式设计的频率源达到了系统对项目的指标要求,该频率合成方案是可行的。     

S波段低相噪振荡器的设计

基于ADS软件仿真,提出了S波段低相噪振荡器的设计方案。该振荡器采用了100MHz低相噪晶体振荡器和倍频链电路的组合,通过三次倍频来实现2GHz的单点频输出,并且在倍频过程中尽量地让相位噪声按照20lgN恶化。实测结果表明,振荡器输出信号的相位噪声在偏移1kHz处可达到-155dBc/Hz,最终输出信功率大于10dBm,谐波抑制大于25dBc。     

低相噪毫米波源的研制

介绍了一种毫米波低相噪源的设计方法,采用PDRO和倍频电路方案,对本微波源的相位噪声和频率稳定度进行了分析,并简要介绍了PDRO的设计,对研制成的实物进行了测试,达到了设计要求的指标。该毫米波源的相位噪声≤-95dBc/Hz@10kHz,频率稳定度Δfout/fout≤1×10-8,杂波抑制比rs≤-75dBc。该毫米波源具有相位噪声低、体积小、Q值高、频率温度稳定性好等优点,具有广阔的应用前景。     

Ramsey-CPT原子频标的高性能小型脉冲微波源研究

根据Ramsey-CPT原子频标对脉冲微波源高性能小型化的要求,采用直接数字频率合成器（DDS）激励锁相环频率合成器,再结合可编程数字功率衰减器和阻抗匹配电路,从而实现具有高稳定度、高分辨率、快跳频速度、低相位噪声、小体积、小步长扫描的脉冲微波源。比较应用于Ramsey-CPT原子频标的脉冲微波源方案,介绍脉冲微波源的基本原理,简述其具体实现方法,并通过仿真优化得到最佳的输出性能。实现的脉冲微波源具有优良的技术性能,进一步提高了Ramsey-CPT原子频标输出频率的性能。同时,达到了设计小型化的要求,有利于Ramsey-CPT原子频标的便携式应用。