CPT原子鐘、星載鐘及時(shí)頻測控領(lǐng)域的新技術(shù)研究.pdf

1、基于CPT(Coherent Population Trapping，相干布居囚禁)現(xiàn)象的原子鐘是近年來國際國內(nèi)的一個(gè)研究熱點(diǎn)?；贑PT現(xiàn)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(dòng)型CPT鐘，前者的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜但是準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度卻很高，后者的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)非常簡單，是可以實(shí)現(xiàn)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(gè)子系統(tǒng)的功能，設(shè)計(jì)及測試等內(nèi)容后，對(duì)電路子系統(tǒng)中的有關(guān)

2、內(nèi)容進(jìn)行重點(diǎn)研究和實(shí)現(xiàn)。
　　 CPT-Maser鐘中頻率鏈電路的作用是聯(lián)系用戶頻率(通常是5MHz和10MHz)和調(diào)制激光器的頻率(通常是原子基態(tài)超精細(xì)能級(jí)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(shù)。在CPT-Maser鐘中設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)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(dá)到了國內(nèi)先進(jìn)水平。
　　 CPT-Maser原子鐘是通過檢測CPT-Mas

3、er信號(hào)的功率變化來實(shí)現(xiàn)鎖定的，而CPT-Maser信號(hào)通常在-90dBm以下，頻率約為6.834GHz，因此設(shè)計(jì)了外差式接收機(jī)和檢波電路實(shí)現(xiàn)功率檢測。該電路中對(duì)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(jī)閉環(huán)后輸出的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度之間存在的關(guān)系。
　　 伺服電路將檢波電路輸出的誤差信號(hào)處理成本振的控制電壓。設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了主要由A/D，單片機(jī)，D/A構(gòu)成的數(shù)字伺服，它的主要

4、優(yōu)點(diǎn)是利用軟件便能完成調(diào)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(bǔ)償和擴(kuò)捕功能。針對(duì)10-13的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，理論分析了數(shù)字伺服的設(shè)計(jì)方法。
　　 原子鐘的頻率溫度系數(shù)是一個(gè)重要參數(shù)，目前國外星載銣鐘的該參數(shù)已達(dá)10-14量級(jí)，而CPT-Maser的為10-12量級(jí)。設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于軟件補(bǔ)償頻率溫度系數(shù)的方法。擴(kuò)捕電路能解決傳統(tǒng)的原子鐘中出現(xiàn)的當(dāng)本振頻率偏出原子鐘的捕獲帶時(shí)環(huán)路不能鎖定的問題。設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了CPT-

5、Maser原子鐘擴(kuò)捕電路。
　　 圍繞被動(dòng)型CPT鐘的微型化設(shè)計(jì)了適宜于微型化要求的整機(jī)設(shè)計(jì)方案，它在細(xì)節(jié)上它具有以下四個(gè)特點(diǎn)：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(shù)字式的鎖激光器和鎖本振電路；四是利用一個(gè)銣泡的輸出同時(shí)實(shí)現(xiàn)鎖激光器和鎖本振。
　　 基于DDS，單片機(jī)，鎖相環(huán)芯片等研制了一個(gè)適應(yīng)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(shù)字化器件，簡化了頻綜設(shè)計(jì)，具有數(shù)字化

6、，輸出頻率可高精度軟件調(diào)節(jié)，軟件產(chǎn)生FSK調(diào)制和同時(shí)可輸出同步解調(diào)信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)。
　　 研究了被動(dòng)型CPT鐘的智能化和數(shù)字化，理論上數(shù)字化原子鐘具有便于生產(chǎn)，測試，軟件補(bǔ)償?shù)葍?yōu)勢，對(duì)頻率溫度系數(shù)的補(bǔ)償，原子鐘的非實(shí)時(shí)控制，基于相位重合點(diǎn)檢測實(shí)現(xiàn)的鎖頻環(huán)等內(nèi)容作了實(shí)驗(yàn)研究。
　　 闡述了星載鐘設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，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(shù)細(xì)節(jié)等內(nèi)容，同時(shí)提出了一些有望提

7、高我們星載鐘研制水平的建議。
　　 時(shí)頻測試設(shè)備的研制和新型時(shí)頻信號(hào)處理技術(shù)是時(shí)頻領(lǐng)域的另一個(gè)研究方向。
　　 時(shí)間量化技術(shù)是很多測試設(shè)備的一個(gè)基礎(chǔ)，目前對(duì)其分辨率的要求已達(dá)ps量級(jí)。基于CMOS門延遲的時(shí)間量化技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜，繼續(xù)采用該技術(shù)提高分辨率將會(huì)很困難。研究了利用信號(hào)在介質(zhì)中傳輸時(shí)會(huì)出現(xiàn)延遲這種現(xiàn)象來進(jìn)行時(shí)間量化的可行性及其特點(diǎn)。首先分析采用該技術(shù)的進(jìn)行時(shí)間量化時(shí)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(duì)導(dǎo)線延遲的分辨率，準(zhǔn)確度，線性度做了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并對(duì)溫度，信號(hào)衰減和色散等量對(duì)延遲穩(wěn)定度的影響做了實(shí)驗(yàn)研究。分析和實(shí)驗(yàn)表明，基于傳輸延遲的時(shí)間量化技術(shù)是一種新的可以獲得高分辨的時(shí)間量化技術(shù)，同時(shí)指出了該方法的一些特點(diǎn)及其應(yīng)用。
　　 設(shè)計(jì)了一種新的時(shí)鐘插入技術(shù)以實(shí)現(xiàn)高分辨率的時(shí)間間隔測量儀。該時(shí)鐘插入技術(shù)利用信號(hào)在傳輸時(shí)會(huì)有穩(wěn)定的、規(guī)律的延遲特性，用一段傳輸線對(duì)時(shí)鐘信號(hào)延遲，在傳輸線上根據(jù)設(shè)計(jì)分辨率的大小設(shè)置一些離散的檢

9、測點(diǎn)，用D觸發(fā)器完成對(duì)延遲后的時(shí)鐘信號(hào)與被測時(shí)間間隔開始或者結(jié)束信號(hào)的重合檢測，根據(jù)重合點(diǎn)出現(xiàn)的位置推算出時(shí)鐘信號(hào)與被測時(shí)間間隔開始或者結(jié)束信號(hào)的時(shí)差大小。采用FPGA芯片EP2C5Q204和上述時(shí)鐘插入技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高精度時(shí)間間隔測量儀.實(shí)現(xiàn)的時(shí)間間隔測量儀具有分辨率高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。
　　 目前對(duì)穩(wěn)定度測試設(shè)備有較大的需求量。主要基于DDS技術(shù)和測差頻周期法研制了一個(gè)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(chǎn)品比較，它主要具有低成本高分辨率的優(yōu)點(diǎn)。
　　 目前的時(shí)間比對(duì)中通常采用時(shí)間間隔測量儀作為測量儀器，在這種條件下時(shí)間間隔測量儀的分辨率制約時(shí)間比對(duì)的分辨率。分析了時(shí)間比對(duì)過程中的時(shí)間比對(duì)和頻率源比相之間的關(guān)系，提出了利用頻率源比相測量間接完成時(shí)間比對(duì)的思路并完成了驗(yàn)證上述思路的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)指出了這種間接測量的優(yōu)勢。
　　 分析了雙頻信號(hào)的相對(duì)

11、相位變化特點(diǎn)，提出了一種新的秒信號(hào)的產(chǎn)生方式即利用兩個(gè)頻率信號(hào)的周期性的相位重合點(diǎn)作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)。完成了利用雙頻信號(hào)的相位重合點(diǎn)獲得標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)的說明及初步實(shí)驗(yàn)，結(jié)果是該方法能用來產(chǎn)生秒信號(hào)且產(chǎn)生的秒信號(hào)穩(wěn)定性優(yōu)于200ps。闡述了新方法在授時(shí)過程中的優(yōu)勢并指出了進(jìn)一步研究內(nèi)容。
　　 采用目前廣泛應(yīng)用的鎖相環(huán)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)兩頻率間的鎖定時(shí)，由于它們的頻率關(guān)系往往不相關(guān)以至于實(shí)現(xiàn)時(shí)必須借助于頻率變換電路，將兩不相關(guān)頻率信號(hào)處理成具