銣原子鐘知識

一、概述

（一）用途

銣氣泡型原子頻標(biāo)是使用數(shù)量*多的原子頻標(biāo)，隨著電路技術(shù)及工藝水平的發(fā)展，其造價越來越低、體積越來越小，有望在許多場合下代替高溫精度的晶體振蕩器，以獲得更高的精度，主要為導(dǎo)航定位衛(wèi)星時間系統(tǒng)提供頻率基準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于守時、授時、導(dǎo)航定位、電力、鐵路、測速、測距、時間同步和通信等**和商用領(lǐng)域，還可以在晶振生產(chǎn)中用作頻率基準(zhǔn)。

（二）特點

    銣頻率標(biāo)準(zhǔn)不需要真空系統(tǒng)、致偏磁鐵和原子束，因而體積小、質(zhì)量小、預(yù)熱時間短、價格便宜，但準(zhǔn)確度差、頻率漂移比較大，僅能用作二級標(biāo)準(zhǔn)。

銣頻率標(biāo)準(zhǔn)可通過GPS進行快速馴服和外秒同步，克服銣振蕩器本身的漂移，可被看作是一個基本的同步時鐘單元。通過設(shè)計和工藝的改進，產(chǎn)品的可靠性和批量生產(chǎn)也得到保證，現(xiàn)已具備產(chǎn)業(yè)化的條件。可以預(yù)計，這種帶外秒馴服的高性能小型化銣鐘將應(yīng)用于無人值守等苛刻環(huán)境，將大大拓展銣鐘的應(yīng)用領(lǐng)域。

銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)常常被分為普通型、**型、航天型。

（三）產(chǎn)品國內(nèi)外現(xiàn)狀

目前在我國研制生產(chǎn)銣原子鐘的單位有北京大華無線電儀器廠等單位。目前美國研制的GPS 上Block IIA、IIR/IIRM 銣鐘處于****水平，美國Perking Elmer公司已經(jīng)研制出天穩(wěn)指標(biāo)達(dá)到10-15世界*高水平銣鐘。

（四）技術(shù)發(fā)展趨勢

l 更低的相噪特性和功耗是銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)追求的技術(shù)目標(biāo)；

l 秒極頻率穩(wěn)定度高、天頻率漂移小是銣鐘的追求目標(biāo)；

l 發(fā)展與恒溫晶體振蕩器大小接近的小體積銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)。

二、基本工作原理

圖 2  銣鐘電路系統(tǒng)原理框 

銣原子鐘主要由單片機電路、伺服電路、微波倍頻電路、頻率調(diào)制、倍頻綜合電路幾個模塊組成，系統(tǒng)原理框如圖2所示。

銣頻標(biāo)是一種被動型原子頻率，利用的是基態(tài)超精細(xì)能級之間的躍遷，相應(yīng)的躍遷頻率為6834.682614MHz。原子遷躍對微波信號起鑒頻作用而產(chǎn)生誤差信號，通過鎖相環(huán)路伺服晶振的頻率，使激勵信號頻率鎖定到原子躍遷頻率，實現(xiàn)晶振輸出頻率的高度穩(wěn)定和準(zhǔn)確。

三、主要技術(shù)指標(biāo)

   高性能銣鐘主要用于國防**產(chǎn)業(yè)，主要突出性能指標(biāo)及產(chǎn)品可靠性方面的要求，同時還應(yīng)具備易于操作、功能完善、通用性強等特點。其主要功能與性能的參數(shù)如下：

l 頻率穩(wěn)定度

是頻率偏差的起伏程度，實際上是一種可以用隨機過程（平穩(wěn)的或不平穩(wěn)的）來研究和處理的問題。頻率穩(wěn)定度在時域上的數(shù)學(xué)表征是阿倫標(biāo)準(zhǔn)偏差。                                                                                                                                                       

l 月頻率漂移率

原子頻標(biāo)連續(xù)工作時，頻率隨時間單方向慢變化程度，用*小二乘法估計。通過GPS鎖定，可改變銣原子鐘的漂移。銣原子鐘的月漂移為：1×10-11～4×10-11 。

l 頻率重現(xiàn)性

銣頻標(biāo)開機一段時間后關(guān)機，關(guān)機一段時間后，再開機一段時間后的相對平均頻率偏差和關(guān)機時的相對平均頻率偏差的一致程度。一般為：1×10-11～5×10-11 。 

l 頻率準(zhǔn)確度

頻率偏差的*大范圍，表明頻率實際值靠近標(biāo)稱值的程度。用數(shù)值定量表示，不帶正負(fù)號，一般為：5×10-11～5×10-12 。

四、選購注意事項

    銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的選擇要求權(quán)衡不同需要折中考慮。首先確定的是穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度、漂移率等主要性能指標(biāo)，其次需要考慮銣鐘的應(yīng)用環(huán)境，*后考慮可靠性、體積、質(zhì)量、價格以及功耗等因素。

●　穩(wěn)定度

穩(wěn)定度包括短期穩(wěn)定度和長期穩(wěn)定度，指標(biāo)一般為：5×10-11～1×10-12（取樣時間為1s）； 1×10-11～1×10-12（取樣時間為1d）。根據(jù)對穩(wěn)定度的要求選擇長穩(wěn)好還是短穩(wěn)好的銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)。

● 漂移率

頻率漂移率是銣原子頻標(biāo)的重要指標(biāo)之一，通常認(rèn)為光頻移是導(dǎo)致整機頻率漂移的主要因素，一般在零光強頻移泡溫點，光強頻移貢獻約為1×10-12/1%，燈光強日漂移一般可達(dá)千分之一至萬分之幾，銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的月漂移率應(yīng)在4×10-11-5×10-12 范圍內(nèi)。

●　價格

選購銣原子鐘需要考慮產(chǎn)品的價格范圍，銣原子鐘的價格取決于許多因素，包括穩(wěn)定度、漂移率、準(zhǔn)確度等。一般情況下，相同指標(biāo)的銣原子鐘，國產(chǎn)比進口產(chǎn)品價格便宜很多。