一种原子频标装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种原子频标装置，包括物理单元、电子线路和用户终端；所述物理单元包括物理系统和量子鉴频模块；所述电子线路包括综合器、倍混频模块、伺服锁相放大模块、压控晶振模块；所述用户终端包括终端输出模块；本发明专利技术通过伺服电路将物理系统输出的量子鉴频信号转变为直流纠偏电压，来控制压控晶体振荡器的输出频率，从而完成环路的锁定。经改进后，相噪指标得到了有效改善。

An atomic frequency standard device

The invention relates to a device for atomic frequency standard, including physical unit, electronic circuit and user terminal; the physical unit includes physical systems and quantum frequency discriminator; the electronic circuit comprises a synthesizer, double mixing module, servo lock module, voltage controlled crystal oscillator module; the user terminal comprises a terminal output module; the servo circuit of quantum frequency signal physical system output into a DC voltage deviation, to control the output frequency of the voltage controlled crystal oscillator, thus completing the loop lock. After improvement, the phase noise index has been effectively improved.

【技术实现步骤摘要】
一种原子频标装置
本专利技术涉及原子频标领域，具体涉及一种原子频标装置。
技术介绍
原子钟利用原子的超精细能级间跃迁所辐射的频率对时间进行度量。由于它计时的准确性和稳定性，原子钟在过去的五十年中已成为航空航天、导航定位、通信以及科学测量等领域中不可或缺的器件之一。原子钟主要包括物理部分和线路部分，是高稳定度晶体振荡器的物理锁定系统，其性能主要取决于物理部分和线路部分的配合。通常情况下，物理部分由于受到外界温度变化和自身老化等因素的影响而不能达到理想的效果，同时由于线路部分需要通过多级倍频、混频、合成等复杂频率变换，将物理部分跃迁频率锁定到高稳定度晶体振荡器上，在这个过程中，会引入附加噪声，影响了原子钟的短期稳定度指标。针对物理部分和线路部分的不足，需要进行改进。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提出一种改进的原子频标装置。本专利技术为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种原子频标装置，包括物理单元、电子线路和用户终端；所述物理单元包括物理系统和量子鉴频模块；所述电子线路包括综合器、倍混频模块、伺服锁相放大模块、压控晶振模块；所述用户终端包括终端输出模块；所述物理系统输出原子跃迁频率信号到所述量子鉴频模块，所述压控晶振模块分别输出微波信号到所述倍混频模块和综合器，所述倍混频模块的调制受控端连接到所述综合器的调制控制端，所述倍混频模块输出的微波探测信号到所述量子鉴频模块；所述量子鉴频的信号输出端连接到所述伺服锁相放大模块，所述伺服锁相放大模块的控制端通过增益控制模块连接到所述压控晶振模块的受控端，所述压控晶振模块还输出信号给所述终端输出模块。进一步的，还包括温控模块，所述温控模块作用于所述压控晶振模块，适于调节所述压控晶振的工作温度。进一步的，所述综合器还输出同步参考信号到所述伺服锁相放大模块；所述综合器包括DDS模块、第一滤波模块和第一微处理器，所述DDS模块的信号输出到所述第一滤波模块，所述DDS模块受控于所述微处理器。进一步的，所述倍混频模块包括倍频器和混频器，所述倍频器包括依次信号连接的相关脉冲产生模块、第二滤波模块、第一放大模块、第三滤波模块和第二放大模块；所述混频器包括依次信号连接的合成匹配网络模块、混合模块、腔滤波模块、功率放大模块。进一步的，所述伺服锁相放大模块包括A/D转换模块、第二微处理器和D/A转换模块，所述A/D转换模块和D/A转换模块分别受控于微处理器。进一步的，所述物理系统包括包围在集成滤光共振泡外部的C场线圈，所述C场线圈适于产生一个和微波磁场方向相平行的弱静磁场，使原子基态超精细结构发生塞曼分裂，并为原子跃迁提供量子化轴；所述用户终端还包括频率绝对值修正模块，所述频率绝对值修正模块包括并联的一个可调滑动变阻器和一个固定电阻，所述频率绝对值修正模块串联到所述C场线圈。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过伺服电路将物理系统输出的量子鉴频信号转变为直流纠偏电压，来控制压控晶体振荡器的输出频率，从而完成环路的锁定。物理系统的量子鉴频交流信号经伺服的采集处理后得到的纠偏电压在一定程度存在噪声的贡献，若经伺服输出直接作用于压控晶振，必然会对整机的稳定度造成影响。在伺服控制环路上采用数字累加平均的方案。即微处理器对获得的数字A/D采集的量子鉴频信号进行累加平均，即可方便地实现周期小于环路响应时间的噪声成份的压缩。影响铷原子频标短稳指标的噪声主要是白噪声。根据信号统计理论，这类噪声通过累加平均可以有效抑制。N次累加平均可以将信噪比提高倍。经改进后，相噪指标得到了有效改善。附图说明下面结合附图对本专利技术的原子频标装置作进一步说明。图1是本专利技术中原子频标装置的结构框图；图2是物理系统的结构示意图；图3是在微波探询信号作用下的量子鉴频输出示意图；图4是温控模块的电路结构图；图5是综合器的结构及工作原理框图；图6是综合器中键控调频与同步参考原理图；图7是倍频器的原理框图；图8是混频器的原理框图；图9是伺服锁相放大模块的电路原理框图；图10是伺服纠偏原理图；图11是频率绝对值修正模块的原理示意图；图12是终端输出模块的原理图；图13是增益调节模块的原理图。具体实施方式根据图1所示，本专利技术中的原子频标装置，包括物理单元、电子线路和用户终端。其中，物理单元包括物理系统和量子鉴频模块。物理系统是被动型铷原子频标的核心部件，它提供一个频率稳定、线宽较窄的原子共振吸收线，原子频标正是通过将压控晶荡的输出频率锁定在原子共振吸收峰上而获得高稳频率输出。如图2所示，物理系统大致可分为光抽运和共振探测两部分。光抽运部分中的光谱灯是一个无极放电的铷灯，灯泡内除了充有铷外，还充有激发电位低的惰性启辉气体。常用的启辉气体为Kr或Ar。整个灯由射频源激励发光。同时为了稳定工作，必须在控温电路的辅助下工作在恒温区，大致为1200C。共振探测部分由微波腔、C场、集成滤光共振泡、光电池等组成。微波腔的主要作用是为原子的微波共振提供合适的微波场，通过耦合环实现耦合的效果。同时受恒温控制，为集成滤光共振泡提供温度恒定的工作环境，大致工作环境温度为700C。C场线圈的作用是产生一个和微波磁场方向相平行的弱静磁场，使原子基态超精细结构发生塞曼分裂，并为原子跃迁提供量子化轴。为保障原子均匀分裂，C场线圈需要在恒流控制电路的辅助下工作，同时通过调节Ｃ场电流的大小，改变磁场的强度，微调系统的输出频率。同时为了防止外界磁场（例如地磁场）的干扰，需要给整个微波腔体罩上磁屏。集成滤光共振泡是整个物理系统的关键部件，在集成滤光共振泡中为进行滤光和原子共振，除需要充入适量的87Rb及85Rb外，还需充入适当压力的混合缓冲气体，以进行荧光焠灭、能级混杂和减小多谱勒频移。集成滤光共振泡中的87Rb原子的基态超精细跃迁频率即是铷原子频标的量子鉴频参考频率。选择在800nm处有较好灵敏度的硅光电池，作为集成滤光共振泡透射光的探测器。为了实现微波共振探测，通过综合模块给微波信号加上一个低频小调频，在调制微波信号的作用下，光电池相应地得到一个频率和调制频率相同的交流输出。如图3所示，图中横坐标表示微波探测信号的频率，纵坐标表示透过集成滤光共振泡的光照射到光电池上产生的光检测电流(经过了电反相)。光电池的输出电流和照射到它上面的光强成正比。当微波探测信号的中心频率高于原子跃迁频率时（f>fo），光电池的输出信号和微波的调制信号同频反相，经过伺服锁相放大产生一个负△V纠偏电压，使40MHz压控晶体振荡器输出频率变低；当微波探测信号的中心频率低于原子跃迁频率时（f<fo），光电池输出信号和微波调制信号同频同相，经伺服锁相放大产生一个正△V纠偏电压，使40MHz压控晶体振荡器输出频率变高;当微波探测信号的中心频率等于87Rb原子0－0跃迁频率时（f＝fo）时，光电池的输出信号频率是微波调制频率的2倍，经过伺服锁相放大的同步鉴相不产生纠偏电压。从而将40MHz压控晶振的输出频率锁在87Rb原子的0－0跃迁共振点上。其中，在被动型铷原子频标中，电子线路的主要作用是产生源于压控石英晶体振荡器的微波探询信号，并将压控石英晶体振荡器的输出频率锁定在铷原子的基态超精细0－0跃迁频率上。电子线路包括综合器、倍混频模块、伺服锁相放大模块、压控晶振模块。压控晶振模块是压控晶体振本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种原子频标装置，其特征在于：包括物理单元、电子线路和用户终端；所述物理单元包括物理系统和量子鉴频模块；所述电子线路包括综合器、倍混频模块、伺服锁相放大模块、压控晶振模块；所述用户终端包括终端输出模块；所述物理系统输出原子跃迁频率信号到所述量子鉴频模块，所述压控晶振模块分别输出微波信号到所述倍混频模块和综合器，所述倍混频模块的调制受控端连接到所述综合器的调制控制端，所述倍混频模块输出的微波探测信号到所述量子鉴频模块；所述量子鉴频的信号输出端连接到所述伺服锁相放大模块，所述伺服锁相放大模块的控制端通过增益控制模块连接到所述压控晶振模块的受控端，所述压控晶振模块还输出信号给所述终端输出模块。

【技术特征摘要】
1.一种原子频标装置，其特征在于：包括物理单元、电子线路和用户终端；所述物理单元包括物理系统和量子鉴频模块；所述电子线路包括综合器、倍混频模块、伺服锁相放大模块、压控晶振模块；所述用户终端包括终端输出模块；所述物理系统输出原子跃迁频率信号到所述量子鉴频模块，所述压控晶振模块分别输出微波信号到所述倍混频模块和综合器，所述倍混频模块的调制受控端连接到所述综合器的调制控制端，所述倍混频模块输出的微波探测信号到所述量子鉴频模块；所述量子鉴频的信号输出端连接到所述伺服锁相放大模块，所述伺服锁相放大模块的控制端通过增益控制模块连接到所述压控晶振模块的受控端，所述压控晶振模块还输出信号给所述终端输出模块。2.根据权利要求1所述原子频标装置，其特征在于：还包括温控模块，所述温控模块作用于所述压控晶振模块，适于调节所述压控晶振的工作温度。3.根据权利要求2所述原子频标装置，其特征在于：所述综合器还输出同步参考信号到所述伺服锁相放大模块；所述综合器包括DDS模块、第一滤波模块和第一微处理...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐永飞，
申请(专利权)人：江汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42