被动型氢原子钟单频调制的鉴频特性研究 下载: 767次
1 引言
被动型氢原子钟以其优异的中短期频率稳定度以及较小的体积、质量,成为目前世界上应用广泛的时间频率标准。被动型氢原子钟的应用已深入到许多方面,例如守时授时、时间同步、时频计量、深空探测、导航定位等[1]。由于新一代北斗导航系统部分卫星的主钟采用了被动型氢原子钟,因此被动型氢原子钟性能指标的好坏直接决定了导航定位系统的定位精确度[2]。
被动型氢原子钟的频率调制解调技术是决定其锁频性能的关键技术。目前较为通用的是采用单频调制、相位鉴频的方法[3],氢原子跃迁和微波腔两个鉴频器采用同一个信号调制,从微波腔输出的信号携带了包含晶振频率与跃迁频率以及微波腔频率与晶振频率两组频差信息的调幅信号[4]。两组误差信号的大小是整钟短期频率稳定度和控腔能力的决定性因素之一,晶振频率锁定不准确会导致整钟标准信号的输出发生频偏以及频率稳定度变差。微波腔的谐振频率锁定不准确还会因微波腔对跃迁频率的牵引效应而使标准信号的输出发生频偏,进而导致整机温度系数增加,长期稳定度变差。
尽管被动型氢原子钟已经研制成功并得到了广泛应用,但目前对整钟的理论研究并不系统、完善[5]。因此本文具体分析了被动型氢原子钟单频调制的技术原理,并对数学推导的结果进行仿真,将仿真结果与实验测试结果进行对比分析验证,在一定程度上为被动型氢原子钟的技术方案提供研究基础和优化依据。
2 被动型氢原子钟的工作原理
被动型氢原子钟由电路部分和物理部分组成。电路部分产生频率调制的微波信号并处理两路锁频环路的误差信号,物理部分作为量子鉴频可提供频率为1.420405751 GHz的标准频率[6]。被动型氢原子钟的方案框图如
为了消除物理系统内因腔温不稳定产生微波腔谐振频率变化而引起跃迁频率变化的牵引效应,除了晶振锁频环外,还需要采用温控电路来稳定腔温,并用另一个锁频环去控制微波腔的频率。因此,被动型氢原子钟需要两个锁频环路[7]。
电路部分对10 MHz晶振输出的信号进行频率合成和频率调制,产生中心频率与氢原子超精细能级跃迁频率接近的微波探测信号,将该信号作为物理部分的激励信号注入腔内。在氢原子跃迁和微波腔两个鉴频器的作用下,微波信号携带含有两个频差信息的调幅信号。电路部分对出腔信号进行放大、下变频以及检波处理,通过两路移相分离且各自携带误差信息的信号分别控制晶振和微波腔,完成两个锁频环路[8]。被动型氢原子钟的工作原理框图如
物理部分用于实现氢原子超精细能级跃迁,为整钟提供作为标准的原子鉴频信号。其中,微波腔为氢原子超精细能级跃迁提供电磁场环境和储能机构,其谐振特性作为带宽较宽的鉴频谱线[10]。用网络分析仪测试得到的氢原子超精细能级跃迁谱线和微波腔的谐振曲线如
3 被动型氢原子钟单频调制技术理论分析
被动型氢原子钟通常采用单频调制和相位分离技术,在特定的调制频率下,这种方法可确定合适的调制深度,使误差信号的幅值变大,从而提高信噪比,得到较好的频率稳定度[13]。
用指数函数形式表示电路部分产生的频率调制的探测信号[14]:
式中
对于正弦波调制,调制函数为
式中Δ
引人第一种贝塞尔函数:
式中
因为贝塞尔函数的高阶较小,可以忽略,所以探测信号仅考虑由J0(
设鉴频器的频率响应传递函数为
对于被动型氢原子钟的物理部分,作为鉴频器的氢原子超精细能级跃迁的传递函数的表达式为[17]
式中
在被动型氢原子钟的物理部分,作为鉴频器的微波腔谐振的传递函数的具体表达式为[18]
式中
通过鉴频器后,输出信号的表达式为[19]
电路部分对输出信号进行幅度检波和中心频率为
其中,
令探测信号与鉴频器中心频率的频差为
式中
4 被动型氢原子钟单频调制技术仿真及实验验证
目前,被动型氢原子钟单频调制的调制频率
将实测得到的氢原子超精细能级跃迁谱线的参数(
将实测得到的微波腔谐振曲线的参数(180 kHz)代入(14)式,得到了微波腔谐振鉴频谱线的吸收谱线和色散谱线,如
在实验调试中,通过改变压控晶振电压控制晶振频率,探测频率扫过跃迁频率,误差信号的幅度先是基本不变,当接近氢原子超精细能级跃迁频率时急剧增大。当晶振电压达到使探测信号与跃迁频率一致时,误差信号接近零。误差信号的变化过程与仿真得到的氢原子超精细能级跃迁鉴频谱线变化趋势一致,如
图 7. 由测试误差信号幅度得到的氢原子跃迁鉴频谱线
Fig. 7. Frequency discrimination spectrum curve of hydrogen atoms from error signal
图 8. 由测试误差信号幅度得到的微波腔谐振鉴频谱线
Fig. 8. Frequency discrimination spectrum curve of microwave cavity from error signal
由(14)式可知,归一化鉴频谱线的系数与J0(
图 10. 晶振最大误差信号幅值随调制指数变化曲线
Fig. 10. Amplitude of error signals with different modulation indexes
频率对比器采用频率准确度及稳定度指标高于被动型氢原子钟3倍以上的原子频率标准:以主动型大氢钟作为频率基准,测量被动型氢原子钟输出频率的稳定度。调制指数分别为0.8、1.2、1.6时,即对于12.5 kHz调制频率的调制深度分别为10,15,20 kHz时,被动型氢原子钟环路锁定的输出信号的频率稳定度如
图 11. 不同调制深度下输出信号的稳定度。(a) 10 kHz;(b) 15 kHz;(c) 20 kHz
Fig. 11. Stability of output signal at different modulation depths. (a) Modulation depth of 10 kHz; (b) modulation depth of 15 kHz; (c) modulation depth of 20 kHz
表 1. 调制深度为10,15,20 kHz时的阿伦偏差
Table 1. Allan deviation with modulation depths of 10 kHz, 15 kHz, and 20 kHz
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5 结论
详细分析了被动型氢原子钟单频调制的技术原理。被动型氢原子钟的频率调制技术是被动型氢原子钟工作原理的关键技术,目前采用单频调制、相位鉴频的方法,从微波腔输出的信号携带了包含晶振频率与跃迁频率以及微波腔频率与晶振频率两组频差信息的调幅信号,通过移相正交将两路误差信号分离,分别控制晶振频率和微波腔谐振频率。对单频调制的微波探测信号的氢原子跃迁和微波腔谐振鉴频过程进行了详细的理论分析和数学推导。在此基础上仿真得到了鉴频曲线和不同调制深度对应的误差信号幅值曲线,并将其与实验测试结果进行了对比分析,验证了被动型氢原子钟工作原理的推导过程,得到了使被动型氢原子钟短期稳定度最好的调制深度。上述分析过程为被动型氢原子钟单频调制技术提供了性能优化的理论基础和依据,为电路方案改进提供了设计原理和仿真方法。
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