一種高性能小型化銣鐘的研制

劉勇軍,項俊騏,胡俊強,杜潤昌,楊 林

(成都天奧電子股份有限公司,成都 611731)

一種高性能小型化銣鐘的研制

劉勇軍,項俊騏,胡俊強,杜潤昌,楊 林

(成都天奧電子股份有限公司,成都 611731)

為滿足未來微小衛(wèi)星等空間應用對銣原子鐘小型化、高指標的要求,成都天奧電子股份有限公司采用陶瓷填充諧振腔、6.8GHz鎖相倍頻、數(shù)字溫控等技術(shù),研制出了一種體積約300mL的微小衛(wèi)星星載銣鐘原型樣機。經(jīng)初步測試,常溫常壓下該銣鐘秒穩(wěn)定度優(yōu)于3×10-12,萬秒穩(wěn)定度優(yōu)于1×10-13;在真空條件下天穩(wěn)定度優(yōu)于5×10-14,天漂移率優(yōu)于5×10-13。同時給出了設(shè)計方法及環(huán)境試驗的結(jié)果。

小型化銣鐘; 高性能

0 引言

近年來,銣原子頻標(銣鐘)在國防科技領(lǐng)域中的應用越來越多。在星載應用方面,目前銣鐘主要應用于各衛(wèi)星導航系統(tǒng)。銣鐘相比銫鐘、氫鐘等具有體積小、質(zhì)量小、功耗低的優(yōu)勢。GPS Block IIR及IIF的星載銣鐘表現(xiàn)了優(yōu)秀的地面及在軌性能[1-2]。在微小衛(wèi)星的應用中,要求頻率源的體積小、功耗低,技術(shù)指標能達到星載應用對頻率源的要求,保證衛(wèi)星集群的整體性能。目前成熟應用于導航衛(wèi)星系統(tǒng)的星載銣鐘的體積和功耗均較大,難以應用于微小衛(wèi)星中,這就需要有一種比現(xiàn)有星載銣鐘體積小、功耗低,技術(shù)指標略低的銣鐘。

1 技術(shù)研究方案及主要特點

1.1 量子物理系統(tǒng)設(shè)計

為了適應微小衛(wèi)星對于星載銣鐘的性能要求,量子物理系統(tǒng)在小型化的同時需要保證合適的線寬和足夠高的信噪比。目前在公開報道的文獻中使用集成濾光方案的銣鐘尚未發(fā)現(xiàn)有秒穩(wěn)定度達到5×10-12的例子,基于這種需求,量子物理系統(tǒng)仍然采用分離濾光方案。在傳統(tǒng)星載銣鐘的設(shè)計中,物理系統(tǒng)的溫控方案多設(shè)計為三泡三控溫方案[3-4],即對光譜燈、濾光泡和吸收泡均單獨進行控溫。為了壓縮體積,本設(shè)計采用濾光泡和吸收泡同時進行控溫,即采用三泡雙控溫方案。

1.1.1 光譜燈部件設(shè)計

光譜燈是高性能銣鐘的關(guān)鍵部分,其設(shè)計要求較高、難度較大。這體現(xiàn)在四個方面:第一,光譜燈的光強變化會影響天穩(wěn)定度及天漂指標,光譜線形變化會影響光頻移系數(shù);第二,光譜燈是銣原子鐘中溫度最高的部分(約110℃),同時也是自發(fā)熱最嚴重和溫度穩(wěn)定性要求最高的部分;第三,光譜燈存在大功率射頻信號,會對整機的其他部分造成嚴重影響,在小型化的同時其電磁兼容性設(shè)計也是一個關(guān)鍵點;第四,為了達到銣鐘壽命大于10年的要求,譜燈內(nèi)通常會充制足量的銣。在飽和銣蒸汽外富余的銣若分布在譜燈側(cè)壁,將會影響射頻激發(fā)效率降低光強；若分布在燈頭則會擋光,降低信號強度。比較好的方法是譜燈燈尾設(shè)計為一個冷端,富余的銣均集中在燈尾。根據(jù)上述分析,并經(jīng)過多次改進,設(shè)計了一種能夠滿足真空及常壓下長期工作的小型高性能光譜燈,該項設(shè)計已獲國防專利(專利號為201010267985.6)。

同時玻璃材料是決定銣泡壽命的另一個主要因素,因此要達到銣鐘壽命長的設(shè)計要求。經(jīng)過長期的實驗,研制出了一種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的無堿玻璃配方,經(jīng)過第三方權(quán)威機構(gòu)檢測,其含堿(Na2O和K2O)量僅0.29%。

通過對銣泡進行了長達1年的銣量測試,按銣量通用消耗模型[5]擬合了其銣量消耗曲線,根據(jù)銣泡的充銣量預估其壽命大于14年。

光譜燈組件指標為:體積9mL、質(zhì)量18g;+15V工作,穩(wěn)態(tài)功耗1.2W。

1.1.2 諧振腔部件設(shè)計

在吸收泡內(nèi)饋入微波信號的作用是誘導原子發(fā)生(0,0)能級躍遷,即鐘躍遷。根據(jù)量子理論,銣鐘的鐘躍遷屬于磁偶極躍遷,對于一個確定的微波場,只有平行于量子化軸方向的磁分量才能夠激勵這種躍遷[6]。因此,要獲得強的鐘躍遷信號,要求微波場的磁力線在作用區(qū)分布盡可能均勻、密集,且平行于量子化軸,而微波場的分布取決于微波腔結(jié)構(gòu)。

目前,用于銣鐘的微波腔可以分為標準腔和非標準腔兩類。非標準腔以中國科學院武漢物理與數(shù)學研究所采用的開槽管腔[7]和蘭州空間技術(shù)物理研究所采用的磁控管腔為代表;早期的標準腔以TE011和TE111腔為主,但體積均無法達到設(shè)計要求。

在設(shè)計中,采用陶瓷填充的TE111模的微波諧振腔,在有載Q值降低約50%的情況下相對標準TE111諧振腔體積減小了1/3。

1.2 電子線路設(shè)計

與傳統(tǒng)設(shè)計不同,電路中采用了如下兩項新技術(shù)。

1.2.1 6.8GHz頻率綜合器設(shè)計

應用于高性能銣鐘的6.8GHz頻率源設(shè)計，需要在6.8GHz輸出頻率信號的近端相位噪聲足夠低,SRS設(shè)計手冊[8]給出頻偏二倍調(diào)制頻率(如256Hz)處的相噪要求低于-70dBc/Hz;在高性能銣鐘設(shè)計中要求微波功率的穩(wěn)定度較高,星載銣鐘對于微波功率穩(wěn)定性一般要求達到小于0.01dB/℃[4];還要求6.8GHz頻率源應工作穩(wěn)定,有利于調(diào)試,技術(shù)狀態(tài)的一致性應高。

傳統(tǒng)星載銣鐘幾乎均采用階躍恢復二極管(SRD)倍頻方案,一般是10MHz倍頻至60MHz或90MHz進行功率放大后驅(qū)動SRD,驅(qū)動功率在15～20dBm之間。設(shè)計良好的SRD倍頻方案的優(yōu)勢在于6.8GHz信號相比較10MHz的相噪損失近乎為理論相噪惡化20lgN(N為頻率倍數(shù),對于10MHz倍頻至6840MHz而言N為684)水平,近端相噪較好;但SRD的極間電容的不一致使階躍匹配電路的調(diào)試難度較大,在進行批量生產(chǎn)中存在產(chǎn)品一致性不高等問題。

本設(shè)計對微波倍頻器進行了改進,采用6.8GHz鎖相倍頻器替代SRD倍頻器,原理框圖如圖1所示。

圖1 6.8GHz鎖相倍頻器原理框圖Fig.1 Block diagram of 6.8GHz phaselocking frequency multiplier

輸入的10MHz信號經(jīng)放大后送入鑒相器,6834.6875MHz的壓控振蕩器(VCO)經(jīng)一個分頻器分頻至10MHz,2FSK控制信號送入分頻器,控制分頻器的分頻比。鑒相器輸出的誤差信號經(jīng)環(huán)路濾波器(LF)濾波后送到VCO的調(diào)諧端,使VCO最終鎖定在參考頻率上。

由于要求輸出的頻偏較小(正常工作要求僅500Hz左右),而具有一定環(huán)路帶寬的鎖相環(huán)具有快速跟蹤能力,因此按2FSK控制信號周期改變分頻器的分頻比必然使VCO輸出頻率按同樣規(guī)律變化,最終在6.8GHz頻率上實現(xiàn)滿足銣鐘要求的2FSK調(diào)制信號。

模塊最終輸出為VCO信號,因此在環(huán)路窄帶濾波作用下,模塊輸出應具有較好的雜波抑制性能。模塊電路方案選用具有極低相位噪聲基底的數(shù)字分頻器及數(shù)字鑒相器,因此環(huán)路最終將輸出較低的相位噪聲,接近理論相噪噪底水平。

表1 6.8GHz頻率綜合器單邊帶相位噪聲

在實踐中發(fā)現(xiàn),微波信號的近端尤其是10Hz附近的相噪對整機的短穩(wěn)定度影響較大,相反在二倍頻處的相噪要求相對較低。同時輸出功率主要由VCO決定,VCO在高低溫條件下的輸出功率相對較穩(wěn)定,經(jīng)過實測在環(huán)境溫度-40℃～+70℃變化情況下，功率變化約1dB,基本滿足0.01dB/℃的要求。

1.2.2 數(shù)字溫控設(shè)計

設(shè)計采用數(shù)字溫控方案,如圖2所示。

圖2 數(shù)字溫控框圖Fig.2 Block diagram of digital temperature control

圖2中，Rt為熱敏電阻。溫控目標是初始時需要能夠較快地進入穩(wěn)定工作狀態(tài),在穩(wěn)定后控溫體的溫度波動需要盡量小到不影響整機頻率穩(wěn)定度。設(shè)計了一個狀態(tài)機來控制溫控的狀態(tài),在滿功率加熱狀態(tài)下燈、腔以設(shè)定的最大加熱電流進行加熱。當熱敏電阻的阻值逐漸減小到目標值附近時切換到正常加熱狀態(tài),在正常加熱狀態(tài)下采用整形位置式PID控制器計算需要施加在功率管B極的電壓,利用功率管耗散的熱量對燈、腔進行加熱,使控溫溫度逐漸逼近目標溫度(熱敏電阻的阻值逼近目標電阻值)。 并且增加了安全性設(shè)計,即若檢測出熱敏電阻存在開路時則切換到零加熱狀態(tài),避免熱敏電阻斷路后持續(xù)滿功率加熱引起電路燒毀。

在數(shù)字溫控方案中,熱敏電阻測量的精度是決定溫控增益的一個關(guān)鍵因素。設(shè)計中,電阻測量的精度取決于恒流源的溫度特性以及A/D在高低溫下的穩(wěn)定性。利用不同環(huán)境溫度下的銣鐘測試一直處于常溫下的一個固定電阻(阻值已經(jīng)標定過),來測試銣鐘電路測試熱敏電阻的精度,進而計算理論熱增益,同時對控溫體的溫度進行測試,測試實際的熱增益結(jié)果如表2所示。

表2 數(shù)字溫控增益測試結(jié)果

從表2中可以看出,數(shù)字溫控的理論熱增益和實測熱增益均高于模擬溫控,這有利于提高整機的穩(wěn)定度水平。

1.3 整機設(shè)計

1.3.1 整機熱設(shè)計

銣原子鐘在一定的結(jié)構(gòu)安裝條件下,溫控體到表面的熱阻(溫差/耗散功率,℃/W)將會固定。在溫控設(shè)置值一定的情況下,將光譜燈或諧振腔控制到指定的溫度上時所需要的功率(耗散功率)，與內(nèi)外溫差呈正比；同時在常壓下耗散功率也與銣鐘周圍的空氣對流有關(guān),空氣對流的速度越塊,則耗散功率越大。

常壓條件下耗散功率與以下3個因素有關(guān):1)溫控體到環(huán)境之間的熱阻;2)溫控體與環(huán)境之間的溫差;3)溫控體與環(huán)境之間空氣對流的快慢。真空條件下耗散功率僅與因素1)及因素2)有關(guān)。

在低溫環(huán)境下可以通過調(diào)整控溫體與環(huán)境之間的熱阻,達到整機耗散功率與溫度控制的平衡。而在高溫條件下,對于僅需要散熱的元件和部件,盡量安裝在靠近產(chǎn)品的散熱面;對于需要控溫而有固定熱功耗的部件,則需要避免溫度失控。當然單層溫控相對于雙層溫控而言，設(shè)計難度大大降低,在真空條件下的工作范圍將更寬。

設(shè)計通過使用高效率DC-DC電源等降低電路的固有功耗,同時優(yōu)化控溫體與安裝面的熱阻,將單純需要散熱的元件及部件與環(huán)境之間設(shè)計良好的熱傳導通路,目前可保證在常壓下-55℃～+70℃、真空條件下-40℃～+50℃正常工作。

1.3.2 整機結(jié)構(gòu)設(shè)計

整機結(jié)構(gòu)設(shè)計主要采用2個措施進行抗振,一是采用柔性較好的黏膠粘固銣泡,其次是增大整機內(nèi)部的結(jié)構(gòu)強度。

電路板采用多層印制板層疊安裝的方式以節(jié)省體積,按照緊湊化的設(shè)計原則,同時兼顧維修要求,整機實現(xiàn)的外形尺寸為100mm×94mm×32mm(體積300mL)。

2 測試結(jié)果

2.1 頻率穩(wěn)定度

利用SOHM-4氫原子鐘作為參考，分別測試了常溫常壓下和真空下的頻率準確度和穩(wěn)定度，如圖3～圖6所示。

圖3 常溫常壓下頻率偏差測試曲線Fig.3 Frequency curve of the Rb clock in normal pressure and temperature

圖4 常溫常壓下頻率穩(wěn)定度測試曲線Fig.4 Frequency stablity of the Rb clock in normal pressure and temperature

圖5 真空下頻率偏差測試曲線Fig.5 Frequency curve of the Rb clock in vacuum

圖6 真空下頻率穩(wěn)定度測試曲線Fig.6 Frequency stability of the Rb clock in vacuum

在真空條件下,秒穩(wěn)定度及閃變平臺等均有所提高。得益于安裝平臺的溫度控制,整機萬秒穩(wěn)定度為3.8×10-14,天穩(wěn)定度為3.6×10-14,這已經(jīng)接近傳統(tǒng)星載銣鐘的技術(shù)要求?？紤]到小型化以后僅采用了單層溫控,物理系統(tǒng)也僅為三泡雙控溫,上述結(jié)果也是可以接受的。但從常溫及真空條件下，頻率漂移率均在-3×10-13/d～-5×10-13/d之間,相對偏大。

2.2 頻率溫度特性

在常壓下銣鐘的頻率溫度特性測試結(jié)果如表3所示。

表3 常壓下頻率溫度特性

2.3 其他主要技術(shù)指標測試結(jié)果

銣鐘其他主要技術(shù)指標的測試結(jié)果如表4所示。

表4 整機其他項目測試結(jié)果

3 結(jié)束語

本設(shè)計采用陶瓷填充諧振腔、數(shù)字鎖相倍頻、數(shù)字溫控等技術(shù),研制出了微小衛(wèi)星星載銣鐘原型樣機,初步測試的性能指標達到了預定的設(shè)計目標,而體積僅為傳統(tǒng)星載銣鐘1/10左右。本設(shè)計的銣鐘可以適應常壓及真空條件下工作,應用于地面裝備和未來的微小衛(wèi)星中。

但小型化設(shè)計存在3項不利因素,一是諧振腔的有載品質(zhì)因素(Q值)較小,所需要的微波功率較大,不利于減小微波功率頻移量;二是三泡雙控溫方案不利于單獨優(yōu)化光頻移;三是單層溫控的增益較小,距離雙層溫控大于2000的熱增益有相當?shù)木嚯x。下一步研究工作需要通過改進設(shè)計,減小不利因素的產(chǎn)生,進一步提高整機性能。

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Development of a High Performance Miniaturized Rubidium Clock

LIU Yong-jun, XIANG Jun-qi, HU Jun-qiang, DU Run-chang, YANG Lin

(Chengdu Spaceon Electronics Co.Ltd., Chengdu 611731, China)

In order to meet the demands of small volume and high performance, a rubidium clock prototype (about 300mL volume) for micro satellite has been made. Based on resonator cavity filled with ceramic, the clock applies digital temperature control and 6.8GHz PLL technology. Tests show that in normal pressure and temperature, the rubidium clock’s stability(1s) is better than 3×10-12and the stability (10000s) is better than 1×10-13; And in vacuum, the stability (1day) is better than 5×10-14and the frequency drift is better than 5×10-13/d. The design technique and the results of environment test are presented.

Miniaturized rubidium clock;High performance

10.19306/j.cnki.2095-8110.2017.01.013

2016-10-12；

2016-11-16。

劉勇軍(1981-)，男，高級工程師，主要從事小型原子頻標研究。E-mail：liuyahoo2010@163.com

TB937

A

2095-8110(2017)01-0072-05