氫脈澤調(diào)制技術(shù)和研究*

王國瑞，杜 燕，李錫瑞

(1. 中國科學(xué)院上海天文臺，上海 200030；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094)

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，高精度的時頻測量有了廣泛的應(yīng)用，如航空航天、衛(wèi)星發(fā)射及監(jiān)控、地質(zhì)測繪、導(dǎo)航通信、電力傳輸、通信同步網(wǎng)的構(gòu)建等方面[1]，原子鐘作為一種精確且穩(wěn)定的時間標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運而生。目前，氫原子鐘是應(yīng)用較多的原子鐘之一。氫原子頻標(biāo)具有優(yōu)良的頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度，但是，該頻標(biāo)也有其固有的缺點，由于使用高有載品質(zhì)因數(shù)的微波諧振腔，其振蕩頻率隨著腔諧振頻率的變化而變化，即所謂的腔牽引效應(yīng)。另外，輸出回路效應(yīng)以及外界環(huán)境因素的改變等都影響諧振腔的振蕩頻率[2]。

腔自動調(diào)諧技術(shù)最早由Peters于1982年提出[3]。目前，應(yīng)用較廣的腔自動調(diào)諧系統(tǒng)實現(xiàn)方式包括3種：外部探測信號調(diào)諧方式、微波腔頻率開關(guān)調(diào)諧方式和Qa調(diào)制方式。接下來結(jié)合上海天文臺SOHM-4型主動氫原子鐘和俄羅斯VCH-1003M型主動氫原子鐘對外部探測信號調(diào)諧方式和微波腔頻率開關(guān)調(diào)諧方式進行介紹和分析。

1 腔牽引效應(yīng)

當(dāng)諧振腔的諧振頻率與原子的躍遷頻率不一致時，原子的躍遷頻率隨著諧振腔振蕩頻率的變化而變化，產(chǎn)生腔牽引效應(yīng)。腔牽引效應(yīng)的公式如下[2]：

Δf0=ΔfcQc/Ql，

(1)

其中，Δf0為氫原子鐘輸出頻率的變化；Δfc為諧振腔的腔頻變化；Qc為諧振腔的有載品質(zhì)因數(shù)；Ql為氫原子的譜線品質(zhì)因數(shù)。

主動型氫原子鐘典型的Qc=46 000，Ql=1.1 × 109。根據(jù)公式：

(2)

其中，f0為1.4 GHz。由(2)式可以得出，如果使氫原子鐘的長期頻率穩(wěn)定度保持在10-14量級，那么諧振腔的頻率變化范圍要控制在1 Hz以內(nèi)，這對諧振腔的調(diào)諧精度提出了較高的要求。

雖然腔牽引效應(yīng)影響比較小，但是它使得氫原子鐘的長期頻率穩(wěn)定度變差，導(dǎo)致氫原子鐘的性能無法滿足實際工程需求。因此，高效實用的腔自動調(diào)諧系統(tǒng)顯得尤為重要。

2 長期頻率穩(wěn)定度

主動型氫原子鐘的頻率穩(wěn)定度表示為[4]

(3)

其中，Qa為氫原子譜線品質(zhì)因數(shù)；τ為測量時間；k為玻爾茲曼常數(shù)(1.38 × 10-23J/K)；T為氫脈澤絕對溫度；Pa為氫原子提供給諧振腔的功率。

表1 物理因素對氫脈澤頻率的影響Table 1 Effects of physical factors on hydrogen maser frequency

3 外部探測信號調(diào)諧

外部探測信號調(diào)諧是指利用外部信號，它由法國人Audoin于1981年提出[5]。在該調(diào)諧方式中，一個外部信號被注入諧振腔，這個信號會被調(diào)諧，調(diào)諧后的信號通過諧振腔后被解調(diào)出來。目前該技術(shù)主要應(yīng)用于上海天文臺的氫原子鐘，代表是SOHM-4型主動氫原子鐘。

SOHM-4型原子鐘采用的外部探測信號為方波信號，其自動調(diào)諧原理如圖1，自動調(diào)諧系統(tǒng)方框圖如圖2。使用混頻器將20.405 ±fmMHz信號與1.4 GHz的微波信號混頻形成一個調(diào)制信號，其中fm為方波探測信號。將該調(diào)制信號注入諧振腔，當(dāng)諧振腔的頻率和探測信號頻率的平均值不相等時，經(jīng)過諧振腔耦合環(huán)輸出的信號被調(diào)幅，調(diào)幅后的信號同步檢波出誤差信號，將誤差信號通過積分電路產(chǎn)生壓控電壓來調(diào)諧諧振腔內(nèi)的變?nèi)荻O管，將諧振腔響應(yīng)曲線由圖1中虛線響應(yīng)拉回至實線響應(yīng)，以此穩(wěn)定諧振腔的頻率，從而實現(xiàn)自動調(diào)諧。

圖1 方波探測調(diào)諧原理圖
Fig.1 Schematic diagram of square detection tuning

該方波信號探測自動調(diào)諧方式得到了較好的信噪比，但由于載波信號可能干擾脈澤信號，影響脈澤信號的固有短期頻率穩(wěn)定度，這是方波探測信號調(diào)諧方法的難點。與此同時，通過電路板產(chǎn)生射頻信號，產(chǎn)生的射頻信號可能受環(huán)境等因素的干擾，這些因素在某種程度上對氫脈澤的頻率穩(wěn)定度產(chǎn)生影響。頻率穩(wěn)定度測試表明：注入諧振腔的方波探測信號使得氫原子鐘的短期頻率穩(wěn)定度受到了一定的影響，而它的長期頻率穩(wěn)定度得到了一定的改善。

圖2 方波探測調(diào)諧框圖
Fig.2 Block diagram of square detection tuning

4 微波腔頻率開關(guān)調(diào)諧

4.1 原理分析

微波腔頻率開關(guān)調(diào)諧方式是使用某個微波腔頻率開關(guān)的方式，在兩個與躍遷頻率等間距的腔頻間切換。該種調(diào)諧技術(shù)主要應(yīng)用于美國和俄羅斯的主動型氫原子鐘[6-8]，典型代表有VCH-1003M和MHM-2010。VCH-1003M的腔頻自適應(yīng)原理如圖3，腔頻調(diào)諧框圖如圖4。

圖3 微波腔頻率開關(guān)調(diào)諧原理圖

Fig.3 Schematic diagram of microwave cavity frequency switch tuning

圖4 VCH-1003M微波腔頻率開關(guān)調(diào)諧框圖
Fig.4 VCH-1003M Block diagram of microwave cavity frequency switch tuning

經(jīng)過運算放大電路和低通電路后的87.2 Hz方波信號作為失諧信號作用于同步檢波器。另一路87.2 Hz方波信號通過移相等電路消除信號傳播時延后送至同步檢波器。同步檢波器產(chǎn)生 “+” 和 “-” 脈沖控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器1，調(diào)節(jié)作用于變?nèi)荻O管的輸出電壓UC，從而實現(xiàn)自動調(diào)諧。腔頻切換的頻率比較快，維持每個腔頻的時間在0.01 s量級。這個調(diào)制時間大于諧振腔對電磁信號的響應(yīng)時間(約為10-5s)，小于原子的弛豫時間(約為1 s)，使得整個腔頻切換過程對氫脈澤信號的振蕩狀態(tài)不產(chǎn)生任何影響，即不影響氫脈澤信號固有的頻率穩(wěn)定度，這是該調(diào)諧方式的一大優(yōu)點。

頻率穩(wěn)定度測試表明VCH-1003M的長期頻率穩(wěn)定度得到了改善，已經(jīng)達到10-16量級，且沒有影響氫脈澤信號的短期頻率穩(wěn)定度和氫脈澤輸出信號的相位噪聲。

4.2 實驗結(jié)果

當(dāng)通過信號發(fā)生器向諧振腔注入87 Hz的方波信號后，從耦合環(huán)取出1.4 GHz的射頻信號，經(jīng)過隔離放大器、混頻器、中頻放大器以及積分器等作用于變?nèi)荻O管，實現(xiàn)調(diào)諧，其中變?nèi)荻O管的調(diào)節(jié)范圍為0～9 V。實驗表明，手動調(diào)節(jié)加在變?nèi)荻O管上的電壓時，當(dāng)注入變?nèi)荻O管的電壓為1 V，5 V，9 V時，與參照原子鐘的頻差如圖5。根據(jù)(4)式，即腔牽引公式和變?nèi)荻O管靈敏度公式，將頻差轉(zhuǎn)換為電壓信號，可以得出，在0～9 V范圍內(nèi)的某個電壓值，能夠?qū)⒛硞€電壓加在變?nèi)荻O管上時，實現(xiàn)調(diào)諧的目的。

(4)

圖5 頻差圖
Fig.5 Frequency difference

微波腔頻率開關(guān)調(diào)諧方式的實現(xiàn)框圖如圖6。由于輸出的脈澤信號為射頻信號，需要通過混頻器將射頻信號轉(zhuǎn)換為中頻信號，同時通過中頻放大器放大微弱的中頻信號。將中頻放大信號送至幅度檢波器進行檢波，檢波產(chǎn)生的半波信號送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter, ADC)進行采樣，數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor, DSP)對模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進行處理，再將處理后的數(shù)字信號送至數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital to Analog Converter, DAC)，從而轉(zhuǎn)換為電壓信號，作用于變?nèi)荻O管，最終實現(xiàn)對諧振腔的自動調(diào)諧。

圖6 微波腔頻率開關(guān)調(diào)諧框圖
Fig.6 Block diagram of microwave cavity frequency switch tuning

5 結(jié) 語

關(guān)于主動型氫原子鐘相關(guān)技術(shù)的研究已經(jīng)進行了半個多世紀(jì)，其技術(shù)理論日趨成熟。近些年主動型氫原子鐘的研究主要集中在技術(shù)的優(yōu)化提升上，從而達到更高的頻率穩(wěn)定度。其中，技術(shù)優(yōu)化的一個方向是研究新的調(diào)諧方式，以高效地實現(xiàn)自動調(diào)諧。目前采用微波腔頻率開關(guān)調(diào)諧或外部探測信號調(diào)諧方式進行調(diào)諧的主動型氫原子鐘的頻率穩(wěn)定度指標(biāo)如表2。

表2 主動型氫原子鐘頻率穩(wěn)定度指標(biāo)Table 2 Indexes of frequency stability of active hydrogen atomic clock

從表2可以看出，采用微波腔頻率開關(guān)調(diào)諧方式的VCH-1003M等氫原子鐘的長期頻率穩(wěn)定度要優(yōu)于采用外部探測信號調(diào)諧方式的SOHM-4型氫原子鐘。產(chǎn)生這種結(jié)果的部分原因可能是微波腔頻率開關(guān)調(diào)諧方式的輔助電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計比外部探測信號調(diào)諧方式簡單，引入了較少的電子噪聲，提高了電子學(xué)系統(tǒng)的性能，從而提升長期頻率穩(wěn)定度。

在接下來的研究中，將進一步在上海天文臺SOHM-4型氫原子鐘的自動調(diào)諧系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用微波腔頻率開關(guān)調(diào)諧方式實現(xiàn)腔自動調(diào)諧，以提高氫原子鐘的長期頻率穩(wěn)定度。