銣頻標(biāo)溫度系數(shù)影響因素分析與改進(jìn)方法研究

張 俊 王世偉 郭永剛 陸 昉 楊 煒 石福成 崔敬忠

(真空技術(shù)與物理重點實驗室，蘭州空間技術(shù)物理研究所，甘肅蘭州 730000)

1 引 言

氣泡型銣原子頻標(biāo)(即被動型銣頻標(biāo))以其體積小、重量輕、功耗低、穩(wěn)定性優(yōu)良，成為目前應(yīng)用最廣泛的原子頻標(biāo)。它利用Rb87原子基態(tài)52S1/2兩超精細(xì)塞曼子能級F=1，mF=0和F=2，mF=0之間的躍遷頻率進(jìn)行鑒頻，經(jīng)過鎖頻環(huán)路將晶振頻率鎖定于此躍遷頻率[1]。銣頻標(biāo)由物理部分和電路構(gòu)成，物理部分起原子鑒頻器的作用[2]。

高性能的被動型銣頻標(biāo)主要用于導(dǎo)航以及惡劣工作環(huán)境等特殊的領(lǐng)域。要求頻標(biāo)不僅有高的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度，同時還必須具有高的可靠性以及抗擊能力、抗輻射能力和長壽命等，能在惡劣環(huán)境下長期工作等。作一個簡單的估算，若頻標(biāo)的頻率穩(wěn)定度為5E-13/d，在不考慮其它因素導(dǎo)致偏差的情況下，定位精度約為4.5m/d。所以，高準(zhǔn)確度、高穩(wěn)定度的原子頻標(biāo)被認(rèn)為是衛(wèi)星定位的兩項關(guān)鍵技術(shù)[3]。銣頻標(biāo)的穩(wěn)定度包括短期穩(wěn)定度和中長期穩(wěn)定度，而中長期穩(wěn)定度主要由溫度系數(shù)決定，目前銣頻標(biāo)的天穩(wěn)定度指標(biāo)已達(dá)到1E-14/d甚至更優(yōu)，因此，對溫度系數(shù)的要求也越來越高，目前做得較好的GPS BLOCK IIR及GALILEO所使用的銣頻標(biāo)，它們的溫度系數(shù)典型值在5E-14/℃[3]，并且通過高性能熱控措施保證銣頻標(biāo)安裝底板溫度在一天量級上的波動小于0.1℃，就有可能獲得5E-15/d的穩(wěn)定度指標(biāo)。

本文主要研究影響銣頻標(biāo)溫度系數(shù)的影響因素，并開展一些改進(jìn)分析和實踐，提出后續(xù)的改進(jìn)思路。

2 銣頻標(biāo)方案設(shè)計

2.1 整機(jī)方案設(shè)計

銣頻標(biāo)由物理部分和伺服電路兩大部分組成。銣頻標(biāo)整機(jī)功能框圖如圖1所示。電路部分由壓控晶振、倍頻電路、伺服電路、頻率綜合電路、遙控遙測電路、TCB(溫度控制基板)控溫電路、C場供電、二次電源等部分組成。

圖1 銣頻標(biāo)整機(jī)功能框圖Fig.1 Block diagram of the rubidium clock

銣頻標(biāo)整機(jī)采用雙層控溫方式，第一層控溫為對溫度比較敏感的部分電路(倍頻電路、伺服電路等)提供較穩(wěn)定的工作溫度環(huán)境，同時使物理部分的安裝面的溫度變化控制在±1℃的范圍內(nèi)，第二層控溫是物理部分內(nèi)部的二個控溫：燈控溫和腔控溫，以保證物理部分核心工作部分的溫度穩(wěn)定在所需的最佳溫度點上。

2.2 物理部分方案設(shè)計

物理部分采用三泡(銣燈泡、吸收泡、濾光泡)、雙控溫(銣燈泡、吸收泡分別控溫)設(shè)計方案。銣頻標(biāo)物理部分主要包括：Rb87燈泡組件、Rb85濾光泡組件、Rb87吸收泡組件、光檢測器、微波諧振腔、控溫電路、磁屏蔽等。物理部分組成框圖如圖2所示。

圖2 銣頻標(biāo)物理部分組成與結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 The composition and structure of the physical part of the rubidium clock

銣頻標(biāo)物理部分工作原理為：Rb87燈泡在激勵電路作用下發(fā)射包括a線和b線的光譜，再由Rb85濾光泡濾除a線，最終由剩余譜線的b線激發(fā)Rb87吸收泡中處于處在F=1，mF=0基態(tài)能級上的Rb87原子發(fā)生躍遷，并與微波信號形成共振吸收，通過光檢測器檢測吸收泡的透射光強(qiáng)來檢測微波共振，形成光檢信號，此信號輸出到伺服用于鎖定外部的壓控晶體振蕩器，進(jìn)而輸出穩(wěn)定的頻率。

3 溫度系數(shù)分析與優(yōu)化

3.1 溫度系數(shù)的影響因素

影響銣頻標(biāo)頻率變化的因素絕大部分都是隨溫度變化而變化的，進(jìn)而引起銣頻標(biāo)頻率準(zhǔn)確度的變化。如果能將溫度系數(shù)優(yōu)化到5E-15/℃，溫度波動對銣原子頻標(biāo)的影響會成為次要因素[4]。目前能達(dá)到的溫度系數(shù)指標(biāo)而言，繼續(xù)研究和改進(jìn)溫度系數(shù)對于提高銣頻標(biāo)的中長期穩(wěn)定度具有重要的意義。

近年來，隨著銣頻標(biāo)技術(shù)的飛速發(fā)展，銣頻標(biāo)105s上的中長期穩(wěn)定度已進(jìn)入到E-15量級，任何溫度的微小變化，都可能引起銣頻標(biāo)頻率準(zhǔn)確度的變化，從而導(dǎo)致銣頻標(biāo)的中長期穩(wěn)定度惡化。目前要將環(huán)境溫度和銣頻標(biāo)安裝底板溫度在一天量級上的波動控制在小于0.1℃范圍內(nèi)，還有一定的難度，因此，研究溫度系數(shù)變得十分重要。

由溫度系數(shù)的重要性可知：溫度系數(shù)是影響銣頻標(biāo)中長期頻率穩(wěn)定度的關(guān)鍵因素[5]。因此，溫度系數(shù)本質(zhì)上就是影響銣頻標(biāo)長期穩(wěn)定度(一般可認(rèn)為時域在萬秒以上的穩(wěn)定度范圍)的所有因素的溫度敏感特性的疊加。時域的穩(wěn)定度經(jīng)驗見式(1)[1]

(1)

式中：σy(τ)——穩(wěn)定度函數(shù)；σf1(τ)——影響短期頻率穩(wěn)定度的函數(shù)；σf2(τ)——影響中長期頻率穩(wěn)定度的函數(shù)；σf3(τ)——影響中長期頻率穩(wěn)定度的其它因素；τ——取樣時間；Q——原子躍遷譜線的Q值；Vs/VN——量子系統(tǒng)的輸出的信噪比；aL——光頻移系數(shù)；aT——溫度漂移系數(shù)；α——頻率漂移系數(shù)。

1)當(dāng)取樣時間τ很小時，穩(wěn)定度主要由σf1(τ)決定，這就是短期頻率穩(wěn)定度的影響因素，從式(1)可以看出，銣頻標(biāo)的短穩(wěn)主要由其譜線的品質(zhì)因素Q和信噪比決定；

2)當(dāng)取樣時間τ很大時，銣頻標(biāo)的頻率穩(wěn)定度主要由σf2(τ)和σf3(τ)決定。σf2(τ)主要包括了3個頻移系數(shù)，這些因素對原子頻標(biāo)的影響是一個緩變的過程，要使頻標(biāo)有好的中長期穩(wěn)定度.必須克服或盡可能減小以上因素；

3)σf3(τ)目前還沒有明確的表達(dá)式，但對于高穩(wěn)定度的銣頻標(biāo)，其對穩(wěn)定度的影響也不能忽略。這些因素包括：抽運(yùn)光引起的光頻移、緩沖氣體引起的碰撞頻移、微波功率頻移[1]、銣光譜燈激勵功率引起的頻移、C場變化引起的頻移、腔頻牽引效應(yīng)[3]、控溫電流變化引起的負(fù)溫度系數(shù)、二次穩(wěn)壓電壓溫度系數(shù)、銣頻標(biāo)電路部分溫度系數(shù)[6]等；

4)根據(jù)實踐經(jīng)驗，以上影響中長期頻率穩(wěn)定度的因素都會受到溫度的影響，并且它們與溫度的函數(shù)關(guān)系都可以通過試驗來獲取和分析。通過分析，提出改進(jìn)設(shè)計思路，實現(xiàn)溫度系數(shù)的大幅改善。

3.1.1 碰撞頻移的影響因素

碰撞頻移經(jīng)驗見式(2)[7]

υp=P0(β+δ(T-T0))

(2)

式中：νp——碰撞頻移；T——吸收泡溫度；T0——參考溫度點；P0——溫度為T0時緩沖氣體壓力；β——壓力頻移系數(shù)；δ——壓力頻移溫度系數(shù)；γ——壓力頻移二次溫度系數(shù)。

碰撞頻移與吸收泡內(nèi)緩沖氣體的種類和壓力、吸收泡的溫度、銣光譜燈的發(fā)光狀態(tài)等因素有關(guān)。在泡中充入引起相反頻移的兩種氣體，就有可能互相抵消而得到較小的壓力頻移系數(shù)和溫度系數(shù)。本系統(tǒng)選用的氣體為N2和Ar的混合氣體。

另外，曲線極值點處溫度系數(shù)最小，稱為零溫度系數(shù)點。把泡的工作溫度點選在曲線的極值點上，溫度系數(shù)最低。

3.1.2 光頻移的影響因素

光頻移近似見式(3)[8]

(3)

其中，

ωid=(Ea-Ei)/?

由于抽運(yùn)光可看作許多單色光的疊加，因此光頻移量也是許多單色光引起的頻移的疊加。抽運(yùn)光的波形函數(shù)和許多因素有關(guān)，如銣燈泡的工作溫度、吸收泡的工作溫度[7]、燈激勵功率等。

3.2 各影響因素的分析與優(yōu)化

3.2.1 零溫度系數(shù)點的優(yōu)化

由于碰撞頻移和光頻移都依賴于吸收泡溫度和銣燈泡溫度，因此，銣燈泡和吸收泡的零溫度系數(shù)的溫度點可采用等高線圖解法。

通過改變不同的吸收泡溫度、銣燈泡溫度，測得相應(yīng)的頻率準(zhǔn)確度，即可求得最佳的零溫度系數(shù)點。我們選用了兩種不同N2和Ar氣體組份A、B的試驗情形，如圖3和圖4所示。

圖3 緩沖氣體壓力組份A的溫度系數(shù)等高曲線圖Fig.3 Temperature coefficient contour map of buffer gas pressure component A

圖4 緩沖氣體壓力組份B的溫度系數(shù)等高曲線圖Fig.4 Temperature coefficient contour map of buffer gas pressure component B

從等高線圖可以看出，曲面的平坦區(qū)域處在等高線疏松的區(qū)域，這也就是零溫度系數(shù)點選取的區(qū)間。同時，組份A的頻率準(zhǔn)確度隨吸收泡溫度和銣燈泡溫度的變化平緩范圍更寬，斜率也較小。在零溫度系數(shù)點，吸收泡的溫度系數(shù)為負(fù)，銣燈泡的溫度系數(shù)為正；組份B的零溫度系數(shù)點對應(yīng)的吸收泡和銣燈泡的溫度較高。在零溫度系數(shù)點，吸收泡的溫度系數(shù)為正，銣燈泡的溫度系數(shù)為正。因此，組份A的物理部分可調(diào)到最佳的零溫度系數(shù)點。

3.2.2 零光頻移的優(yōu)化

如前所述，通過優(yōu)化調(diào)節(jié)吸收泡溫度、銣燈泡溫度、燈激勵功率，就可以找到最佳的零光頻移點。當(dāng)燈激勵電壓增加時，燈激勵電流會增加，燈激勵功率也會增加。在實際中，燈激勵功率不好測量和控制，因此，一般可通過改變銣光譜燈激勵電壓來間接反映燈激勵功率。頻率燈激勵電壓拉偏曲線如圖5所示。

圖5 燈激勵電壓拉偏曲線圖Fig.5 The pull-off curve of lamp excitation voltage

由圖5可以看出，拉偏曲線的平坦點大約在燈激勵電壓18V，此時光頻移量級大約為：光強(qiáng)每變化10%，頻率準(zhǔn)確度變化大約1.0E-11。由于光強(qiáng)波動的長期穩(wěn)定度阿倫方差值優(yōu)于1.0E-5，故光強(qiáng)波動對長穩(wěn)的影響也就是1.0E-15。

3.2.3 微波功率頻移的優(yōu)化

根據(jù)經(jīng)驗，微波功率會隨著溫度變化而變化，通過采用微波功率負(fù)反饋控制措施，可以使微波功率頻移減小到1E-13/dBm以內(nèi)，微波功率頻移有正有負(fù)。

3.2.4 燈激勵功率的溫度敏感性

銣光譜燈是一種利用高頻激勵銣原子氣體發(fā)光的無極放電燈，為得到穩(wěn)定的光強(qiáng)，要求激勵電路的頻率和功率具有高穩(wěn)定性。

晶體管為有源器件，工作狀態(tài)隨環(huán)境溫度的變化而變化。為克服這種溫度效應(yīng)，在發(fā)射極接入反饋電阻，構(gòu)成電流負(fù)反饋偏置電路，另外在基極偏置回路上接入二極管，因其PN結(jié)溫度特性與三極管相同，可以抵消三極管的溫度效應(yīng)而使激勵電流更加穩(wěn)定[9]。對諧振回路元件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高回路品質(zhì)因數(shù)，選用具有負(fù)溫度系數(shù)的陶瓷電容，與正溫度系數(shù)的電感的溫度效應(yīng)相互抵消，進(jìn)一步減小諧振回路的溫度敏感性[10]。

3.2.5 C場的溫度特性

改變C場電流，測得輸出頻率隨C場電流的變化，如圖1所示。C場電流有一個最佳點，在該點時，頻率對C場最不敏感。之后，隨著C場電流的增大，輸出頻率隨C場的變化斜率也越大。因此，在兼顧信噪比的前提下，盡量選擇較低的C場。

在銣頻標(biāo)中，C場電源采用高穩(wěn)定的恒壓源，且溫度系數(shù)小。一般主要考慮由于負(fù)載線圈的溫度系數(shù)給C場帶來的影響。C場線圈電阻會因溫度的起伏而產(chǎn)生小的變化，使C場線圈電流發(fā)生變化，導(dǎo)致C場大小起伏。因此，選擇較低的C場，也會降低C場的溫度敏感性。只要腔溫度控制精度在士0.1℃以內(nèi)(這是很容易做到的)，C場因溫度產(chǎn)生的磁致頻移就可忽略不計[1]。

3.2.6 腔頻牽引效應(yīng)

微波腔的諧振頻率會隨著溫度的變化而發(fā)生變化，微波腔的微波場也會發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致頻標(biāo)輸出頻率發(fā)生變化，這就是腔頻牽引效應(yīng)。因此，在設(shè)計時，要減小腔頻牽引效應(yīng)。TE011磁控管腔具有比較小的腔頻溫度系數(shù)[8]。

另一方面，采用微波腔熱控技術(shù)，可以實現(xiàn)腔的控溫精度達(dá)到0.005℃以內(nèi)；采用微波功率負(fù)反饋控制技術(shù)，進(jìn)一步減小腔頻牽引效應(yīng)。

3.2.7 控溫電流變化引起的贗溫度系數(shù)

諧振腔溫控部分控溫電流若保持恒定，則將產(chǎn)生一個靜磁場，該靜磁場引起0-0躍遷頻率移動。在環(huán)境溫度變化時控溫電流將發(fā)生變化，產(chǎn)生一個交流磁場，引起銣頻標(biāo)頻率不穩(wěn)。因此，一定要采取措施規(guī)避贗溫度系數(shù)。

如果微波腔控溫設(shè)計不好，在零溫度系數(shù)點調(diào)試的試驗過程中，經(jīng)常會看到贗溫度系數(shù)這種現(xiàn)象出現(xiàn)。星載銣頻標(biāo)一般都要求緊挨諧振腔外加一層磁屏蔽材料制成的金屬層來減小負(fù)溫度系數(shù)。

另外，采用較低的C場、功率管加熱器、高精度控溫電路等措施，可以進(jìn)一步減小負(fù)溫度系數(shù)[6]。

3.2.8 二次穩(wěn)壓電壓溫度系數(shù)

二次穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電壓受到環(huán)境溫度變化的影響，這個影響對于整個銣頻標(biāo)電子線路都有影響，包括射頻倍頻電路以及射頻放大電路的直流工作點以及工作電源，伺服電路放大器、積分器的直流偏置、物理部分自身各電路供電電壓等[4]。電路部分設(shè)計的難點在于倍頻鏈的設(shè)計。倍頻鏈的頻譜純度、調(diào)制失真(相位調(diào)制失真以及疊加其上的幅度調(diào)制失真)。對于一個二次諧波失真-70dB水平，線寬300Hz，將產(chǎn)生7E-12的頻率偏差，這也是一個不可忽視的因素，因此應(yīng)精心設(shè)計倍頻鏈電路，減小調(diào)制失真，提高頻譜純度。

物理部分自身各電路供電電壓包括：C場供電電壓、控溫供電電壓、光檢測供電電壓、燈激勵電路供電電壓。對于高指標(biāo)的銣頻標(biāo)而言，電壓引起的溫度系數(shù)都需要考慮，因此每路供電電壓都采用二次穩(wěn)壓措施，二次穩(wěn)壓電壓溫度系數(shù)都很小，對頻標(biāo)的溫度系數(shù)的貢獻(xiàn)一般為優(yōu)于1E-13/℃，為了進(jìn)一步減小溫度系數(shù)，可以將穩(wěn)壓器件安裝于頻標(biāo)的控溫底板上，這是減小二次穩(wěn)壓電壓溫度系數(shù)的最有效措施。

3.2.9 銣頻標(biāo)電路部分溫度系數(shù)

目前，銣頻標(biāo)物理部分的溫度系數(shù)理論上可以做到優(yōu)于1E-13/℃，由于銣頻標(biāo)電路部分會給物理部分提供大約10倍以上的熱增益，因此，物理部分對溫度系數(shù)的貢獻(xiàn)僅為1E-14/℃，這樣，頻標(biāo)的溫度系數(shù)理論上可以做到1E-14/℃，但是，頻標(biāo)電路部分也會受到環(huán)境溫度變化的影響，進(jìn)而對溫度系數(shù)有影響。實際中，電子線路的溫度系數(shù)主要來源于射頻倍頻電路、射頻放大電路、伺服電路放大器等。

頻標(biāo)電路的溫度系數(shù)一般很難做到1E-13/℃以內(nèi)，因此，經(jīng)常會采用物理部分的溫度系數(shù)去補(bǔ)償電路的溫度系數(shù)，但這可能帶來長期測試中出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。

要徹底解決電子線路的溫度系數(shù)問題，需要電子線路全部數(shù)字化，另外采用雙層控溫也是改善溫度系數(shù)的有效辦法[11]。

4 溫度系數(shù)的優(yōu)化想法

上節(jié)分析了影響銣頻標(biāo)溫度系數(shù)的因素，并給出一些優(yōu)化的措施，對于銣頻標(biāo)而言，這些措施只是一個宏觀指導(dǎo)性原則，具體到每個設(shè)計方案的頻標(biāo)，由于各設(shè)計方案的供電設(shè)計、物理部分設(shè)計、電路部分設(shè)計、結(jié)構(gòu)及熱設(shè)計等方面存在差異性，需要針對性考慮各影響因素的抑制方法，通過試驗法形成逐步迭代的改進(jìn)過程。

整機(jī)的熱設(shè)計是星載銣頻標(biāo)設(shè)計中最為重要的工作，這不僅直接關(guān)系到整機(jī)熱控是否可靠，而且對于改善溫度系數(shù)有明顯的作用。在追求性能的星載銣頻標(biāo)中，往往設(shè)計雙層恒溫或者三層恒溫，外恒溫層同時為電子線路提供恒溫環(huán)境。這樣可以大大提高控溫的熱增益，如GALILEO 所用銣頻標(biāo)的熱增益達(dá)到2 500以上，這對于減小整機(jī)溫度系數(shù)有著重要的作用。

目前，制約銣頻標(biāo)溫度系數(shù)最主要的因素是銣頻標(biāo)電路部分的溫度系數(shù)，因此，設(shè)法消除電路溫度系數(shù)是需要精心思考的，同時，研究設(shè)計數(shù)字化電子線路是從根本上解決電子線路溫度系數(shù)的最佳思路。

在某些情況下，通過銣頻標(biāo)物理部分的溫度系數(shù)與電路溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，也是一種有效減小溫度系數(shù)的方法，但前提是兩者的溫度系數(shù)都很小。

5 試驗驗證

通過調(diào)整緩沖氣體的總壓力和壓力配比，優(yōu)化控溫溫度，調(diào)整物理部分結(jié)構(gòu)熱增益等措施，優(yōu)化了銣頻標(biāo)物理部分的溫度系數(shù)，同時，按照本文所采用方法，在真空下，腔溫設(shè)置為60.8℃，燈溫設(shè)置為109.9℃，燈電壓設(shè)置為18V，測量銣頻標(biāo)基板溫度從-5℃變化到+5℃時的頻率準(zhǔn)確度變化量，溫度系數(shù)測試曲線如圖6所示，銣頻標(biāo)溫度系數(shù)為-1.89E-14/℃，在真空下連續(xù)測試36天，頻率穩(wěn)定度測試曲線如圖7所示，頻率溫度度測試結(jié)果如圖8所示，可以看出整機(jī)的 105s穩(wěn)定度為5.52E-15。

圖6 溫度系數(shù)曲線圖Fig.6 The curve of Temperature coefficient

圖7 頻率穩(wěn)定度曲線圖Fig.7 The curve of frequency stability

圖8 頻率穩(wěn)定度測試結(jié)果曲線圖Fig.8 Test results of Frequency stability

由此可見，銣頻標(biāo)溫度系數(shù)對于整機(jī)頻率穩(wěn)定度的影響很大，再次驗證了溫度系數(shù)指標(biāo)的重要性。

6 結(jié)束語

本文分析了影響銣頻標(biāo)溫度系數(shù)的因素，并給出了一些優(yōu)化措施，經(jīng)試驗驗證，得出以下結(jié)論。

1)溫度系數(shù)是影響銣頻標(biāo)長期頻率穩(wěn)定度的決定性因素，尤其是要達(dá)到銣頻標(biāo)的天穩(wěn)定度指標(biāo)進(jìn)入E-15量級以內(nèi)，更需要通過溫度系數(shù)抑制和補(bǔ)償技術(shù)實現(xiàn)溫度系數(shù)優(yōu)于5E-14/℃；

2)在實際的銣頻標(biāo)調(diào)試中，短期頻率穩(wěn)定度與長期頻率穩(wěn)定度具有一定的此消彼長的制約關(guān)系，因此，在溫度系數(shù)優(yōu)化過程中，還要統(tǒng)籌考慮信噪比和噪聲，不能使短期頻率穩(wěn)定度指標(biāo)惡化太多；

3)在現(xiàn)階段，電路溫度系數(shù)成為制約銣頻標(biāo)的溫度系數(shù)的主要因素，下一階段，將開展電路部分溫度系數(shù)影響機(jī)理及抑制方法研究，同時，開展數(shù)字化電子線路設(shè)計。