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    銣頻標(biāo)溫度系數(shù)影響因素分析與改進(jìn)方法研究

    2019-12-05 02:37:04王世偉郭永剛石福成崔敬忠
    宇航計(jì)測(cè)技術(shù) 2019年5期
    關(guān)鍵詞:物理

    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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(jí)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(dòng)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(shí)還必須具有高的可靠性以及抗擊能力、抗輻射能力和長(zhǎng)壽命等,能在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期工作等。作一個(gè)簡(jiǎn)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(xiàng)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(zhǎng)期穩(wěn)定度,而中長(zhǎng)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(duì)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(jí)上的波動(dòng)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(shí)踐,提出后續(xù)的改進(jìn)思路。

    2 銣頻標(biāo)方案設(shè)計(jì)

    2.1 整機(jī)方案設(shè)計(jì)

    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(cè)電路、TCB(溫度控制基板)控溫電路、C場(chǎng)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(duì)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(shí)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(gè)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(diǎn)上。

    2.2 物理部分方案設(shè)計(jì)

    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(jì)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(cè)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(lì)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(jí)上的Rb87原子發(fā)生躍遷,并與微波信號(hào)形成共振吸收,通過光檢測(cè)器檢測(cè)吸收泡的透射光強(qiáng)來檢測(cè)微波共振,形成光檢信號(hào),此信號(hào)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(dòng)對(duì)銣原子頻標(biāo)的影響會(huì)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(duì)于提高銣頻標(biāo)的中長(zhǎng)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(zhǎng)期穩(wěn)定度已進(jìn)入到E-15量級(jí),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(zhǎng)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(jí)上的波動(dòng)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(zhǎng)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(zhǎng)期穩(wěn)定度(一般可認(rèn)為時(shí)域在萬(wàn)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(shí)域的穩(wěn)定度經(jīng)驗(yàn)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(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度的函數(shù);σf3(τ)——影響中長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度的其它因素;τ——取樣時(shí)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(shí)間τ很小時(shí),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(shí)間τ很大時(shí),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(gè)頻移系數(shù),這些因素對(duì)原子頻標(biāo)的影響是一個(gè)緩變的過程,要使頻標(biāo)有好的中長(zhǎng)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(duì)于高穩(wěn)定度的銣頻標(biāo),其對(duì)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(lì)功率引起的頻移、C場(chǎng)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn),以上影響中長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度的因素都會(huì)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(yàn)來獲取和分析。通過分析,提出改進(jìn)設(shè)計(jì)思路,實(shí)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(yàn)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(diǎn);P0——溫度為T0時(shí)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(diǎn)處溫度系數(shù)最小,稱為零溫度系數(shù)點(diǎn)。把泡的工作溫度點(diǎn)選在曲線的極值點(diǎn)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(lì)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(diǎn)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(diǎn)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(cè)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(diǎn)。我們選用了兩種不同N2和Ar氣體組份A、B的試驗(yàn)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(diǎn)選取的區(qū)間。同時(shí),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(diǎn),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(diǎn)對(duì)應(yīng)的吸收泡和銣燈泡的溫度較高。在零溫度系數(shù)點(diǎn),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(diǎn)。

    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(lì)功率,就可以找到最佳的零光頻移點(diǎn)。當(dāng)燈激勵(lì)電壓增加時(shí),燈激勵(lì)電流會(huì)增加,燈激勵(lì)功率也會(huì)增加。在實(shí)際中,燈激勵(lì)功率不好測(cè)量和控制,因此,一般可通過改變銣光譜燈激勵(lì)電壓來間接反映燈激勵(lì)功率。頻率燈激勵(lì)電壓拉偏曲線如圖5所示。

    圖5 燈激勵(lì)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(diǎn)大約在燈激勵(lì)電壓18V,此時(shí)光頻移量級(jí)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(dòng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定度阿倫方差值優(yōu)于1.0E-5,故光強(qiáng)波動(dòng)對(duì)長(zhǎng)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(yàn),微波功率會(huì)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(lì)功率的溫度敏感性

    銣光譜燈是一種利用高頻激勵(lì)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(lì)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(lì)電流更加穩(wěn)定[9]。對(duì)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(chǎng)的溫度特性

    改變C場(chǎng)電流,測(cè)得輸出頻率隨C場(chǎng)電流的變化,如圖1所示。C場(chǎng)電流有一個(gè)最佳點(diǎn),在該點(diǎn)時(shí),頻率對(duì)C場(chǎng)最不敏感。之后,隨著C場(chǎng)電流的增大,輸出頻率隨C場(chǎng)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(chǎng)。

    在銣頻標(biāo)中,C場(chǎng)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(chǎng)帶來的影響。C場(chǎng)線圈電阻會(huì)因溫度的起伏而產(chǎn)生小的變化,使C場(chǎng)線圈電流發(fā)生變化,導(dǎo)致C場(chǎng)大小起伏。因此,選擇較低的C場(chǎng),也會(huì)降低C場(chǎng)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(chǎng)因溫度產(chǎn)生的磁致頻移就可忽略不計(jì)[1]。

    3.2.6 腔頻牽引效應(yīng)

    微波腔的諧振頻率會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生變化,微波腔的微波場(chǎng)也會(huì)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(jì)時(shí),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(shí)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(gè)靜磁場(chǎng),該靜磁場(chǎng)引起0-0躍遷頻率移動(dòng)。在環(huán)境溫度變化時(shí)控溫電流將發(fā)生變化,產(chǎn)生一個(gè)交流磁場(chǎng),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(jì)不好,在零溫度系數(shù)點(diǎn)調(diào)試的試驗(yàn)過程中,經(jīng)常會(huì)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(chǎng)、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(gè)影響對(duì)于整個(gè)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(diǎn)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(jì)的難點(diǎn)在于倍頻鏈的設(shè)計(jì)。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(duì)于一個(gè)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(gè)不可忽視的因素,因此應(yīng)精心設(shè)計(jì)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(chǎng)供電電壓、控溫供電電壓、光檢測(cè)供電電壓、燈激勵(lì)電路供電電壓。對(duì)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(duì)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(huì)給物理部分提供大約10倍以上的熱增益,因此,物理部分對(duì)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(huì)受到環(huán)境溫度變化的影響,進(jìn)而對(duì)溫度系數(shù)有影響。實(shí)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(huì)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(zhǎng)期測(cè)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(duì)于銣頻標(biāo)而言,這些措施只是一個(gè)宏觀指導(dǎo)性原則,具體到每個(gè)設(shè)計(jì)方案的頻標(biāo),由于各設(shè)計(jì)方案的供電設(shè)計(jì)、物理部分設(shè)計(jì)、電路部分設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)及熱設(shè)計(jì)等方面存在差異性,需要針對(duì)性考慮各影響因素的抑制方法,通過試驗(yàn)法形成逐步迭代的改進(jìn)過程。

    整機(jī)的熱設(shè)計(jì)是星載銣頻標(biāo)設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)雙層恒溫或者三層恒溫,外恒溫層同時(shí)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(duì)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(shí),研究設(shè)計(jì)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(yàn)驗(yàn)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(shí),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(cè)量銣頻標(biāo)基板溫度從-5℃變化到+5℃時(shí)的頻率準(zhǔn)確度變化量,溫度系數(shù)測(cè)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(cè)試36天,頻率穩(wěn)定度測(cè)試曲線如圖7所示,頻率溫度度測(cè)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(cè)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(duì)于整機(jī)頻率穩(wěn)定度的影響很大,再次驗(yàn)證了溫度系數(shù)指標(biāo)的重要性。

    6 結(jié)束語(yǔ)

    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(yàn)驗(yàn)證,得出以下結(jié)論。

    1)溫度系數(shù)是影響銣頻標(biāo)長(zhǎng)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(jí)以內(nèi),更需要通過溫度系數(shù)抑制和補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)溫度系數(shù)優(yōu)于5E-14/℃;

    2)在實(shí)際的銣頻標(biāo)調(diào)試中,短期頻率穩(wěn)定度與長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度具有一定的此消彼長(zhǎng)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(shí),開展數(shù)字化電子線路設(shè)計(jì)。

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