一種原子頻標(biāo)系統(tǒng)相干性控制裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型屬于原子頻標(biāo)系統(tǒng)相干性控制【技術(shù)領(lǐng)域】，公開了一種原子頻標(biāo)系統(tǒng)相干性控制裝置，包括：原子頻標(biāo)物理系統(tǒng)、間隔脈沖生成模塊、相干微波信號生成模塊、伺服電路、晶體振蕩器、倍頻模塊以及隔離放大器；原子頻標(biāo)物理系統(tǒng)的輸出信號依次通過伺服電路、晶體振蕩器、隔離放大器接入倍頻模塊；倍頻模塊與相干微波信號生成模塊；間隔脈沖生成模塊分別與倍頻模塊以及相干微波信號生成模塊相連時鐘信號接入間隔脈沖生成模塊；伺服電路與間隔脈沖生成模塊相連。本實用新型通過間隔脈沖生成模塊與所述相干微波信號生成模塊優(yōu)化原子頻標(biāo)系統(tǒng)外圍電路結(jié)構(gòu)，改善C場不均勻帶來的頻標(biāo)指標(biāo)穩(wěn)定度和精度。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及原子頻標(biāo)系統(tǒng)相干性控制【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種原子頻標(biāo)系統(tǒng) 相干性控制裝置。 一種原子頻標(biāo)系統(tǒng)相干性控制裝置

【背景技術(shù)】
[0002] 在一臺實際的被動型銣原子頻標(biāo)中，由于包括C場不均勻在內(nèi)的各種因素的影 響，原子譜線不可能是絕對對稱的，盡管壓控晶振的頻率輸出經(jīng)射頻倍頻、綜合、微波倍頻、 混頻后獲得的實際頻率可以精確等于理論上譜線的峰值頻率，但由于實際原子譜線不對 稱，經(jīng)過伺服環(huán)路對量子系統(tǒng)輸出鑒頻信號的處理后，就會使電路中的微波信號頻率偏離 原子基態(tài)超精細(xì)結(jié)構(gòu)〇-〇躍遷的標(biāo)準(zhǔn)頻率，顯然這會使原子頻標(biāo)后期指標(biāo)的穩(wěn)定度和精度 受到影響。 實用新型內(nèi)容
[0003] 本實用新型所要解決的技術(shù)問題是針對原子譜線不對稱導(dǎo)致的原子頻標(biāo)指標(biāo)精 度和穩(wěn)定度過低的問題，提出一種提升原子頻標(biāo)指標(biāo)精度和穩(wěn)定度的裝置。
[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供了一種原子頻標(biāo)系統(tǒng)相干性控制裝置，包 括：原子頻標(biāo)物理系統(tǒng)、間隔脈沖生成模塊、時鐘信號、相干微波信號生成模塊、伺服電路、 晶體振蕩器、倍頻模塊以及隔離放大器；所述原子頻標(biāo)物理系統(tǒng)的輸出信號依次通過所述 伺服電路、所述晶體振蕩器、所述隔離放大器接入倍頻模塊；所述倍頻模塊與所述相干微波 信號生成模塊；所述間隔脈沖生成模塊分別與所述倍頻模塊以及所述相干微波信號生成模 塊相連；所述時鐘信號接入所述間隔脈沖生成模塊；所述伺服電路與所述間隔脈沖生成模 塊相連。
[0005] 進一步地，所述原子頻標(biāo)物理系統(tǒng)包括：恒流源以及控溫模塊。
[0006] 進一步地，所述間隔脈沖生成模塊包括：微處理器以及直接數(shù)字式頻率合成器 DDS ;所述微處理器分別與所述伺服電路、所述直接數(shù)字式頻率合成器DDS以及所述倍頻模 塊相連。
[0007] 進一步地，所述時鐘信號包括：第一時鐘信號和第二時鐘信號；所述第一時鐘信 號接入所述直接數(shù)字式頻率合成器；所述第二時鐘信號接入所述微處理器。
[0008] 進一步地，所述微處理器項所述相干微波信號生成模塊輸出間歇性脈沖信號；向 所述伺服電路輸出同步鑒相信號；向所述倍頻模塊輸出倍頻工作時序信號；向直接數(shù)字式 頻率合成器DDS輸出命令控制字。
[0009] 進一步地，所述倍頻模塊包括倍頻器。
[0010] 進一步地，所述微處理器向所述直接數(shù)字式頻率合成器DDS輸出FSK調(diào)頻信號。
[0011] 進一步地，所述相干微波信號生成模塊向所述原子頻標(biāo)物理系統(tǒng)輸出微波脈沖信 號。
[0012] 進一步地，所述微處理器通過鍵控調(diào)頻FSK給所述DDS的FSELECT引腳施加占空 比為1 :1的方波信號。
[0013] 進一步地，所述第一時鐘信號與所述第二時鐘信號均為來自于壓控晶振經(jīng)隔離放 大器后輸出的時鐘信號。
[0014] 本實用新型提供的原子頻標(biāo)系統(tǒng)相干性控制裝置在革新傳統(tǒng)的原子頻標(biāo)系統(tǒng)的 外圍電路結(jié)構(gòu)，增加間隔脈沖生成模塊以及相干微波信號生成模塊向原子頻標(biāo)系統(tǒng)輸出相 干脈沖式微波，壓縮院子的自然線寬，使微波信號頻率對準(zhǔn)實際的原子基態(tài)超精細(xì)結(jié)構(gòu)〇-〇 躍遷的標(biāo)準(zhǔn)頻率，提1?働原子頻標(biāo)的指標(biāo)穩(wěn)定度和精度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1為本實用新型實施例提供的原子頻標(biāo)系統(tǒng)相干性控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖2為本實用新型實施例提供的間隔脈沖生成模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0017] 參見圖1，本實用新型實施例提供的一種原子頻標(biāo)系統(tǒng)相干性控制裝置，包括：原 子頻標(biāo)物理系統(tǒng)、間隔脈沖生成模塊、時鐘信號、相干微波信號生成模塊、伺服電路、晶體振 蕩器、倍頻模塊以及隔離放大器；原子頻標(biāo)物理系統(tǒng)的輸出信號依次通過伺服電路、晶體振 蕩器、隔離放大器接入倍頻模塊；倍頻模塊與相干微波信號生成模塊；間隔脈沖生成模塊 分別與倍頻模塊以及相干微波信號生成模塊相連；時鐘信號接入間隔脈沖生成模塊；伺服 電路與間隔脈沖生成模塊相連。
[0018] 相對于傳統(tǒng)的原子頻標(biāo)系統(tǒng)外圍電路結(jié)構(gòu)，本實用新型增加的間隔脈沖生成模塊 以及相干微波信號生成模塊向原子頻標(biāo)系統(tǒng)輸出相干脈沖式微波，壓縮院子的自然線寬， 使微波信號頻率對準(zhǔn)實際的原子基態(tài)超精細(xì)結(jié)構(gòu)0-0躍遷的標(biāo)準(zhǔn)頻率，提高銣原子頻標(biāo)的 指標(biāo)穩(wěn)定度和精度。
[0019] 雖然壓控晶振的頻率輸出經(jīng)射頻倍頻、綜合、微波倍頻、混頻后獲得的帶綜合調(diào)制 的實際頻率可以精確等于理論上譜線的峰值頻率f〇,但由于實際原子譜線不對稱，經(jīng)過伺 服環(huán)路對量子系統(tǒng)輸出得到的量子鑒頻信號的處理后，就會使電路中的微波信號頻率偏離 原子基態(tài)超精細(xì)結(jié)構(gòu)〇-〇躍遷的標(biāo)準(zhǔn)頻率。
[0020] 若方波調(diào)頻的深度保持不變，則這個頻移量也不變，但是由于傳統(tǒng)銣頻標(biāo)中采用 了變?nèi)荻壒苷{(diào)制電路，變?nèi)荻壒苁菧孛粼h(huán)境溫度變化時，不可避免地將造成方波 調(diào)頻深度發(fā)生變化。顯然，當(dāng)方波調(diào)頻的深度增加時，附加頻移量增加；當(dāng)方波調(diào)頻的深度 減小時，附加頻移量減小。因此，銣頻標(biāo)中的譜線不對稱，將會通過調(diào)制電路給銣頻標(biāo)帶來 溫度系數(shù)。
[0021] 故在實際設(shè)計時，我們將調(diào)制電路從變?nèi)荻O管調(diào)制方式改為DDS鍵控調(diào)頻調(diào)制 方式。
[0022] 參見圖2,原子頻標(biāo)物理系統(tǒng)包括：恒流源以及控溫模塊；從而提供穩(wěn)定的驅(qū)動電 流以及溫度控制，降低溫度效應(yīng)。
[0023] 間隔脈沖生成模塊包括：微處理器以及直接數(shù)字式頻率合成器DDS ;微處理器分 別與所述伺服電路、直接數(shù)字式頻率合成器DDS以及倍頻模塊相連。
[0024] 傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)是通過頻率進行加減乘除運算來實現(xiàn)的，而直接數(shù)字頻率合 成技術(shù)是根據(jù)奈奎斯特取樣，從連續(xù)信號的相位P出發(fā)將一個正弦信號取樣、量化、編碼， 形成一個正弦函數(shù)表，存在EPROM中。合成時，通過改變相位累加器的頻率控制字，來改變 相位增量，相位增量不同將導(dǎo)致一周內(nèi)的取樣點數(shù)的不同。因角頻率@ = Δρ/Δ?，在取樣頻 率不變的情況下，通過改變相位累加器的頻率控制字，將這種變化的相位/幅值量化成數(shù) 字信號，通過DDS內(nèi)部D/A變換即可得到需要的綜合信號。
[0025] 時鐘信號包括：第一時鐘信號和第二時鐘信號；第一時鐘信號接入直接數(shù)字式頻 率合成器；第二時鐘信號接入微處理器。
[0026] 其中，微處理器的外時鐘端XTAL以及DDS的外時鐘端Input均接入來自于壓控晶 振經(jīng)隔離放大器后輸出的時鐘信號，目的是使DDS的I0UT引腳輸出端頻率信號的穩(wěn)定度與 外部時鐘源一致。例如，輸出信號頻率為5. 3125MHz，那么MCLK時鐘端的信號頻率應(yīng)該大 于20MHz，以期望得到更好的相位噪聲，通過外部濾波電路后，可得到比較純凈的信號譜。
[0027] DDS芯片的FSELECT為鍵控調(diào)頻信號輸入端，也就是我們的調(diào)制方波信號輸入端， 我們使用的DDS內(nèi)部有兩個頻率控制寄存器，通過編程的方式將預(yù)先設(shè)置好的頻率值R)、 F1保存在寄存器中，當(dāng)FSELECT端有有方波信號輸入時（即電平上升沿或下降沿轉(zhuǎn)換）， DDS的I0UT端將會隨之分別從頻率控制寄存器中讀出F1或R)的值作為輸出，并且會保障 頻率信號在切換時相位無變化。
[0028] 微處理器項相干微波信號生成模塊輸出間歇性脈沖信號；向伺服電路輸出同步鑒 相信號；向倍頻模塊輸出倍頻工作時序信號；向直接數(shù)字式頻率合成器DDS輸出命令控制 字。
[0029] 當(dāng)開始時，微處理器將頻率信號5. 3125MHz和0Hz的值通過控制字命令寫入DDS 的R)和F1寄存器中，同時通過鍵控調(diào)頻FSK給DDS的FSELECT引腳施加占空比為1 :1的 方波信號，以控制DDS以FSELECT引腳鍵控調(diào)頻FSK方波信號的周期切換內(nèi)部寄存器的R)、 F1頻率信號輸出至后續(xù)電路產(chǎn)生6834. 6875MHz的相干微波脈沖信號作用于量子系統(tǒng)，并 且保持著相位無變化。同時，微處理器將產(chǎn)生一路與鍵控調(diào)頻FSK方波信號同頻同相的倍 頻率模塊工作時序作用于倍頻電路。需要注意的是，對于具體的某一臺原子頻標(biāo)，鍵控調(diào)頻 FSK方波信號的頻率是不一樣的，需要通過微處理器進行具體的調(diào)節(jié)。
[0030] 當(dāng)鍵控調(diào)頻FSK方波信號為高電平1時，DDS取寄存器F1中的5. 3125MHz頻率輸 出，同時，控制倍頻模塊工作時序為1使能倍頻模塊工作；同樣當(dāng)鍵控調(diào)頻FSK方波信號為 低電平0時，DDS取寄存器R)中的0Hz頻率輸出。同時，控制倍頻模塊工作時序為0禁止 倍頻模塊工作。這樣，在后續(xù)微波電路中，我們將得到脈沖式的相干微波探詢信號。
[0031] 相干微波脈沖信號作用于量子系統(tǒng)后，會得到一個光檢信號輸出，伺服電路記錄 此時的信號強度，但并不改變VCX0的壓控頻率信號輸出，而是要求間隔脈沖綜合模塊中的 微處理器改變DDS相應(yīng)的頻率值R)、F1。
[0032] fo就是原子基態(tài)超精細(xì)結(jié)構(gòu)0-0躍遷的標(biāo)準(zhǔn)頻率，△ Π 為量子系統(tǒng)本身的自然線 寬，而Af2為經(jīng)過間隔脈沖綜合模塊及后續(xù)電路作用的相干譜線線寬，顯然Af2〈Afl，由 于壓縮了線寬一方面可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定度，另一方面，在原子中心頻率fo及△ f2之間的 線型對稱度更高，更利于鎖定原子基態(tài)超精細(xì)結(jié)構(gòu)〇-〇躍遷的標(biāo)準(zhǔn)頻率。
[0033] 在微波輻射場作用下，原子是在上下兩能級間振蕩的，因而輻射能量周期地在吸 收或發(fā)射，這是原子系統(tǒng)的馳豫過程造成的。當(dāng)宏觀物體處在熱平衡時，各能級上的原子數(shù) 遵從玻耳茲曼頒布，顯然，在達(dá)到平衡以前，系統(tǒng)內(nèi)必存在某種相互作用，使原子不同能級 間躍遷，最終達(dá)到平衡分布，這種相互作用就是馳豫作用。馳豫的具體機制，對不同原子頻 標(biāo)是不一樣的，而通常用馳豫躍遷幾率來定義馳豫過程的快慢速率。
[0034] 而實際的原子頻標(biāo)系統(tǒng)中，我們用能級壽命來反映馳豫時間，根據(jù)測不準(zhǔn)關(guān)系，能 級壽命決定了譜線寬度的極限。但實際上另外一些原因常使原子的能級壽命縮短，從而使 譜線增寬。在現(xiàn)有的物理系統(tǒng)中，原子與微波場相互作用的時間決定于原子穿過微波場區(qū) 域的時間，它往往比真正的能級壽命短得多，這里相互作用的時間T取代了原子能級壽命， 決定了線寬。相互作用時間T越長，線寬越窄。我們通過微處理器產(chǎn)生的方波信號來控制 倍頻模塊工作及DDS輸出，從而產(chǎn)生脈沖式的微波輻射場，這相當(dāng)于原子先后通過兩個相 位相同的微波輻射場，并與它們發(fā)生相干的相互作用，這樣有效相互作用時間延長到這個 間歇時間，而這時間可以不受物理系統(tǒng)諧振腔體體積的限制，從而有效壓縮了線寬。
[0035] 倍頻模塊包括倍頻器
[0036] 伺服模塊壓差采集時序高電平時，按照傳統(tǒng)伺服電路的鑒相程序采集壓差信號， 處理后作用于圖1中的壓控晶體振蕩器，使其輸出頻率發(fā)生變化，最終使微波探詢信號對 準(zhǔn)量子系統(tǒng)超精細(xì)結(jié)構(gòu)的〇-〇路遷頻率上。
[0037] 最后所應(yīng)說明的是，以上【具體實施方式】僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案而非限 制，盡管參照實例對本實用新型進行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對 本實用新型的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本實用新型技術(shù)方案的精神和范 圍，其均應(yīng)涵蓋在本實用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1. 一種原子頻標(biāo)系統(tǒng)相干性控制裝置，其特征在于，包括：原子頻標(biāo)物理系統(tǒng)、間隔脈 沖生成模塊、時鐘信號、相干微波信號生成模塊、伺服電路、晶體振蕩器、倍頻模塊以及隔離 放大器；所述原子頻標(biāo)物理系統(tǒng)的輸出信號依次通過所述伺服電路、所述晶體振蕩器、所述 隔離放大器接入倍頻模塊；所述倍頻模塊與所述相干微波信號生成模塊；所述間隔脈沖生 成模塊分別與所述倍頻模塊以及所述相干微波信號生成模塊相連；所述時鐘信號接入所述 間隔脈沖生成模塊；所述伺服電路與所述間隔脈沖生成模塊相連。
2. 如權(quán)利要求1所述的原子頻標(biāo)系統(tǒng)相干性控制裝置，其特征在于，所述原子頻標(biāo)物 理系統(tǒng)包括：恒流源以及控溫模塊。
3. 如權(quán)利要求1所述的原子頻標(biāo)系統(tǒng)相干性控制裝置，其特征在于，所述間隔脈沖生 成模塊包括：微處理器以及直接數(shù)字式頻率合成器DDS ;所述微處理器分別與所述伺服電 路、所述直接數(shù)字式頻率合成器DDS以及所述倍頻模塊相連。
4. 如權(quán)利要求3所述的原子頻標(biāo)系統(tǒng)相干性控制裝置，其特征在于，所述時鐘信號包 括：第一時鐘信號和第二時鐘信號；所述第一時鐘信號接入所述直接數(shù)字式頻率合成器； 所述第二時鐘信號接入所述微處理器。
5. 如權(quán)利要求3所述的原子頻標(biāo)系統(tǒng)相干性控制裝置，其特征在于：所述微處理器項 所述相干微波信號生成模塊輸出間歇性脈沖信號；向所述伺服電路輸出同步鑒相信號；向 所述倍頻模塊輸出倍頻工作時序信號；向直接數(shù)字式頻率合成器DDS輸出命令控制字。
6. 如權(quán)利要求1所述的原子頻標(biāo)系統(tǒng)相干性控制裝置，其特征在于：所述倍頻模塊包 括倍頻器。
7. 如權(quán)利要求3所述的原子頻標(biāo)系統(tǒng)相干性控制裝置，其特征在于：所述微處理器向 所述直接數(shù)字式頻率合成器DDS輸出FSK調(diào)頻信號。
8. 如權(quán)利要求1所述的原子頻標(biāo)系統(tǒng)相干性控制裝置，其特征在于：所述相干微波信 號生成模塊向所述原子頻標(biāo)物理系統(tǒng)輸出微波脈沖信號。
9. 如權(quán)利要求3所述的原子頻標(biāo)系統(tǒng)相干性控制裝置，其特征在于：所述微處理器通 過鍵控調(diào)頻FSK給所述DDS的FSELECT引腳施加占空比為1 :1的方波信號。
10. 如權(quán)利要求4所述的原子頻標(biāo)系統(tǒng)相干性控制裝置，其特征在于：所述第一時鐘信 號與所述第二時鐘信號均為來自于壓控晶振經(jīng)隔離放大器后輸出的時鐘信號。
【文檔編號】H03L7/26GK203883809SQ201420196193
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年4月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月21日
【發(fā)明者】雷海東 申請人:江漢大學(xué)