刘勇军,项俊骐,胡俊强,杜润昌,杨 林

(成都天奥电子股份有限公司,成都 611731)

一种高性能小型化铷钟的研制

刘勇军,项俊骐,胡俊强,杜润昌,杨 林

(成都天奥电子股份有限公司,成都 611731)

为满足未来微小卫星等空间应用对铷原子钟小型化、高指标的要求,成都天奥电子股份有限公司采用陶瓷填充谐振腔、6.8GHz锁相倍频、数字温控等技术,研制出了一种体积约300mL的微小卫星星载铷钟原型样机。经初步测试,常温常压下该铷钟秒稳定度优于3×10-12,万秒稳定度优于1×10-13;在真空条件下天稳定度优于5×10-14,天漂移率优于5×10-13。同时给出了设计方法及环境试验的结果。

小型化铷钟; 高性能

0 引言

近年来,铷原子频标(铷钟)在国防科技领域中的应用越来越多。在星载应用方面,目前铷钟主要应用于各卫星导航系统。铷钟相比铯钟、氢钟等具有体积小、质量小、功耗低的优势。GPS Block IIR及IIF的星载铷钟表现了优秀的地面及在轨性能[1-2]。在微小卫星的应用中,要求频率源的体积小、功耗低,技术指标能达到星载应用对频率源的要求,保证卫星集群的整体性能。目前成熟应用于导航卫星系统的星载铷钟的体积和功耗均较大,难以应用于微小卫星中,这就需要有一种比现有星载铷钟体积小、功耗低,技术指标略低的铷钟。

1 技术研究方案及主要特点

1.1 量子物理系统设计

为了适应微小卫星对于星载铷钟的性能要求,量子物理系统在小型化的同时需要保证合适的线宽和足够高的信噪比。目前在公开报道的文献中使用集成滤光方案的铷钟尚未发现有秒稳定度达到5×10-12的例子,基于这种需求,量子物理系统仍然采用分离滤光方案。在传统星载铷钟的设计中,物理系统的温控方案多设计为三泡三控温方案[3-4],即对光谱灯、滤光泡和吸收泡均单独进行控温。为了压缩体积,本设计采用滤光泡和吸收泡同时进行控温,即采用三泡双控温方案。

1.1.1 光谱灯部件设计

光谱灯是高性能铷钟的关键部分,其设计要求较高、难度较大。这体现在四个方面:第一,光谱灯的光强变化会影响天稳定度及天漂指标,光谱线形变化会影响光频移系数;第二,光谱灯是铷原子钟中温度最高的部分(约110℃),同时也是自发热最严重和温度稳定性要求最高的部分;第三,光谱灯存在大功率射频信号,会对整机的其他部分造成严重影响,在小型化的同时其电磁兼容性设计也是一个关键点;第四,为了达到铷钟寿命大于10年的要求,谱灯内通常会充制足量的铷。在饱和铷蒸汽外富余的铷若分布在谱灯侧壁,将会影响射频激发效率降低光强；若分布在灯头则会挡光,降低信号强度。比较好的方法是谱灯灯尾设计为一个冷端,富余的铷均集中在灯尾。根据上述分析,并经过多次改进,设计了一种能够满足真空及常压下长期工作的小型高性能光谱灯,该项设计已获国防专利(专利号为201010267985.6)。

同时玻璃材料是决定铷泡寿命的另一个主要因素,因此要达到铷钟寿命长的设计要求。经过长期的实验,研制出了一种具有自主知识产权的无碱玻璃配方,经过第三方权威机构检测,其含碱(Na2O和K2O)量仅0.29%。

通过对铷泡进行了长达1年的铷量测试,按铷量通用消耗模型[5]拟合了其铷量消耗曲线,根据铷泡的充铷量预估其寿命大于14年。

光谱灯组件指标为:体积9mL、质量18g;+15V工作,稳态功耗1.2W。

1.1.2 谐振腔部件设计

在吸收泡内馈入微波信号的作用是诱导原子发生(0,0)能级跃迁,即钟跃迁。根据量子理论,铷钟的钟跃迁属于磁偶极跃迁,对于一个确定的微波场,只有平行于量子化轴方向的磁分量才能够激励这种跃迁[6]。因此,要获得强的钟跃迁信号,要求微波场的磁力线在作用区分布尽可能均匀、密集,且平行于量子化轴,而微波场的分布取决于微波腔结构。

目前,用于铷钟的微波腔可以分为标准腔和非标准腔两类。非标准腔以中国科学院武汉物理与数学研究所采用的开槽管腔[7]和兰州空间技术物理研究所采用的磁控管腔为代表;早期的标准腔以TE011和TE111腔为主,但体积均无法达到设计要求。

在设计中,采用陶瓷填充的TE111模的微波谐振腔,在有载Q值降低约50%的情况下相对标准TE111谐振腔体积减小了1/3。

1.2 电子线路设计

与传统设计不同,电路中采用了如下两项新技术。

1.2.1 6.8GHz频率综合器设计

应用于高性能铷钟的6.8GHz频率源设计，需要在6.8GHz输出频率信号的近端相位噪声足够低,SRS设计手册[8]给出频偏二倍调制频率(如256Hz)处的相噪要求低于-70dBc/Hz;在高性能铷钟设计中要求微波功率的稳定度较高,星载铷钟对于微波功率稳定性一般要求达到小于0.01dB/℃[4];还要求6.8GHz频率源应工作稳定,有利于调试,技术状态的一致性应高。

传统星载铷钟几乎均采用阶跃恢复二极管(SRD)倍频方案,一般是10MHz倍频至60MHz或90MHz进行功率放大后驱动SRD,驱动功率在15～20dBm之间。设计良好的SRD倍频方案的优势在于6.8GHz信号相比较10MHz的相噪损失近乎为理论相噪恶化20lgN(N为频率倍数,对于10MHz倍频至6840MHz而言N为684)水平,近端相噪较好;但SRD的极间电容的不一致使阶跃匹配电路的调试难度较大,在进行批量生产中存在产品一致性不高等问题。

本设计对微波倍频器进行了改进,采用6.8GHz锁相倍频器替代SRD倍频器,原理框图如图1所示。

图1 6.8GHz锁相倍频器原理框图Fig.1 Block diagram of 6.8GHz phaselocking frequency multiplier

输入的10MHz信号经放大后送入鉴相器,6834.6875MHz的压控振荡器(VCO)经一个分频器分频至10MHz,2FSK控制信号送入分频器,控制分频器的分频比。鉴相器输出的误差信号经环路滤波器(LF)滤波后送到VCO的调谐端,使VCO最终锁定在参考频率上。

由于要求输出的频偏较小(正常工作要求仅500Hz左右),而具有一定环路带宽的锁相环具有快速跟踪能力,因此按2FSK控制信号周期改变分频器的分频比必然使VCO输出频率按同样规律变化,最终在6.8GHz频率上实现满足铷钟要求的2FSK调制信号。

模块最终输出为VCO信号,因此在环路窄带滤波作用下,模块输出应具有较好的杂波抑制性能。模块电路方案选用具有极低相位噪声基底的数字分频器及数字鉴相器,因此环路最终将输出较低的相位噪声,接近理论相噪噪底水平。

表1 6.8GHz频率综合器单边带相位噪声

在实践中发现,微波信号的近端尤其是10Hz附近的相噪对整机的短稳定度影响较大,相反在二倍频处的相噪要求相对较低。同时输出功率主要由VCO决定,VCO在高低温条件下的输出功率相对较稳定,经过实测在环境温度-40℃～+70℃变化情况下，功率变化约1dB,基本满足0.01dB/℃的要求。

1.2.2 数字温控设计

设计采用数字温控方案,如图2所示。

图2 数字温控框图Fig.2 Block diagram of digital temperature control

图2中，Rt为热敏电阻。温控目标是初始时需要能够较快地进入稳定工作状态,在稳定后控温体的温度波动需要尽量小到不影响整机频率稳定度。设计了一个状态机来控制温控的状态,在满功率加热状态下灯、腔以设定的最大加热电流进行加热。当热敏电阻的阻值逐渐减小到目标值附近时切换到正常加热状态,在正常加热状态下采用整形位置式PID控制器计算需要施加在功率管B极的电压,利用功率管耗散的热量对灯、腔进行加热,使控温温度逐渐逼近目标温度(热敏电阻的阻值逼近目标电阻值)。 并且增加了安全性设计,即若检测出热敏电阻存在开路时则切换到零加热状态,避免热敏电阻断路后持续满功率加热引起电路烧毁。

在数字温控方案中,热敏电阻测量的精度是决定温控增益的一个关键因素。设计中,电阻测量的精度取决于恒流源的温度特性以及A/D在高低温下的稳定性。利用不同环境温度下的铷钟测试一直处于常温下的一个固定电阻(阻值已经标定过),来测试铷钟电路测试热敏电阻的精度,进而计算理论热增益,同时对控温体的温度进行测试,测试实际的热增益结果如表2所示。

表2 数字温控增益测试结果

从表2中可以看出,数字温控的理论热增益和实测热增益均高于模拟温控,这有利于提高整机的稳定度水平。

1.3 整机设计

1.3.1 整机热设计

铷原子钟在一定的结构安装条件下,温控体到表面的热阻(温差/耗散功率,℃/W)将会固定。在温控设置值一定的情况下,将光谱灯或谐振腔控制到指定的温度上时所需要的功率(耗散功率)，与内外温差呈正比；同时在常压下耗散功率也与铷钟周围的空气对流有关,空气对流的速度越块,则耗散功率越大。

常压条件下耗散功率与以下3个因素有关:1)温控体到环境之间的热阻;2)温控体与环境之间的温差;3)温控体与环境之间空气对流的快慢。真空条件下耗散功率仅与因素1)及因素2)有关。

在低温环境下可以通过调整控温体与环境之间的热阻,达到整机耗散功率与温度控制的平衡。而在高温条件下,对于仅需要散热的元件和部件,尽量安装在靠近产品的散热面;对于需要控温而有固定热功耗的部件,则需要避免温度失控。当然单层温控相对于双层温控而言，设计难度大大降低,在真空条件下的工作范围将更宽。

设计通过使用高效率DC-DC电源等降低电路的固有功耗,同时优化控温体与安装面的热阻,将单纯需要散热的元件及部件与环境之间设计良好的热传导通路,目前可保证在常压下-55℃～+70℃、真空条件下-40℃～+50℃正常工作。

1.3.2 整机结构设计

整机结构设计主要采用2个措施进行抗振,一是采用柔性较好的黏胶粘固铷泡,其次是增大整机内部的结构强度。

电路板采用多层印制板层叠安装的方式以节省体积,按照紧凑化的设计原则,同时兼顾维修要求,整机实现的外形尺寸为100mm×94mm×32mm(体积300mL)。

2 测试结果

2.1 频率稳定度

利用SOHM-4氢原子钟作为参考，分别测试了常温常压下和真空下的频率准确度和稳定度，如图3～图6所示。

图3 常温常压下频率偏差测试曲线Fig.3 Frequency curve of the Rb clock in normal pressure and temperature

图4 常温常压下频率稳定度测试曲线Fig.4 Frequency stablity of the Rb clock in normal pressure and temperature

图5 真空下频率偏差测试曲线Fig.5 Frequency curve of the Rb clock in vacuum

图6 真空下频率稳定度测试曲线Fig.6 Frequency stability of the Rb clock in vacuum

在真空条件下,秒稳定度及闪变平台等均有所提高。得益于安装平台的温度控制,整机万秒稳定度为3.8×10-14,天稳定度为3.6×10-14,这已经接近传统星载铷钟的技术要求。考虑到小型化以后仅采用了单层温控,物理系统也仅为三泡双控温,上述结果也是可以接受的。但从常温及真空条件下，频率漂移率均在-3×10-13/d～-5×10-13/d之间,相对偏大。

2.2 频率温度特性

在常压下铷钟的频率温度特性测试结果如表3所示。

表3 常压下频率温度特性

2.3 其他主要技术指标测试结果

铷钟其他主要技术指标的测试结果如表4所示。

表4 整机其他项目测试结果

3 结束语

本设计采用陶瓷填充谐振腔、数字锁相倍频、数字温控等技术,研制出了微小卫星星载铷钟原型样机,初步测试的性能指标达到了预定的设计目标,而体积仅为传统星载铷钟1/10左右。本设计的铷钟可以适应常压及真空条件下工作,应用于地面装备和未来的微小卫星中。

但小型化设计存在3项不利因素,一是谐振腔的有载品质因素(Q值)较小,所需要的微波功率较大,不利于减小微波功率频移量;二是三泡双控温方案不利于单独优化光频移;三是单层温控的增益较小,距离双层温控大于2000的热增益有相当的距离。下一步研究工作需要通过改进设计,减小不利因素的产生,进一步提高整机性能。

[1] Phelan J, Dass T, Freed G, et al. GPS clocks in space: current performance and plans for the future [C].34thAnnual Precise Time and Time Interval (PTTI) Meeting, Virginia, USA, 2002.

[2] Vannicola F, Beard R, White J, et al. GPS Block IIF atomic frequency standard analysis[C].42ndAnnual Precise Time and Time Interval (PTTI) Meeting, Virginia, USA, 2010.

[3] Riley W J. Rubidium atomic frequency standards for GPS Block IIR[C]. 22ndAnnual Precise Time and Time Interval (PTTI) Meeting, Vienna, USA, 1990.

[4] Riley W J. The physics of the environmental sensitivity of rubidium gas cell atomic frequency standards [C]. 22ndAnnual Precise Time and Time Interval (PTTI) Meeting, Vienna, USA, 1990.

[5] Cook R A, Frueholz R P.An improved rubidium consumption model for discharge lamps used in rubidium frequency standards[C].42ndAnnual Frequency Control Symposium, USA, 1988.

[6] 王义遒, 王庆吉, 傅济时, 等. 量子频标原理[M]. 北京:科学出版社, 1986.

[7] 梅刚华,钟达, 安绍锋，等. 星载铷原子频标研究进展 [C].2003年全国时间频率学术交流会, 贵阳, 2003.

[8] Stanford Research Systems, Inc. Model PRS10 Rubidium Frequency Standard Operation and Service Manual[EB]. http:www.thinkSRS.com/downloads/PDFS/Manuals/PRS10m.pdf, Version 1.3 (November 8, 2005).

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。

刘勇军(1981-)，男，高级工程师，主要从事小型原子频标研究。E-mail：liuyahoo2010@163.com

TB937

A

2095-8110(2017)01-0072-05