[發明專利]一種用于被動型氫鐘的控制方法及控制電路

有效

• 申請號: 200710046964.X
• 申請日: 2007-10-11
• 公開（公告）號: CN101409556A
• 公開（公告）日: 2009-04-15
• 發明（設計）人: 林傳富;陳文星;劉鐵新;戴家瑜
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海天文臺
• 主分類號: H03L7/26
• 分類號: H03L7/26
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司
• 代理人: 鄧 琪

技術領域

本發明屬于原子頻標領域，具體地說，是一種用于被動型氫鐘的控制方法及控制電路。

背景技術

隨著衛星定位系統在國家科技、軍事、工業等領域內起到越來越重要的作用，因此氫原子鐘的研究也就變得越來越迫切。氫原子鐘是一種高精度的時間和頻率標準，它的各項性能都是十分優秀的，在基礎理論研究、導航、雷達、大地測量、天文觀測和通信領域都具有重要的作用。

氫原子鐘是一種基于氫原子躍遷的原子頻率標準，其躍遷頻率大約在1.4GHz。現有的被動型氫鐘是一種非自激型原子振蕩器，由于微波腔的有載品質因數比較低，氫脈澤不能自激振蕩，需要有外界注入的探測信號才能正常工作。被動型氫鐘的控制電路中有兩個鎖頻環路：晶振環路與腔體環路。量子系統中氫原子躍遷頻率用以控制晶振的頻率，而為了消除量子系統內微波腔諧振頻率變化產生的牽引效應，還需要用晶振頻率來控制微波腔頻率。

目前普遍存在的兩種調制方式為單頻調制方式和雙頻調制方式。在常用的單頻調制方式中，采用一個調制頻率產生探測信號注入到微波腔中，經過和微波腔作用后，利用原子的吸收和色散原理分離出晶振和腔體兩部分的誤差信號，通過比較誤差信號對晶振和腔體進行鎖定。這種方式已經廣泛地應用于被動型氫原子頻標中，但是發明者發現這種調制方式無論如何都無法避免晶振和腔體環路之間的互相干擾。這種干擾會產生幅度和相位噪聲從而影響原子頻標的穩定度，此外，要想準確分離晶振和腔體的誤差信號對電路的實現也提出了更高的要求。在雙頻調制方式中，同時將兩路探測信號注入到微波腔中，分別與氫原子躍遷譜線和腔曲線作用，產生晶振和腔體兩部分的誤差信號，發明者發現這種調制方式也無法完全避免晶振和腔體環路之間的互相干擾。

發明內容

本發明的目的在于提供一種用于被動型氫鐘的控制方法及控制電路，以消除和減小單頻調制方式和雙頻調制方式中的不利因素，從而提供性能更高的時間頻率標準。

為了達到上述目的，本發明的技術方案如下：

一種用于被動型氫鐘的控制方法，包括如下步驟：在晶振環路中，將10MHz晶體振蕩器的頻率鎖定在氫脈澤的譜線上；在腔體環路中，將諧振腔的頻率鎖定在10MHz的晶體振蕩器上；把兩個高準確度、對稱分布在氫原子躍遷譜線中心頻率兩側不同頻率的微波信號，交替地饋入到微波腔中，在微波場與氫原子相互作用下給出了兩個相鄰半周期的檢測信號，通過直接比較這兩個信號強度，其差異量用以改變晶振的控制量來鎖定晶振的頻率；把兩個高準確度、對稱分布在微波腔響應曲線中心頻率兩側不同頻率的微波信號，交替地饋入到微波腔中，在微波場與微波腔響應曲線相互作用下給出了兩個相鄰半周期的檢測信號，通過直接比較這兩個信號強度，其差異量用以改變坐落在微波腔內的變容二極管上的電壓控制量使微波腔頻率鎖定在10MHz晶振上。為了消除和減小晶振環路和腔體環路之間的互相干擾，晶振環路和腔體環路的微波探測信號是分時饋入到微波諧振腔內的。

相應地，一種實現上述控制方法的控制電路，包括探測信號產生電路和信號處理電路；所述探測信號產生電路包括：時序信號發生器，接收一時鐘信號并生成比率信號、調制信號和消隱信號；跳頻信號發生器，接收所述時鐘信號以及來自時序信號發生器的調制信號；開關，接收來自時序信號發生器的比率信號以及來自跳頻信號發生器的輸出信號；頻率倍頻器，接收所述時鐘信號；所述開關的輸出信號以及頻率倍頻器的輸出信號經混頻后得到探測信號，周期性地送至微波諧振腔；所述信號處理電路包括：振蕩器；包絡檢波器，接收經放大的探測信號和來自振蕩器的信號混和放大成的中頻信號；分離電路，接收來自包絡檢波器的輸出信號以及所述比率信號，提取出誤差檢測信號；數字伺服電路，接收所述消隱信號、比率信號以及來自分離電路的誤差檢測信號，將計算得到的實際電壓控制量發送到10MHz晶體振蕩器和坐落在微波諧振腔上的變容二極管壓控端上。

采用上述新型的控制方法和控制電路，由于使用分時雙頻調制方式，分別控制氫鐘的微波諧振腔頻率和晶振頻率，采用這樣特殊控制方式相對現有的單頻調制方式和雙頻調制方式，可以減小腔體環路和晶振環路的相互干擾，提高氫鐘的頻率穩定度。

附圖說明

圖1是氫原子基態超精細能級能量與磁場強度關系的示意圖；

圖2是氫激射器示意圖；

圖3是被動型氫原子鐘電子系統框圖；

圖4是控制電路工作時序圖；

圖5是開關綜合器原理框圖；

圖6是探測信號作用于氫原子躍遷譜線示意圖。

具體實施方式