[發明專利]一種氫原子鐘腔頻自動調諧方法及系統

有效

• 申請號: 201010138243.3
• 申請日: 2010-04-02
• 公開（公告）號: CN102111153A
• 公開（公告）日: 2011-06-29
• 發明（設計）人: 蔡勇;謝彥;張燕軍;吳軼東;張為群
• 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;G04F5/14
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 鄧琪

技術領域

本發明涉及適用于時間頻率技術領域的氫原子鐘腔頻自動調諧方法及實現該方法的系統。

背景技術

近年來隨著國家空間探測的深入，以及戰略需求和衛星導航系統的興起，氫原子鐘作為探測和導航精度的根本保證，正越來越顯現其重要地位。氫原子鐘的諧振腔是高Q值的低膨脹系數腔(一般膨脹系數在10-7量級)，隨時間或環境的改變，諧振腔的諧振頻率會因各種因素而產生變化。若要達到10-15的穩定度，腔頻變化則要小于0.7Hz。因此腔頻自動調諧系統(CAT)的好壞對于長期時域頻率穩定度提高就顯得尤為重要。

目前對諧振腔頻率進行修正主要靠在腔中或腔體上放置變容二極管的方法，通過改變加于變容二極管上的直流電壓可改變電容量，而電容量的改變即會引起腔體諧振頻率的變化。而如何實現調諧，即如何實現對腔體的自動控制也是調諧的難點和關鍵。

目前的氫原子鐘調諧技術有兩種，一種為放入兩個變容二極管，其中一個用來調制腔頻，另一個則用來控制腔頻，這種方法腔頻控制精確，但實現難度較大；另一種方法是腔內只放一個變容二極管，同時在這一變容二極管上加上慢速頻率調制信號，這種方法實現容易，但主要存在的問題是對氫原子鐘輸出頻率的短期頻率穩定度影響較大，會使穩定度變差1個量級左右。同時慢速調制引起的問題也較多，如溫度系數大、腔頻修正存在誤差等會間接影響原子鐘的長期頻率穩定度。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種可以改善氫原子鐘輸出頻率穩定度的氫原子鐘腔頻自動調諧方法及系統。

針對上述技術問題，本發明采用如下技術方案：

一種氫原子鐘腔頻自動調諧方法，包括以下步驟：在氫原子鐘諧振腔的腔體響應的半功率點上等功率注入頻率為f₀±f_m的腔頻探測信號，其中f₀為1.420405GHz的氫原子躍遷頻率，f_m為15-20KHz的調制頻率；所述腔頻探測信號經頻率f_w為50-150Hz的方波快速調制產生；所述腔頻探測信號與所述諧振腔的頻率f_c耦合后得到相應的帶有諧振腔頻率誤差信息的輸出信號；從所述輸出信號中同步檢波出所述諧振腔頻率誤差信息，并將所述諧振腔頻率誤差信息積分放大為直流電壓后加于所述諧振腔內的一個變容二極管上以對所述諧振腔的頻率f_c進行控制。

相應地，提供一種氫原子鐘腔頻自動調諧系統，所述系統包括：方波調制信號產生器，用于產生頻率f_w為50-150Hz的方波；調制信號產生器，用于接收所述方波調制信號產生器產生的方波，以產生頻率為f₀±f_m的腔頻探測信號，其中f₀為1.420405GHz的氫原子躍遷頻率，f_m為15-20KHz的調制頻率；諧振腔，所述諧振腔包括位于其內的一變容二極管，所述腔頻探測信號注入所述諧振腔，與所述諧振腔的頻率f_c耦合后得到帶有諧振腔頻率誤差信息的輸出信號；混頻放大器，所述混頻放大器用于將所述輸出信號下變頻并放大；功率分配器，所述功率分配器用于將來自所述混頻放大器的信號分為兩路信號，第一路信號用于鎖定晶振源，第二路信號用于控制所述諧振腔的頻率f_c；同步檢波放大器，所述同步檢波放大器接收所述第二路信號并從中同步檢波出諧振腔頻率誤差信息，且將所述諧振腔頻率誤差信息積分放大為0～20V的直流電壓V_dio后加于所述變容二極管上以對所述諧振腔的頻率f_c進行控制。

采用本發明后，氫原子鐘的輸出頻率穩定度有了明顯的改善，在其他條件不變且未對氫原子鐘做較大改動的情況下，在環境溫度為25℃±0.2℃，測試設備為頻率穩定度測試儀VCH-314的測量條件下，相比于現有技術的氫原子鐘，例如氫鐘VCH-1003A，實測的短期頻率穩定度可由原來的6×10^-13/s提高到2×10^-13/s，長期頻率穩定度也可由原來的5×10^-15/天左右提高到2×10^-15/天。由此可見，氫原子鐘的性能得到了提高。

附圖說明

圖1是本發明的自動調諧系統原理圖。

圖2是本發明的自動調諧系統總體結構方框圖。

圖3是本發明的變容二極管濾波電路連接示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本發明作進一步說明。