CPT铯原子钟微波信号源设计与分析

CPT原子钟由于其体积小、功耗低等优点广泛应用于通信、导航及数据传输等领域。本文采用数字锁相倍频的方法,根据CPT铯原子钟对微波信号的需求设计了一种中心频率为4 596MHz的信号源,并对其输出信号的相位噪声进行了分析。经测试,信号源电路尺寸为30mm×50mm,功耗小于200mW,输出微波功率范围为（-20~-5）dBm,输出信号噪声与理论分析相符,杂散抑制满足设计要求,调制信号频率为500Hz,可用于CPT铯原子钟。     

介质振荡器的设计

为了实现微型化相干布局囚禁（CPT）原子钟,需要设计出小体积、低功耗的微波电路。本文介绍了利用介质振荡器（DRO）实现的适合微型CPT原子钟的微波电路,首先利用ADS（Advanced Design System）软件实现了介质振荡器的仿真,然后根据仿真结果设计并实现了振荡器电路,测试结果表明：输出微波频率为3.4GHz、功率为-4dBm、功耗为37mW。     

IIR滤波器在芯片原子钟中的应用

芯片原子钟是具有小体积,低功耗特点的原子钟。本文采用了IIR滤波器方案对芯片原子钟物理系统输出信号进行处理,该方案有利于减小芯片原子钟的体积、提高芯片原子钟短期频率稳定度。实验结果表明,与FIR滤波方案相比,IIR滤波器使用的FPGA资源减小了约58%;与现有模拟滤波方案相比,使用IIR滤波器方案的芯片原子钟频率稳定度提高了1.4×10~(-10)τ~(-1/2)(τ=1s-100s),电路面积减小了10%。     

频率标准在中国的发展

简单介绍了原子钟研究在中国的发展历史,着重叙述了近年来所取得的成就。包括在中国计量院开发与保存的国家时间频率基准:铯原子束基准和冷原子喷泉基准,后者的频率准确度达到了3.10-15。叙述了氢原子钟,包括主动激射器频标和被动型氢钟两种类型的研究工作进展;说明了光抽运铷原子钟的研制与生产情况以及性能指标。强调了中国光抽运铯原子束频标经过长期连续工作所取得的优秀成果。简述了中国在微波与光频离子储存原子钟以及在光频测量和光钟上所取得的进展。     

正弦振动条件下原子钟的频率稳定度分析

振动对原子钟(原子频标)的影响可分为对原子谐振的影响、对伺服环路的影响和对晶体振荡器(晶振)的影响.在振动频率范围内,晶振的输出相位噪声只与晶振的加速度灵敏度、峰值加速度和振动频率有关,与静态相位噪声没有关系,但在振动频率范围之外,晶振的输出相位噪声就是其静态相位噪声. 由原子钟的稳定性传递到输出晶振的频率稳定度公式,就可通过伺服环路把晶振的振动分析融入到原子钟的振动分析之中.利用相位噪声转换为阿仑方差的积分公式,根据留数定理推导出直接计算阿仑方差的解析表达式, 得到增加伺服环路带宽可以有效抑制振动对原子钟频率稳定度影响的结论;分析了通过减振和选择加速度灵敏度较小的晶振这2种方法改善原子钟振动性能的问题.      

铷原子钟温度补偿技术研究

利用直接数字频率合成器AD9852设计并制备了一种铷原子钟的温度补偿电路,该电路能够在不降低铷原子钟输出频率短期稳定度的基础上,有效地减小了`铷钟的温度系数。     

磁选态铯原子钟弱信号直接采样方法研究

磁选态铯原子钟的输出频率与铯束管输出的弱电流信号有关，影响其频率稳定度。为了提高其频率稳定度技术指标，在对磁选态铯原子钟主伺服电路弱信号压频转换（V-F）和模/数 (A/D)直接采样对比的基础上，设计了基于DSP28335芯片的A/D直接采样电路，利用CAN总线通信技术与主控CPU板进行通信，实现整钟闭环锁定的方案。通过试验与被测磁选态铯原子钟现有压频转换法进行对比，结果表明，所设计的A/D直接采样法较压频转换法减小了磁选态铯原子钟相对频率偏差范围，改善了短期频率稳定度，具有实用价值。     

小型铯原子钟微波腔调谐过程的仿真研究

通过建立模型,利用Ansoft HFSS 12.0对小型铯原子钟内微波腔的调谐过程进行了仿真,得到了调谐棒半径、在调配器内长度与微波腔谐振频率之间的关系曲线。结果表明,调谐棒半径一定时,调谐棒长度在一定范围内,微波腔谐振频率随着长度的增加逐渐下降;随着半径的增大,微波腔谐振频率的变化范围逐渐增大,在铯原子跃迁中心频率处,调谐棒长度对微波腔谐振频率的影响变大。根据仿真结果,给出了调谐棒半径的取值范围,为微波腔的设计、加工和调谐提供了理论指导。     

高稳定度低温蓝宝石微波频率源设计

利用蓝宝石晶体在低温下具有低损耗的特点，设计并研制了本征模式为WGH_12,0,0的蓝宝石微波腔。当温度稳定在6.4K时，其Q值能够达到4.0×10⁸。以此微波腔为基础，形成正反馈振荡回路，并根据POUND电路原理对环路中振荡信号的相位进行控制，提高整机稳定度指标。为满足频率互比测试的需求，采用共用一个低温装置的方案，构建了两台低温蓝宝石微波源，一路输出频率为9.204GHz，另一路输出频率为9.205GHz，两路信号混频，并用时间间隔计数器测量差频信号的频率。经计算，低温蓝宝石微波频率源的秒级频率稳定度达到了3.28×10^-15。     

基于相干极化调制的小型化CPT原子钟进展

基于相干布局囚禁(Coherent Population Trapping)的被动型气泡原子钟,因其优良的短稳2E-13@1s和中期稳定度2.5E-15@10~4s,而成为高性能原子钟的有力竞争者。本文基于一种新构型来探索实现高性能小型化CPT原子钟。我们通过3.4GHz微波直接调制分布式布拉格反射(DBR)激光器产生相干双色光,同时在微波和激光光束上分别施加同步的相位调制和偏振调制,实现相干极化调制,获得了较高对比度(14.7%)和较窄线宽(416Hz)的CPT共振信号。该方案采用直接调制技术使原子钟系统体积、复杂性和环境敏感性都得到减小,这使得高性能CPT原子钟的小型化成为可能。     

原子钟频率稳定度测试中的噪声处理

原子钟的测量噪声会被引入到频率稳定度评估过程,尤其是对中短期频率稳定度的影响更大。重叠Allan方差可以克服调频闪变噪声和调频随机游走噪声随时间变化出现的非平稳问题,但由于受到测量噪声的影响,评估结果仍会出现误差。为此,本文通过对原子钟的数学模型和噪声特性进行分析,提出了原子钟频率稳定度评估的加窗平滑噪声处理方法,通过对时差观测序列合理的加窗设计和平滑处理,抑制测量噪声对评估结果的影响。实验结果表明,利用铷钟观测序列的100点平滑可以有效地提高短期频率稳定度结果（100~1 000）s的可信度。     

一种用于CPT原子频标的高性能解调电路

介绍了同步积分器和相敏检波器级联的解调电路及该电路在相干布居囚禁（CPT）原子频标中的应用。通过理论计算和先进设计系统软件进行的仿真表明,该解调电路具有很高的Q值和很好的抑制噪声能力,是一种可应用于CPT原子频标的解调电路。对电路的测试结果证实,该电路能够从光检测信号中解调出高性能的用于激光频率稳频的多普勒吸收谱线的微分曲线和用于微波频率稳频的CPT谱线的微分曲线。     

小型CPT原子钟的数字电路优化研究

CPT原子钟是一种体积小、功耗低、指标优的新型原子钟。本文对小型CPT原子钟数字滤波算法开展优化研究,采用CIC滤波器前端滤波,低阶FIR滤波器后端滤波。新滤波模块在保证相同的噪声抑制比的情况下,节约逻辑资源,降低整钟功耗。基于以上方案实现的滤波模块,获得了55dB的滤波效果,同时节省了约42%的FPGA逻辑资源。     

一种小体积低功耗微波倍频电路

针对微型相干布居囚禁（CPT）原子频标开展了小型、低功耗微波电路的研究,借助于ADS仿真,设计并实现了一种利用微带线传输微波,以阶跃恢复二极管作为非线性器件的小体积、低功耗微波倍频电路,电路面积为20mm×10mm、功耗小于10mW。测试结果表明：当输入功率为6dBm、频率为569.5MHz的信号时,获得了所需要的频率为3417MHz、功率为-9dBm的微波输出,满足CPT原子频标对微波信号的需求。     

基于长短时记忆神经网络(LSTM)的钟差预报算法

原子钟钟差预报在原子时计算和原子钟频率驾驭中发挥着重要的作用。长短时记忆神经网络（LSTM）预报算法能够处理多参数长期依赖关系的时间序列预报，以氢钟和铯钟实测数据为样本，通过构建LSTM钟差预报模型，降低了长期原子钟内部噪声以及原子钟漂移对钟差预报的影响，并以72h，240h和720h为预报时长，分别与线性多项式模型、灰色模型和Kalman模型原子钟钟差预报模型进行预报误差对比。研究表明，在240h以上的预报时长中，LSTM建模长期依赖关系的优势得以体现，相较于其他3类模型可以获得更高的预报精度。     

基于Push-Push结构的倍频器在铷原子频标中的应用

铷原子频标是各种原子频标中发展最为活跃的 ,由于其独特的外在及内在的特点 ,使其在商业通信、空间导航等领域得到最为广泛的应用。在铷原子频标中 ,倍频电路是影响整个系统长期稳定性的重要因素之一。简要介绍了Push -Push结构的基本原理 ,并且给出了基于Push -Push结构的倍频器的具体实现电路与仿真结果。仿真实验结果表明 ,该种结构设计对改善电路的相位噪声是有十分有效的。最后分析了影响幅度调制噪声与相位调制噪声的因素 ,对上述电路做了进一步的完善。