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@10⁴s，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。     

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。     

CPT原子钟微波信号的设计和分析

根据被动型相干布居囚禁原子钟对微波信号的要求,利用小数分频锁相环技术实现了微波频率综合,并通过优化环路带宽得到最佳的输出相噪。测试结果表明:3 417 MHz微波输出在100 Hz处的相位噪声达到-80 dBc;中心频率±50 kHz范围内的杂散抑制达到54 dB,都接近于理论值。将产生的微波用于所研制的CPT原子钟,获得频率稳定度达到1 000 s内6×10-11-1/2,为目前国外商品钟水平。     

一种芯片原子钟专用锁相倍频器研究与设计实现

分析了倍频器对芯片原子钟稳定度指标的影响,并以此提出了对倍频器的设计要求。介绍了国内外几种典型的原子钟倍频器,提出了一种基于撞-D调制的芯片原子钟专用锁相倍频器方案,并采用分离器件对该方案进行了验证,实现了与传统铷钟物理系统的闭环锁定,铷原子频标稳定度指标达4.7E-12/s,能满足原子钟的研制需求。基于该方案开展了倍频器芯片的设计和流片,实现了3.4GHz的芯片原子钟专用芯片,与物理系统进行联调锁定后稳定度指标达5.5E-11/s,表明该芯片可满足芯片原子钟的设计要求。     

基于CPT原理原子钟的频率控制系统

在J．Vanier工作的基础上,根据Get（Coherent Population Trapping：相干布局数囚禁）原子钟的系统组成和工作原理,导出了基于CPT原理原子钟的频率控制系统模型,对于基于CPT原理原子钟的分析和设计工作具有实际的指导意义。     

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。     

用于里德堡原子高精度微波电场测量的小型化激光系统设计与实现

基于里德堡原子量子相干效应的微波电场测量灵敏度高、动态范围大、测量不确定度小,有望成为新一代可直接溯源至国际单位制(SI)的微波电场基准。本文介绍了一种可用于铯原子里德堡态激发的小型化绿光激光系统。该激光系统采用Littorw型光栅外腔反馈结构,实现了输出功率大于80mW的单频509nm绿光激光。利用该激光系统结合常规852nm激光实现了铯原子50D和50S里德堡态电磁感应透明(EIT)光谱。该激光系统的实现,为微型化、可扩展的绿光激光系统提供一种可行性方案,有利于实用化原子介质电场精密测量设备的实现。     

小型CPT原子钟的数字电路优化研究CSCD

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55d B的滤波效果,同时节省了约42%的FPGA逻辑资源。     

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。     

中国航天科工二院203所

正原子钟里的贵族——蓝宝石主动型氢原子频标BM2101-03应用领域本地守时、导航、深空追踪、计量、光原子频标、光长度标准、精确原子物理测试、高精度测试、射电天文、地球物理、相对论验证、量子力学试验产品特点·性能指标高频率准确度:3E-13频率稳定度:3E-13/s、3E-15/10000s、3E-15/d相位噪声(5MHz):-125dBc/Hz(1 Hz)、-150dBc/Hz(1 kHz)、-150dBc/Hz(10kHz)     

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。     

CPT原子钟系统光源温度控制设计与实现

介绍了半导体激光器波长影响机理,针对相干布局数囚禁（CPT）原子钟系统光源,设计并制作了通过半导体激光器的温度稳定的电路。实验结果表明,采用此电路的激光器,其温度稳定度约为0.02℃,相应波长稳定度可达0.001 2 nm。     

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。     

汽室型铷原子频标中微波腔的小型化

讨论了实现汽室型铷原子频标微波腔小型化的技术途径,给出了自主研制的小型化微波腔的三维仿真结果和外型结构,介绍了以新研制的小型微波腔为基础构成的小型化腔泡系统。小型化微波腔的研制成功,使整个物理系统的体积减小。在小型化的条件下,整机短期频率稳定度达到了国际同类产品水平。     

原子频标中激光器高偏振态检测器件设计研究

本文研究一种矩形银纳米棒结构消色差波片,分析该波片对光场偏振态的调控特性。以二氧化硅为基底设计银纳米棒波片,长250nm,宽120nm,厚度40nm,周期300nm。通过激发纳米棒表面等离子体效应,产生符合理论的表面电场分布。仿真计算,以45°的线偏振光激发,调制出圆偏振光,满足λ/4波片的性能,适用波段为620nm～668nm,满足钙原子束光频标的激发波长,波片透过率为40%～48%。仿真计算,采用时域有限差分法求解空间电磁场分布,使用三角函数法分析光束偏振态。基于该结构体积小、厚度薄、灵活度高,将其应用于光频原子钟有利于光学调制模块集成化、小型化的实现,有利于辅助激光器调制出高效的偏振光。     

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%。     

微波幅相接收机的低中频正交优化结构

为解决微波毫米波幅相接收机的频率偏移超过中频带宽的问题,提出了一种低中频正交接收机结合双边带抑载的优化结构.利用频率误差对消的方法,获得了稳定的低中频信号,不包含微波本振源的频率偏移且保持了2路输入信号之间的相位关系.它的2路中频通道不对称,其中一路用一个晶体振荡器产生的正弦波预调制,对消过程用模拟乘法器和正交解调器在第1中频实现.与频率误差跟踪不同,它避免了锁相环引入的寄生调制和复杂性.分析了其性能,包括I/Q幅相不平衡的误差和校正.概述了一个实际的基于此结构的微波接收机,该接收机的特点是电路结构简单、成本低和小型化,性能测试结果和实际应用表明其具有较高的灵敏度和精度.     

铷光谱灯老化自动测试设备研制与应用

介绍了铷光谱灯老化自动测试设备的研制与应用,应用ATE技术实现了铷光谱灯的批量老化及长期自动测量,为筛选评估提供数据,解决了高性能铷原子钟的产品化研制和小型铷原子钟批量生产中的重要问题。系统功能完善、测量准确度高、软件界面清晰、操作简单,有效改进了铷原子钟研制生产的工艺水平,提高了研制生产过程的信息化程度。     

基于光纤双环网的高精度时频同步技术研究

本文介绍了一种基于光纤双环网的时频同步技术设计方法,针对时频设备协同使用时如何获得高精度同步指标这一问题提出了一种设计思路。以系统时间源使用北斗/GPS/GLONASS,本系统同步精度优于5E-13,频率稳定度优于5E-13@1d;以UTC(BIRMM)输出的TOD+1PPS做系统时间源,本系统同步精度优于4E-13,频率稳定度优于6E-14@1d。本方案提出的方法原理简单,系统可根据使用情况进行裁剪,相比卫星双向等手段成本低廉,适合在时频同步领域推广。