КВАНТОВЫЙ СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ Российский патент 2003 года по МПК H03L7/16 H01S3/10 

Заявляемое изобретение относится к технике стабилизации частоты и может быть использовано в квантовых стандартах частоты пассивного типа, например, для формирования шкалы времени.

Принцип работы квантового стандарта частоты пассивного типа основан на стабилизации частоты кварцевого генератора по частоте спектральной линии поглощения рабочего перехода квантового дискриминатора [1]. Последнее обеспечивается путем включения подстраиваемого кварцевого генератора в кольцо автоматической подстройки частоты (АПЧ), где в качестве эталона используется частота рабочего перехода квантового дискриминатора. Данный принцип построения квантового стандарта частоты позволяет существенно уменьшить нестабильность частоты выходного сигнала кварцевого генератора, являющегося выходным сигналом квантового стандарта частоты, за интервалы времени измерения, большие 1 сек. При этом шумы, обусловленные элементами кольца АПЧ, осуществляющими преобразование частоты сигнала кварцевого генератора до частоты рабочего перехода квантового дискриминатора, вносят вклад в нестабильность частоты выходного сигнала квантового стандарта частоты ("шумовая" нестабильность), тем самым ограничивая реализацию потенциальных возможностей квантового стандарта частоты.

Среди квантовых стандартов частоты рассматриваемого типа известен, например, квантовый стандарт частоты на газовой ячейке [2], содержащий последовательно соединенные в замкнутое кольцо АПЧ подстраиваемый кварцевый генератор, фазовый модулятор, преобразователь частоты, квантовый дискриминатор и формирователь управляющего напряжения для подстраиваемого кварцевого генератора, при этом второй вход формирователя управляющего напряжения соединен с вторым выходом фазового модулятора. Выходом квантового стандарта частоты [2] является выход селективного усилителя, подключенного к выходу подстраиваемого кварцевого генератора. Для выходного сигнала квантового стандарта частоты [2] , снимаемого с выхода указанного селективного усилителя, характерна нестабильность частоты, обусловленная влиянием шумов фазового модулятора и преобразователя частоты.

Известен квантовый стандарт частоты [3], содержащий последовательно соединенные в замкнутое кольцо АПЧ подстраиваемый кварцевый генератор, преобразователь частоты, квантовый дискриминатор и устройство управления подстраиваемым кварцевым генератором, а также низкочастотный генератор, выход которого соединен с вторыми входами указанных преобразователя частоты и устройства управления. В состав указанного устройства управления входят блок обработки сигнала ошибки и интегратор. Выходной сигнал квантового стандарта частоты [3] снимается с выхода подстраиваемого кварцевого генератора. Для выходного сигнала характерна нестабильность частоты, обусловленная влиянием шумов преобразователя частоты и низкочастотного генератора.

По технической сущности наиболее близким к заявляемому изобретению является квантовый стандарт частоты на газовой ячейке [4], который принят в качестве прототипа. Квантовый стандарт частоты, принятый в качестве прототипа, содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо АПЧ подстраиваемый кварцевый генератор, умножитель частоты, преобразователь частоты, квантовый дискриминатор и формирователь управляющего напряжения, подстраивающего кварцевый генератор по частоте, а также синтезатор частоты, первый и второй выходы которого соединены соответственно с вторым входом преобразователя частоты и вторым входом формирователя управляющего напряжения, а вход соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора, при этом выход подстраиваемого кварцевого генератора является выходом квантового стандарта частоты.

Работа квантового стандарта частоты, принятого в качестве прототипа, осуществляется следующим образом. Выходной сигнал подстраиваемого кварцевого генератора поступает на вход синтезатора частоты. На основе этого сигнала в синтезаторе частоты формируется низкочастотный сигнал, частота которого равна полуширине контура линии квантового дискриминатора (порядка сотни герц). Этот низкочастотный сигнал снимается с второго выхода синтезатора частоты. Кроме того, в синтезаторе частоты формируется высокочастотный сигнал, модулированный по фазе или частоте указанным низкочастотным сигналом. Этот высокочастотный модулированный сигнал снимается с первого выхода синтезатора частоты. Выходной сигнал подстраиваемого кварцевого генератора поступает также на вход умножителя частоты, который формирует на своем выходе сигнал с частотой, увеличенной в целое число раз. С выхода умножителя частоты сигнал поступает на первый вход преобразователя частоты, на второй вход которого поступает высокочастотный модулированный сигнал с первого выхода синтезатора частоты.

В результате нелинейного (например, квадратичного) преобразования своих входных сигналов в преобразователе частоты образуются промодулированные гармоники с несущими частотами, равными сумме и разности частот входных сигналов. Одна из гармоник с несущей частотой, равной, например, сумме частот, совпадающей с частотой рабочего перехода квантового дискриминатора, отфильтровывается и используется в качестве выходного сигнала преобразователя частоты. Выходной сигнал преобразователя частоты подается на вход квантового дискриминатора, на выходе которого в результате взаимодействия с рабочим веществом появляется сигнал ошибки, содержащий гармоники, кратные частоте низкочастотной модуляции выходного сигнала синтезатора частот. Сигнал ошибки поступает на первый (сигнальный) вход формирователя управляющего напряжения, где первая гармоника сигнала ошибки усиливается, синхронно детектируется относительно фазы опорного сигнала, поступающего со второго выхода синтезатора частоты на второй (опорный) вход формирователя управляющего напряжения, после чего фильтруется, например, с помощью фильтра нижних частот с выделением постоянной составляющей.

Полярность полученного таким образом управляющего напряжения несет информацию о знаке рассогласования несущей частоты выходного сигнала преобразователя частоты относительно частоты рабочего перехода квантового дискриминатора, а значение напряжения - информацию о величине рассогласования. Управляющее напряжение подается на управляющий вход подстраиваемого кварцевого генератора, изменяя частоту его выходного сигнала так, чтобы частота несущей выходного сигнала преобразователя частоты равнялась частоте рабочего перехода квантового дискриминатора. Тем самым, за счет кольца АПЧ стабильность частоты подстраиваемого кварцевого генератора и формируемого им выходного сигнала квантового стандарта частоты определяется стабильностью частоты рабочего перехода квантового дискриминатора. Работа кольца АПЧ обеспечивает прежде всего компенсацию ухода частоты кварцевого генератора, вызванного его старением, тем самым улучшая "средневременную" (время измерения от 1 до 1000 с) и "долговременную" (время измерения, превышающее 1000 с) нестабильность частоты. Однако при этом нестабильность частоты, обусловленная шумами элементов кольца АПЧ, в полной мере не устраняется.

Отличительной особенностью квантового стандарта частоты, принятого в качестве прототипа, является удобство использования его для формирования шкалы времени. Объясняется это наличием в его составе синтезатора частоты, формирующего для преобразования частоты сигнал, частота несущей которого не находиться в целочисленном соотношении с частотой кварцевого генератора. Это позволяет использовать кварцевый генератор с любым нужным для целей формирования шкалы времени значением частоты, например 5 МГц.

Недостатком данного квантового стандарта частоты является значительный вклад "шумовой" компоненты в нестабильность частоты выходного сигнала квантового стандарта частоты, снимаемого с выхода кварцевого генератора.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является формирование выходного сигнала квантового стандарта частоты, характеризующегося меньшей "шумовой" нестабильностью частоты. Технический результат, получаемый в случае реализации заявляемого изобретения, заключающийся в получении на выходе квантового стандарта частоты сигнала с меньшей "шумовой" нестабильностью частоты, позволяет с большей эффективностью использовать этот сигнал в целях формирования шкалы времени.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в квантовый стандарт частоты, содержащий последовательно соединенные в замкнутое кольцо АПЧ подстраиваемый кварцевый генератор, умножитель частоты, преобразователь частоты, квантовый дискриминатор и формирователь управляющего напряжения, выход которого подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора, а также синтезатор частоты, первый и второй выходы которого соединены соответственно с вторым входом преобразователя частоты и вторым входом формирователя управляющего напряжения, а вход соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора, дополнительно введен делитель частоты, вход которого подключен к выходу умножителя частоты, при этом выход делителя частоты образует выход квантового стандарта частоты.

Особенность заявляемого технического решения заключается в новом построении выходной части квантового стандарта частоты - с учетом свойств флуктуационных процессов, протекающих в кольце АПЧ, что позволяет формировать выходной сигнал с меньшей "шумовой" нестабильностью частоты.

Сущность заявляемого изобретения, его реализуемость и возможность промышленного применения поясняется структурной схемой, представленной на чертеже.

Заявляемый квантовый стандарт частоты содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо АПЧ подстраиваемый кварцевый генератор 1, умножитель частоты 2, преобразователь частоты 3, квантовый дискриминатор 4 и формирователь 5 управляющего напряжения, выход которого соединен с управляющим входом подстраиваемого кварцевого генератора 1. В состав квантового стандарта частоты входит также синтезатор частоты 6, первый выход которого соединен со вторым входом преобразователя частоты 3, второй выход соединен с вторым входом формирователя 5 управляющего напряжения, а вход соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора 1. Кроме этого, квантовый стандарт частоты содержит дополнительно введенный делитель частоты 7, вход которого подключен к выходу умножителя частоты 2, а выход образует выход квантового стандарта частоты.

Все элементы квантового стандарта частоты, за исключением делителя частоты 7, являются известными из прототипа элементами, выполняющими те же, что и в прототипе, функции. Дополнительно введенный делитель частоты 7 может быть выполнен, например, на основе промышленно изготавливаемых СВЧ-делителей частоты FI4-DF-010-060, FI4-DF-050-080, FI4-DF-080-120, прескайлеров 1508ИЕ10 и цифровых делителей частоты в микросхемном исполнении с дополнительной фильтрацией основной гармоники при необходимости.

Заявляемый квантовый стандарт частоты работает следующим образом.

Выходной сигнал подстраиваемого кварцевого генератора 1 с частотой, равной f₁, поступает на вход синтезатора частоты 6. На основе этого сигнала в синтезаторе частоты 6 формируется (например, путем деления частоты) низкочастотный сигнал с частотой F_М, снимаемый со второго выхода синтезатора частоты 6. Частота F_М равна полуширине контура линии поглощения квантового дискриминатора (порядка сотни герц). Кроме этого, в синтезаторе частоты 6 формируется снимаемый с первого выхода синтезатора частоты 6 высокочастотный сигнал U_СЧ с несущей частотой f_СЧ=K_СЧ•f₁, где K_СЧ - коэффициент преобразования частоты синтезатора (дробное число). Этот высокочастотный сигнал промодулирован, например, по фазе указанным низкочастотным сигналом с частотой F_M:
U_СЧ = A₁•cos[2π•f_СЧ•t+θ(t)],
где θ(t)=D•sin(2π•F_M•t); t - время.

Выходной сигнал подстраиваемого кварцевого генератора 1 поступает также на вход умножителя частоты 2 с коэффициентом умножения частоты N, который умножает частоту входного сигнала в целое число раз до частоты, равной f_УЧ= N•f₁. Причем N>>K_СЧ и f_УЧ>>f_СЧ>>f_F.

С выхода умножителя частоты 2 сигнал U_УЧ=A₂•cos(2π•f_УЧ•t) поступает на вход дополнительно введенного делителя частоты 7. В делителе частоты 7 входной сигнал, представляющий собой аналоговый гармонический сигнал, делится по частоте в целое число раз. Выходной сигнал делителя частоты 7 является выходным сигналом квантового стандарта частоты и в зависимости от дальнейшего использования может иметь вид импульсной периодической последовательности или гармонического сигнала. При этом гармонический сигнал формируется из импульсной периодической последовательности путем дополнительной фильтрации ее основной гармоники.

С выхода умножителя частоты 2 сигнал U_УЧ=A₂•cos(2π•f_УЧ•t) поступает также на первый вход преобразователя частоты 3. На второй вход преобразователя частоты 3 с первого выхода синтезатора частоты 6 поступает высокочастотный модулированный сигнал U_CЧ=A₁•cos[2π•f_CЧ•t+θ(t)]. В результате преобразования (например, квадратичного) этих входных сигналов в преобразователе частоты 3 образуются гармоники с частотами, равными n•f_УЧ±m•f_CЧ, где n и m - целые числа. Эти гармоники промодулированы по фазе с частотой F_M. Одна из этих гармоник, несущая частота которой, равная, например, сумме частот f_УЧ+f_CЧ, совпадает с частотой f₀ рабочего перехода квантового дискриминатора, отфильтровывается и используется в качестве выходного сигнала преобразователя частоты 3:
U_ПЧ=K_ПЧ•А₁•А₂•cos[2π•(f_УЧ+f_CЧ)•t+θ(t)],
где K_ПЧ - коэффициент передачи преобразователя частоты 3.

Выходной сигнал преобразователя частоты 3 подается на вход квантового дискриминатора 4, на выходе которого в результате взаимодействия с рабочим веществом появляется сигнал ошибки, содержащий гармоники, кратные частоте F_М низкочастотной модуляции преобразователя частоты 3. Этот сигнал поступает на первый вход формирователя 5 управляющего напряжения. В формирователе 5 первая гармоника сигнала ошибки выделяется (фильтруется), усиливается, синхронно детектируется относительно фазы опорного сигнала, поступающего с второго выхода синтезатора частоты 6, после чего посредством низкочастотной фильтрации (с помощью фильтра нижних частот или интегратора) из нее выделяется постоянная составляющая.

Полярность полученного таким образом управляющего напряжения содержит информацию о знаке рассогласования частоты несущей выходного сигнала преобразователя частоты 3 относительно частоты f₀ рабочего перехода квантового дискриминатора 4, а значение напряжения - информацию о величине рассогласования. Управляющее напряжение поступает на управляющий вход подстраиваемого кварцевого генератора 1, изменяя его частоту так, чтобы частота несущей выходного сигнала преобразователя частоты 3 равнялась частоте f₀ рабочего перехода квантового дискриминатора 4. При возмущении частоты, а также фазы и амплитуды выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 это возмущение нелинейным образом преобразуется умножителем частоты 2, преобразователем частоты 3 и квантовым дискриминатором 4 с образованием на выходе квантового дискриминатора сигнала ошибки, который после прохождения через формирователь 5 управляющего напряжения перестраивает частоту подстраиваемого кварцевого генератора 1 до исчезновения сигнала ошибки на выходе квантового дискриминатора 4.

Таким образом, за счет кольца АПЧ нестабильность частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1 определяется нестабильностью частоты f₀ рабочего перехода квантового дискриминатора 4. При этом, как уже отмечалось выше, работа кольца АПЧ улучшает "долговременную" нестабильность частоты, компенсируя прежде всего уход частоты кварцевого генератора, вызванный его старением, а нестабильность частоты за "средние" и "длительные" интервалы времени измерения (более 1 сек), обусловленная, в частности, шумами элементов, в полной мере кольцом АПЧ не устраняется.

Аналитическая оценка шумового вклада элементов кольца АПЧ в нестабильность частоты показала, что наименьшей нестабильностью частоты в относительных единицах обладает сигнал, который непосредственно сравнивается с частотой f₀ рабочего перехода квантового дискриминатора 4, т.е. несущая выходного сигнала преобразователя частоты 3. Несколько большее значение нестабильности частоты имеет выходной сигнал умножителя частоты 2, а наибольшее значение нестабильности частоты имеет сигнал подстраиваемого кварцевого генератора 1.

Обнаруженную неравномерность распределения нестабильности частоты в кольце АПЧ можно объяснить следующим. Любое возмущение частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1 можно охарактеризовать спектральной плотностью шумового возмущения. При прохождении сигнала по кольцу АПЧ от подстраиваемого кварцевого генератора 1 до квантового дискриминатора 4 осуществляется нелинейное преобразование шумового возмущения с искажением спектральной плотности возмущения. В силу этих искажений отработка кольцом АПЧ исходного возмущения частоты на выходе подстраиваемого кварцевого генератора 1 по искаженной спектральной плотности возмущения на выходе преобразователя частоты 3 (на входе квантового дискриминатора 4) уже не может быть полноценной для кварцевого генератора 1, т. к. кольцо АПЧ отрабатывает возмущения во входном сигнале квантового дискриминатора 4 (в выходном сигнале преобразователя частоты 3), которые не связаны линейно с возмущениями на выходе кварцевого генератора 1.

Основные изменения спектральной плотности возмущения подстраиваемого кварцевого генератора 1 происходят при высокократном умножении частоты выходного сигнала кварцевого генератора 1 в умножителе частоты 2, т.е. в элементе кольца АПЧ, имеющем наибольшую степень нелинейности и кратности преобразования частоты. Умножитель частоты 2 увеличивает фазовые флуктуации в N раз, а амплитудные в М раз, где М - степень нелинейности умножителя частоты [5] . При этом спектральные плотности фазовых и амплитудных флуктуаций увеличиваются, соответственно, в N² и М² раз. Причем с ростом коэффициента умножения частоты N спектр исходного возмущения расширяется, т.е. происходит дополнительное искажение спектральной плотности [5]. Кроме того, наличие корреляции между фазовыми (частотными) и амплитудными флуктуациями (например, вследствие изменения температуры подстраиваемого кварцевого генератора 1) также приводит к искажению спектра, выражающемуся в асимметрии распределения спектральной плотности шума (возмущения) [6].

Помимо указанного, на искажение спектральной плотности оказывают влияние собственные шумы умножителя частоты 2 и преобразователя частоты 3. Наличие данных шумов особенно в низкочастотной части спектра, прежде всего за счет изменения температуры окружающей среды, обуславливает увеличение спектральной плотности шумов на выходах умножителя частоты 2 и преобразователя частоты 3 по сравнению со спектральной плотностью исходного шума подстраиваемого кварцевого генератора 1.

Основываясь на обнаруженных свойствах флуктуационных процессов, протекающих в кольце АПЧ квантового стандарта частоты, в заявляемом квантовом стандарте частоты применено новое построение его выходной части, а именно для формирования выходного сигнала квантового стандарта частоты использован дополнительно введенный делитель частоты 7, подключенный к выходу умножителя частоты 2, выходной сигнал которого характеризуется меньшей нестабильностью частоты, чем сигнал на выходе подстраиваемого кварцевого генератора 1. В результате выходной сигнал заявляемого квантового стандарта частоты характеризуется меньшей нестабильностью частоты, по сравнению с сигналом, снимаемым традиционным образом непосредственно с выхода подстраиваемого кварцевого генератора.

Таким образом, вышеизложенное показывает, что заявляемое изобретение технически осуществимо, промышленно реализуемо и решает поставленную задачу по формированию выходного сигнала, характеризующегося меньшей "шумовой" нестабильностью частоты, а следовательно, меньшей нестабильностью частоты за интервалы времени измерения, большие 1 сек, по сравнению с прототипом.

Источники информации
1. А. И. Пихтелев, А.А. Ульянов, Б.П. Фатеев и др. Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов. М.: Сов. радио. 1978.

2. GB 1384809, "Atomic frequency standard". МКИ² Н 03 В 3/12, G 01 N 21/24, H 10 P 7/06, опубл. 19.02.1975.

3. RU 2034380, "Квантовый стандарт частоты", МКИ⁶ H 01 S 1/06, опубл. 30.04.1995.

4. F. Emma, G. Busca, P. Rochat. Atomic Clocks for Space Applications. //ION GRS-99 Proceedings, 1999, p.2285-2293 (прототип).

5. С. А. Ахманов, Ю.Е. Дьяков, А.С. Чиркин. Введение в статистическую радиофизику и оптику. М.: Наука, 1981, с.347-357.

6. F.L. Walls. Correlation Between Upper and Lower Sidebands.//IEEE Trans. Ultr. Ferroel. and Freq. Control, v.47, 2, 2000, p.407-410.

Изобретение относится к технике стабилизации частоты и может быть использовано для формирования шкалы времени. Достигаемый технический результат - получение сигнала с меньшей шумовой нестабильностью частоты. Квантовый стандарт частоты содержит соединенные в кольцо подстраиваемый кварцевый генератор, умножитель частоты, преобразователь частоты, квантовый дискриминатор и формирователь управляющего напряжения, а также синтезатор частоты, делитель частоты. 1 ил.

Квантовый стандарт частоты, содержащий последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, умножитель частоты, преобразователь частоты, квантовый дискриминатор и формирователь управляющего напряжения, выход которого подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора, а также синтезатор частоты, первый и второй выходы которого соединены соответственно с вторым входом преобразователя частоты и вторым входом формирователя управляющего напряжения, а вход соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора, отличающийся тем, что дополнительно введен делитель частоты, вход которого подключен к выходу умножителя частоты, при этом выход делителя частоты образует выход квантового стандарта частоты.