Способ автоматической настройки резонатора водородного генератора Российский патент 2021 года по МПК H01S1/00 

Изобретение относится к области квантовых стандартов частоты и может быть использовано при разработке и производстве водородных стандартов частоты (ВСЧ).

В ВСЧ частоты выходных сигналов (5, 10, 100 МГц) жестко привязаны системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) к частоте генерации водородного генератора (ВГ). Основным дестабилизирующим фактором, влияющим на частоту ВГ, является расстройка СВЧ резонатора, поэтому в ВСЧ используется система автоматической настройки резонатора (АНР), позволяющая стабилизировать собственную частоту резонатора, которая изменяется из-за влияния старения, климатических и механических воздействий. Относительное изменение частоты генерации ВГ выражается формулой:

где: Q_p=5⋅10⁴ - добротность резонатора ВГ;

Q_вг=1⋅10⁹ - добротность линии излучения атомов водорода;

- относительное изменение частоты генерации ВГ;

- относительное изменение частоты резонатора.

Из формулы (1) видно, что для обеспечения относительной нестабильности ВГ 1⋅10^-15 необходимо поддерживать резонансную частоту резонатора F_р=1420405,7…МГц с относительной погрешностью не более 2⋅10^-11, то есть не более 0,03 Гц. Поддержание с такой высокой точностью заданной собственной частоты СВЧ резонатора ВГ обеспечивается системаой АНР.

В автономных ВСЧ применяются системы АНР с амплитудным критерием настройки, не требующие применения внешнего высокостабильного сигнала. Суть метода амплитудной настройки заключается в частотной модуляции резонатора ВГ или специального зондирующего сигнала (ЗС), в результате чего на сигнале генерации или сигнале ЗС появляется амплитудная модуляция (AM) по величине и фазе которой можно судить о степени расстройки резонатора. При точной настройке резонатора на частоту зондирующего сигнала, AM отсутствует. Это и является амплитудным критерием настройки, по которому следящая система АНР с помощью варикапа поддерживает резонансную частоту резонатора. Потенциальная точность поддержания заданной частоты резонатора таких систем АНР определяется отношением сигнал/шум полезного амплитудно-модулированного сигнала АНР, по которому за время, определяемое постоянной времени системы регулирования, вырабатывается сигнал управления частотой резонатора.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен способ АНР с модуляцией собственной частоты резонатора; на фиг. 2 представлен способ АНР с внешним зондирующим ЧМ сигналом; на фиг. 3 представлена функциональная схема системы использующий способ автоматической настройки резонатора с помощью зондирующего ЧМ сигнала; на фиг. 4 представлена функциональная схема системы использующий предлагаемый способ автоматической настройки резонатора с немодулированным зондирующим сигналом из двух гармоник.

Известен способ АНР с частотной модуляцией резонатора ВГ [1, 2], использующий амплитудный критерий настройки (Фиг. 1). Частотная модуляция (ЧМ) собственной частоты резонатора выполняется петлей связи с помощью варикапа или переключающего диода. При этом в случае отстройки средней частоты резонатора , от частоты генерации в сигнале ВГ появляется амплитудная модуляция. Причем глубина AM зависит от степени расстройки резонатора, а фаза от знака отстройки частоты резонатора относительно . При AM отсутствует. После усиления и преобразования к промежуточной частоте сигнал ВГ детектируется амплитудным детектором. Затем из сигнала огибающей AM с помощью синхронного детектора получают сигнал ошибки АНР, который используется следящей системой для стабилизации частоты резонатора.

Способ АНР с модуляцией собственной частоты резонатора является простым, поэтому довольно широко применяются в ВСЧ, однако его возможности ограничиваются небольшим отношением сигнал/шум определяемым сигналом генерации ВГ, который одновременно является зондирующим сигналом для АНР. Поэтому ВСЧ с таким способом АНР имеют недостаточно высокие метрологические характеристики, особенно на коротких интервалах времени (до 1000 с).

Известен также способ АНР с внешним частотно модулированным (ЧМ) зондирующим сигналом, вводимым в резонатор [3], получаемым из выходного сигнала ВСЧ (Фиг. 2), который имеет потенциальные возможности по точности настройки резонатора, ввиду того, что мощность ЗС может быть значительно больше сигнала генерации ВГ. Поэтому ВСЧ с таким способом АНР, обладающим отношением сигнал/шум, имеют более высокие метрологические характеристики. Однако такой способ АНР более сложный, так как требуют высокой точности поддержания значений частот ЗС и высокой степени одинаковости амплитуд при ЧМ модуляции, что может быть реализовано с помощью цифровых синтезаторов. Прошедший через резонатор ЗС, в котором появляется AM, то есть сигнал АНР, требует цифровой обработки.

Реализация способа АНР с зондирующим частотно манипулированным сигналом с непрерывной фазой (ЧМ) приведена на Фиг. 3. Формирование ЗС и обработка сигнала АНР выполняется в блоке автоматической подстройки частоты (БАПЧ) 10.

Зондирующий сигнал формируется из сигнала вспомогательного кварцевого генератора f₀=142 МГц 18, привязанного системой ФАПЧ 16 к частоте выходного сигнала 100 МГц ВСЧ, и сигнала цифрового синтезатора 25. Цифровой синтезатор, из тактового сигнала 50 МГц, получаемого путем деления частоты сигнала 100 МГц на два делителем частоты 11, вырабатывает ЧМ сигнал с подавленной несущей частотой f₀ ≈ 405,7 кГц, девиацией частоты ΔF_м ≈ 15 кГц (примерно равной полуширине полосы пропускания резонатора ВГ) и частотой модуляции F_м, задаваемой делителем частоты 19 на 2²² и равной F_м ≈ 11,9 Гц. То есть (405,7±ΔF_м) кГц. Все параметры частоты ЗС привязаны к сигналу 100 МГц. Амплитуда выходного сигнала цифрового синтезатора не зависит от формируемых частот, так как задаются цифровыми кодами. Далее сигналы от вспомогательного кварцевого генератора f₀=142 МГц и цифрового синтезатора (405,7±ΔF_м) кГц объединяются в сумматоре 24 и подаются на смесительную петлю связи 4, расположенную в резонаторе 2 водородного генератора 1. В СВЧ резонаторе зондирующий сигнал (1420405,7±ΔF_м) кГц образуется из десятой гармоники сигнала 142 МГц и ЧМ сигнала (405,7±ΔF_м) кГц цифрового синтезатора. Мощность ЗС при этом оказывается вполне достаточной для работы системы АНР.

Прошедший через резонатор ЗС (сигнал АНР) снимается с петли связи 5, усиливается усилителем СВЧ 6, преобразуется в смесителе 7 к частоте 20,4 МГц с помощью гетеродинной частоты 1400 МГц от умножителя частоты 8 путем умножения выходной частоты ВСЧ 100 МГц на 14, усиливается усилителем 9 и подается в блок БАПЧ. При этом величина AM сигнала АНР зависит от степени расстройки резонатора ВГ относительно центральной частоты ЗС. При точной настройке резонатора AM отсутствует.

Сигнал АНР 20,4 МГц преобразуется в смесителе 13 к промежуточной частоте 4,6 МГц с помощью гетеродинной частоты 25 МГц, получаемой делением на два частоты 50 МГц делителем частоты 12. Далее этот сигнал подается на вход синхронного детектора 14, который с помощью сигнала опорной частоты 4,6 МГц кварцевого генератора 15, восстанавливающего несущую, выделяет сигнал АНР на частоте ΔF_м ≈ 15 кГц. Затем он усиливается избирательным усилителем 17 с узкой полосой пропускания и оцифровывается с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 21 с тактовой частотой 12,5 МГц получаемой делением на четыре частоты 50 МГц делителем частоты 20. Отсчеты с АЦП поступают на сигнальный процессор 26. На основании этих данных процессор вычисляет амплитуду и фазу сигнала АНР 15 кГц за каждый полупериод частоты модуляции F_м=H,9 Гц.

Синхронное детектирование позволяет из ЧМ-АМ сигнала АНР 4,6 МГц получить чистый AM сигнал АНР на частоте модуляции 15 кГц. Для этого с помощью системы ФАПЧ можно установить такую частоту и фазу кварцевого генератора 4,6 МГц, при которых в выходном сигнале синхронного детектора будут отсутствовать ФМ и ЧМ. Для этого в программе сигнального процессора реализована функция частотно-фазового детектора. По вычисленным процессором значениям фаз, используя критерии минимизации ЧМ и ФМ, вычисляется сигнал ошибки, который далее интегрируется. Затем, с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 22, из него вырабатывается напряжение, управляющее частотой и фазой КГ 4,6 МГц, при котором в сигнале АНР 15 кГц отсутствуют ЧМ и ФМ, что позволяет эффективно выделять АМ-сигнал АНР с помощью узкополосного усилителя 17.

По вычисленным процессором значениям амплитуд определяется разность за каждый период модуляции, которая далее интегрируется. Затем, с помощью ЦАП 23, вырабатывается управляющее напряжение, которое подается на петлю варикапа 3 резонатора и обеспечивающее стабилизацию заданного значения его резонансной частоты.

Недостатком данного способа АНР является то, что формирование частотно-модулированного ЗС и синхронное детектирование ЧМ сигнала АНР происходит путем нелинейных преобразований. При этом частотно-модулированный ЗС содержит широкий спектр гармоник кратных 2F_м. Гармоники, находящиеся вблизи сигнала ВГ, оказывают влияние на частоту генерации, вызывая увеличение нестабильности частоты. Шумы сигнала АНР ограничивают точность восстановления фазы несущей, используемой для синхронного детектирования, что ухудшает точность поддержания частоты резонатора и, соответственно, увеличивает нестабильность частоты ВГ. Кроме того, в моменты переключения частоты при частотной модуляции ЗС в резонаторе возникает "звон", создающий помехи на частоте генерации ВГ, которые влияют на систему привязки частоты КГ выходного сигнала ВСЧ к сигналу ВГ, снижая надежность синхронизации вплоть до ее срыва. Все это ограничивает мощность ЗС на уровне 10-15 dB относительно сигнала генерации.

Технической задачей изобретения является повышение точности стабилизации частоты резонатора ВГ за счет увеличения допустимой мощности зондирующего сигнала, увеличения отношения сигнал/шум системы АНР, а также за счет улучшения стабильности формирования ЗС и обработки сигнала АНР, приводящих к уменьшению нестабильности частоты ВГ на малых и больших интервалах времени от 10 с до 10 суток.

Технический результат предложенного решения способа АНР водородного генератора состоит в уменьшении нестабильности частоты ВСЧ за счет использования линейных преобразований как при формировании ЗС без частотной модуляции, так и при обработке сигнала АНР, которые могут быть реализованы с помощью цифровой обработки сигнала.

В предложенном решении ЗС образуется путем сложения последовательностей кодов от двух цифровых синтезаторов, формирующих коды сигналов одинаковой амплитуды с частотами (f-ΔF) кГц и (f+ΔF) кГц, где f=405,7 кГц, из которых с помощью ЦАП получается аналоговый сигнал, состоящий из двух гармоник строго одинаковой амплитуды. Причем значения частот и равенство их амплитуд не зависят от времени, параметров внешней среды и напряжения питания, так как они сформированы из стабильного выходного сигнала стандарта частоты прямым цифровым синтезом с помощью одного и того же ЦАП. Далее этот сигнал с помощью десятой гармоники n=10 сигнала f₀=142 МГц, удовлетворяющих условию: f_ВГ=nf₀+f=10⋅142000+405,7=1420405,7 кГц, переносится на частоту ВГ, образуя в резонаторе зондирующий сигнал, состоящий из двух гармоник (1420405,7-ΔF) кГц и (1420405,7+ΔF) кГц, где ΔF примерно равно полуширине резонансной кривой резонатора ВГ (около 15 кГц). При этом вблизи сигнала ВГ не образуется паразитных сигналов, влияющих на частоту генерации. Под воздействием амплитудно-частотной характеристики резонатора ВГ в зондирующем сигнале появляется разность амплитуд между двумя этими гармониками, которая зависит от степени расстройки резонатора. При точной настройке резонатора амплитуды гармоник становятся одинаковыми. То есть используется амплитудный критерий настройки резонатора. Снимаемый с резонатора сигнал АНР усиливается, преобразуется к промежуточной частоте f_ПЧ=4,6 МГц, затем с помощью АЦП оцифровывается и в дальнейшем обрабатывается по специально разработанному алгоритму. Методом цифровой обработки сигнала реализуется фильтрация обеих гармоник ЗС, определяются их амплитуды, вычисляется разность амплитуд, которая затем интегрируется и на основании этих данных с помощью ЦАП вырабатывается напряжение, подаваемое на варикап резонатора ВГ для стабилизации его резонансной частоты. Формирование ЗС путем прямого цифрового синтеза и его цифровая фильтрация после прохождения через резонатор являются линейными операциями, не создающими дополнительных помех и шумов, что дает возможность увеличить мощность ЗС до 25-30 dB относительно сигнала генерации, тем самым повысить точность поддержания резонансной частоты резонатора ВГ и, соответственно, уменьшить нестабильность частоты ВСЧ. Максимальная допустимая мощность ЗС ограничивается, главным образом, нелинейностью приемно-усилительного тракта системы АНР.

Реализация предлагаемого способа АНР представлена на Фиг. 4. Зондирующий сигнал формируется из сигнала вспомогательного кварцевого генератора f₀=142 МГц 18, привязанного системой ФАПЧ 16 к частоте выходного сигнала 100 МГц ВСЧ, и сигналов двух цифровых синтезаторов 30 и 31. Цифровые синтезаторы из тактового сигнала 100 МГц формируют последовательности кодов двух частот (405,7-ΔF) кГц и (405,7+ΔF) кГц одинаковой амплитуды, которые затем складываются в сумматоре кодов 32. Далее ЦАП 33 вырабатывает из суммарного кода аналоговый зондирующий сигнал, состоящий из двух гармоник одинаковой амплитуды. Затем они объединяются с сигналом КГ 142 МГц в сумматоре 24 и подаются на смесительную петлю связи 4, расположенную в резонаторе 2 водородного генератора 1. В СВЧ резонаторе выделяется зондирующий сигнал, состоящий из двух гармоник (1420405,7-ΔF) кГц и (1420405,7+ΔF) кГц, образуемый из десятой гармоники сигнала 142 МГц и сигналов (405,7-ΔF) кГц и (405,7+ΔF) кГц. Снимаемый с петли связи 5 резонатора сигнал АНР усиливается усилителем СВЧ 6, преобразуется в смесителе 7 к частоте 20,4 МГц с помощью гетеродинной частоты 1400 МГц, полученной от умножителя частоты 8 путем умножения выходной частоты ВСЧ 100 МГц на 14, усиливается усилителем 9 и подается в блок БАПЧ.

В БАПЧ сигнал АНР 20,4 МГц преобразуется в смесителе 13 к промежуточной частоте f_ПЧ=4,6 МГц с помощью гетеродинной частоты 25 МГц от делителя частоты 12 путем деления на два частоты 50 МГц, получаемой из формирователя тактовых импульсов 27. Далее сигнал АНР 4,6 МГц оцифровывается АЦП 28, отсчеты с которого поступают на программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС) 29. В ПЛИС с помощью цифровой фильтрации выделяются составляющие сигнала АНР (4,6-ΔF) МГц и (4,6+ΔF) МГц, которые передается на сигнальный процессор 34. Сигнальный процессор вычисляет их амплитуды, по разности амплитуд определяет сигнал ошибки и на основании этих данных в режиме реального времени вычисляет управляющий сигнал, из которого затем с помощью ЦАП 35 вырабатывается напряжение, подаваемое на петлю варикапа 3 резонатора ВГ 1 для стабилизации его резонансной частоты.

Этим достигается технический результат предложенного способа автоматической настройки резонатора, который за счет использования линейных преобразований при формировании зондирующего сигнала без частотной модуляции и при его обработке, реализуемых с помощью цифровой обработки сигналов, позволяют увеличить допустимую мощность зондирующего сигнала и тем самым повысить точность стабилизации резонансной частоты резонатора ВГ и, соответственно, уменьшить нестабильность частоты ВСЧ.

На интервалах времени 1-10 суток нестабильность частоты ВСЧ может быть уменьшена не менее чем в 2 раза по сравнению с способом АНР с зондирующим ЧМ сигналом, и до 5 раз по сравнению с способом АНР с модуляцией собственной частоты резонатора.

Литература

1. Гайгеров Б.А., Елкин Г.А. Автоматическая настройка водородного эталона частоты. Измерительная техника. 1968, №6, с 90.

2. Гайгеров Б.А., Русин Ф.С., Польников Н.И., Сысоев В.П., Овчинников С.Н Перевозимые квантовые часы на основе водородного генератора с малогабаритным резонатором. Измерительная техника. 1989, №4, с 17.

3. Б.А. Гайгеров, В.П. Сысоев, Ю.С. Самохвалов. Активный транспортируемый водородный стандарт частоты с цифровой системой АНР. Исследования по метрологии времени и пространства: Труды ВНИИФТРИ. Вып. 50(142). М2005. С. 57-70.

Изобретение относится к области квантовых стандартов частоты и может быть использовано в водородных стандартах частоты. Задачей изобретения является повышение точности стабилизации частоты резонатора водородного генератора (ВГ), приводящее к уменьшению нестабильности частоты ВГ на малых и больших интервалах времени от 10 с до 10 суток. Применение предложенного способа автоматической настройки резонатора, который за счет использования линейных преобразований при формировании зондирующего сигнала без частотной модуляции и при его обработке, реализуемые с помощью высокоскоростной вычислительной техники, позволяют увеличить допустимую мощность зондирующего сигнала, увеличить отношение сигнал/шум системы АНР и тем самым повысить точность стабилизации резонансной частоты резонатора ВГ и, соответственно, уменьшить нестабильность частоты ВСЧ. Нестабильность частоты водородного стандарта частоты на интервалах времени 1-10 суток может быть уменьшена от двух до пяти раз по сравнению с аналогами. 4 ил.

Способ автоматической настройки резонатора АНР водородного генератора с амплитудным критерием настройки, в котором зондирующий сигнал образован из выходной частоты стандарта путем сложения последовательностей кодов от двух цифровых синтезаторов, формирующих сигналы одинаковой амплитуды с частотами (f-ΔF) и (f+ΔF), где ΔF равна полуширине полосы пропускания резонатора водородного генератора, из которых с помощью цифроаналогового преобразователя вырабатывается аналоговый сигнал из двух составляющих, который, суммируясь с сигналом вспомогательного кварцевого генератора f₀, удовлетворяющему условию: f_ВГ=nf₀+f либо f_ВГ=nf₀-f, где f_ВГ=1420405,7…кГц - частота генерации водородного генератора, n - номер гармоники частоты вспомогательного кварцевого генератора привязанного схемой ФАПЧ к выходной частоте стандарта, подается на диод смесительной петли связи резонатора, с помощью которой из n-й гармоники сигнала f₀ и сигналов (f-ΔF) и (f+ΔF) в резонаторе образуется зондирующий сигнал из двух составляющих на частоте водородного генератора (1420405,7-ΔF) кГц и (1420405,7+ΔF) кГц, который, проходя через резонатор, снимается с петли связи (сигнал АHР), усиливается и преобразуется к промежуточной частоте f_ПЧ с помощью сигналов гетеродинных частот, формируемых из выходной частоты стандарта, затем оцифровывается аналогово-цифровым преобразователем, отсчеты с которого поступают на программируемую логическую интегральную схему, где с помощью способов цифровой обработки сигналов выделяются составляющие сигнала АНР (f_ПЧ-ΔF) и (f_ПЧ+ΔF), подаваемые далее на сигнальный процессор, который вычисляет их амплитуды, по разности амплитуд определяет сигнал ошибки и на основании этих данных в режиме реального времени вычисляет управляющий сигнал, из которого затем с помощью цифроаналогового преобразователя вырабатывается напряжение, поступающее на петлю варикапа резонатора водородного генератора для стабилизации его резонансной частоты.