КВАНТОВЫЙ СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ КОМБИНИРОВАННЫЙ Российский патент 2023 года по МПК H03L7/26 

Заявляемое изобретение относится к технике стабилизации частоты и может быть использовано в квантовых стандартах частоты пассивного типа.

Принцип работы квантового стандарта частоты основан на стабилизации частоты подстраиваемого кварцевого генератора относительно частоты спектральной линии, соответствующей определенному квантовому переходу, реализуемому в квантовом дискриминаторе, см., например, [1] - Риле Ф. Стандарты частоты. Принципы и приложения. - М.: Физматлит, 2009. - 201 - 243 с.

В обобщенном виде структурная схема квантового стандарта частоты содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения, квантовый дискриминатор и блок формирования управляющего напряжения, выход которого подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора, а также блок формирования опорных сигналов, связанный своими выходами с соответствующими входами блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения и блока формирования управляющего напряжения, а входом - с выходом подстраиваемого кварцевого генератора, см., например, патент РФ [2] - RU 2220499 С2, H03L 7/16, H01S 3/10, 27.12.2003. Блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения формирует из выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (гармонического сигнала с частотой f₁) модулированный по фазе (частоте) СВЧ сигнал радиочастотного возбуждения, номинальное значение несущей частоты f₂ которого соответствует частоте f₀ рабочего атомного перехода квантового дискриминатора. Частота f₀ стабильна и поэтому используется в качестве эталона для подстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора. Квантовый дискриминатор формирует на своем выходе сигнал, несущий информацию об отклонении текущего значения частоты f₂ от эталонной частоты f₀. Блок формирования управляющего напряжения на основе выходного сигнала квантового дискриминатора формирует сигнал ошибки, а затем путем интегрирования формирует управляющее напряжение для подстраиваемого кварцевого генератора. Под действием управляющего напряжения частота f₁ выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора и связанная с ней несущая частота f₂ сигнала радиочастотного возбуждения изменяются в сторону уменьшения сигнала ошибки, осуществляя тем самым стабилизацию частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора относительно эталонной частоты f₀.

Наиболее простым с точки зрения формирования сигнала радиочастотного возбуждения является случай, когда номинальное значение частоты f₁ выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора связано целочисленным соотношением со значением частоты f₀, т.е. f₁=f₀/N, где N - целое число. В этом случае блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения может быть выполнен достаточно просто на основе фазового модулятора и умножителя частоты, реализующего функцию f₂=f₁⋅N, см., например, квантовый стандарт частоты, представленный в патенте США [3] - US 6300841 B1, H03L 7/26, 09.10.2001. Однако, в таком квантовом стандарте частоты номинальное значение частоты f₁ выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора не кратно секунде, что для ряда применений является недостатком, в частности это неудобно для формирования шкалы времени.

Более удобными для практического использования, в том числе для формирования шкалы времени, являются квантовые стандарты частоты, в которых номинальное значение частоты f₁ выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора, используемого в качестве выходного сигнала квантового стандарта частоты, кратно секунде. Однако, поскольку номинальное значение частоты f₁ выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора в этом случае не связано с частотой f₀ рабочего атомного перехода квантового дискриминатора целочисленным соотношением, то это усложняет задачу формирования сигнала радиочастотного возбуждения, требуя применения нелинейного преобразования частоты, реализуемого обычно на основе смесителя, например как в квантовом стандарте частоты, представленном в патенте РФ [4] RU 2378756 С2, H03L 7/16, H01S 1/06, 10.01.2010, выбранном в качестве прототипа.

Прототип заявляемого квантового стандарта частоты, представленный на структурной схеме фиг. 1, содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор 1, выход которого является выходом квантового стандарта частоты, блок 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, квантовый дискриминатор 3 и блок 4 формирования управляющего напряжения, выход которого подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора 1, а также блок 5 формирования опорных сигналов, низкочастотный выход которого соединен с опорным входом блока 4 формирования управляющего напряжения и низкочастотным опорным входом блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, высокочастотный выход соединен с высокочастотным опорным входом блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, а вход соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора 1.

Блок 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения содержит фазовый детектор 6, фильтр 7, управляемый генератор 8, делитель частоты 9, фазовый модулятор 10 и смеситель 11. Первый вход фазового детектора 6 соединен с выходом фазового модулятора 10, второй вход фазового детектора 6 соединен с выходом смесителя 11, выход фазового детектора 6 через фильтр 7 соединен с входом управляемого генератора 8. Первый вход смесителя 11 образует сигнальный вход блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, соединенный с выходом подстраиваемого кварцевого генератора 1. Второй вход смесителя 11 через делитель частоты 9, имеющий коэффициент деления N, где N - целое число, соединен с выходом управляемого генератора 8. Сигнальный вход фазового модулятора 10 образует высокочастотный опорный вход блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, соединенный с высокочастотным выходом блока 5 формирования опорных сигналов. Опорный вход фазового модулятора 10 образует низкочастотный опорный вход блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, соединенный с низкочастотным выходом блока 5 формирования опорных сигналов. Выход управляемого генератора 8 образует выход блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, соединенный с входом радиочастотного возбуждения квантового дискриминатора 3.

Квантовый дискриминатор 3 выполнен на основе газовой ячейки с рабочим веществом в виде паров рубидия Rb⁸⁷ (частота рабочего атомного перехода f₀=6834,68…МГц). Газовая ячейка размещена в СВЧ резонаторе, настроенном на частоту f₀, и оптически связана с источником света оптической накачки и фотодетектором, входящими в состав квантового дискриминатора 3. Радиочастотный вход СВЧ резонатора образует вход радиочастотного возбуждения квантового дискриминатора 3, соединенный с выходом блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, а выход фото детектора образует выход квантового дискриминатора 3, соединенный с сигнальным входом блока 4 формирования управляющего напряжения.

Блок 4 формирования управляющего напряжения выполнен в виде последовательно соединенных усилителя, синхронного детектора и интегратора. При этом вход усилителя образует сигнальный вход блока 4 формирования управляющего напряжения, соединенный с выходом квантового дискриминатора 3, выход интегратора образует выход блока 4 формирования управляющего напряжения, соединенный с управляющим входом подстраиваемого кварцевого генератора 1, а опорный вход синхронного детектора образует опорный вход блока 4 формирования управляющего напряжения, соединенный с низкочастотным выходом блока 5 формирования опорных сигналов.

Блок 5 формирования опорных сигналов выполнен в виде синтезатора частот, формирующего на основе выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 два опорных сигнала - высокочастотный опорный сигнал с частотой f_сч и низкочастотный опорный сигнал с частотой f_м.

Работа квантового стандарта частоты, принятого в качестве прототипа, происходит следующим образом.

Подстраиваемый кварцевый генератор 1 формирует на своем выходе гармонический сигнал частотой f₁, номинальное значение которой кратно секунде, например f₁=10 МГц, и соответственно не кратно частоте f_0pгя рабочего атомного перехода квантового дискриминатора 3. Этот сигнал поступает на вход блока 5 формирования опорных сигналов, где на его основе формируются (синтезируются) высокочастотный опорный сигнал с частотой f_сч и низкочастотный опорный сигнал с частотой f_м. Значение частоты f_сч связано со значением частоты f₁ выражением f_сч=К_сч⋅f₁, где К_сч - коэффициент высокочастотного преобразования (дробное число), а значение частоты f_м связано со значением частоты f₁ выражением f_м=f₁/К_нч, где К_нч - коэффициент низкочастотного преобразования (целое число). Высокочастотный и низкочастотный опорные сигналы поступают на высокочастотный и низкочастотный опорные входы блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, образованные соответствующими входами фазового модулятора 10. Кроме этого низкочастотный опорный сигнал поступает на опорный вход блока 4 формирования управляющего напряжения.

Выходной сигнал подстраиваемого кварцевого генератора 1 поступает также на сигнальный вход блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, на высокочастотный и низкочастотный опорные входы которого поступают высокочастотный и низкочастотный опорные сигналы с соответствующих выходов блока 5 формирования опорных сигналов. На основе этих трех входных сигналов в блоке 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения формируется фазомодулированный (с частотой модуляции f_м) СВЧ сигнал радиочастотного возбуждения, номинальное значение несущей частоты f₂ которого (отвечающее номинальному значению частоты f₁) соответствует частоте f₀ рабочего атомного перехода квантового дискриминатора 3.

Формирование сигнала радиочастотного возбуждения осуществляется с помощью управляемого генератора 8, являющегося выходным элементом схемы фазовой автоподстройки частоты, реализующей функцию повышающего некратного преобразования частоты. Эта схема содержит соединенные в кольцо фазовый детектор 6, фильтр 7, управляемый генератор 8, делитель частоты 9 и смеситель 11, при этом фазовый модулятор 10 является по отношению к этой схеме внешним элементом, обеспечивающим формирование фазомодулированного сигнала сравнения с несущей частотой f_сч для фазового детектора 6. Работа схемы фазовой автоподстройки частоты по формированию сигнала радиочастотного возбуждения происходит следующим образом. Выходной сигнал подстраиваемого кварцевого генератора 1, поступающий на сигнальный вход блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, проходит на первый вход смесителя 11, на второй вход которого через делитель частоты 9, имеющий коэффициент деления N, поступает выходной сигнал управляемого генератора 8, являющийся также выходным сигналом блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения. На выходе смесителя 11 выделяется разностный сигнал промежуточной частоты f_пч=|f₁-f₂/N|, значение которой в установившемся режиме соответствует частоте f_сч. Разностный сигнал промежуточной частоты f_пч далее сравнивается в фазовом детекторе 6 с выходным сигналом фазового модулятора 10, представляющим собой модулированный по фазе с частотой f_м высокочастотный сигнал с несущей частотой f_сч=К_сч⋅f₁. В результате сравнения этих сигналов на выходе фазового детектора 6 формируется сигнал рассогласования, который после фильтрации в фильтре 7, представляющем собой, например, фильтр нижних частот с частотой среза, примерно равной частоте модуляции f_м, поступает на вход управляемого генератора 8, подстраивая его выходной фазомодулированный СВЧ сигнал таким образом, что в установившемся режиме в отношении несущей частоты выполняется равенство f_пч=f_сч, т.е. |f₁-f₂/N|=f_сч, а в отношении фазовой модуляции сохраняется частота модуляции f_м выходного сигнала фазового модулятора 10.

Таким образом, за счет действия схемы фазовой автоподстройки частоты в блоке 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения поддерживается равенство |f₁-f₂/N|=f_сч. Из этого равенства следует, что если номинальное значение частоты f₁ отвечает условию f₁>f₀/N, то текущее значение частоты f₂ связано с частотой f₁ выражением f₂=(f₁-f_сч)⋅N=f₁⋅(1-К_сч)⋅N, а если отвечает условию f₁<f₀/N, то текущее значение частоты f₂ связано с частотой f₁ выражением f₂=(f₁+f_сч)⋅N=f₁⋅(1+К_сч)⋅N. В обоих случаях значение частоты f₂ однозначно определяется частотой f₁ и значениями коэффициентов N и К_сч.

Значения коэффициентов N и К_сч взаимосвязаны и выбор первого из них предопределяет выбор второго. В общем случае выбор коэффициентов N и К_сч может осуществляться в широких пределах, на практике выбор коэффициентов производится исходя из удобства реализации. В частности, коэффициент N может выбираться как ближайшее целое к числу, определяемому отношением f₀/f₁, причем это целое должно представляться произведением простых сомножителей, удобных для реализации. Например, в квантовом стандарте частоты, использующем квантовый дискриминатор 3 на рубидиевой газовой ячейке (f₀=6834,68…МГц), при выбранном номинальном значении частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 f₁=10 МГц значение коэффициента N может быть выбрано как N=2⁹=512, а связанное с ним значение коэффициента К_сч как К_сч=0,334…, при этом f_сч=K_сч⋅f₁=3,34…МГц.

Значение частоты f_м, определяемое выражением f_м=f₁/К_нч, выбирается в соответствии с шириной спектральной линии квантового дискриминатора 3, например, в пределах f_м=(30÷170) Гц, с учетом удобства реализации коэффициента К_нч.

Сформированный рассмотренным образом выходной сигнал управляемого генератора 8, являющийся выходным сигналом блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, не содержит в своем спектре нежелательных составляющих, обусловленных нелинейными процессами некратного преобразования частоты в смесителе 11, что объясняется фильтрацией, осуществляемой в отношении этих составляющих фазовым детектором 6, фильтром 7 и в целом замкнутой в кольцо схемой фазовой автоподстройки частоты, в состав которой входит смеситель 11.

Выходной сигнал управляемого генератора 8 поступает на вход радиочастотного возбуждения квантового дискриминатора 3. Квантовый дискриминатор 3 реализует механизм двойного радиооптического резонанса поглощения сигнала радиочастотного возбуждения в рабочем веществе газовой ячейки с детектированием резонанса поглощения по свету оптической накачки, прошедшему через газовую ячейку, с помощью фотодетектора. При этом на выходе фазового детектора формируется полезный сигнал с частотой, соответствующей частоте f_м модуляции сигнала радиочастотного возбуждения. Амплитуда и фаза этого сигнала несут в себе информацию об отклонении несущей частоты f₂ сигнала радиочастотного возбуждения от частоты f₀ рабочего атомного перехода квантового дискриминатора 3.

Этот полезный сигнал поступает с выхода квантового дискриминатора 3 на сигнальный вход блока 4 формирования управляющего напряжения, где усиливается и подвергается синхронному детектированию относительно низкочастотного опорного сигнала с частотой f_м, поступающего на его опорный вход с низкочастотного выхода блока 5 формирования опорных сигналов. В результате синхронного детектирования формируется сигнал ошибки, характеризующий величину и знак отклонения несущей частоты f₂ сигнала радиочастотного возбуждения от частоты f₀ рабочего атомного перехода квантового дискриминатора 3. Этот сигнал ошибки далее интегрируется с получением управляющего напряжения, которое с выхода блока 4 формирования управляющего напряжения поступает на управляющий вход подстраиваемого кварцевого генератора 1.

Под действием управляющего напряжения, поступающего на управляющий вход подстраиваемого кварцевого генератора 1, частота его выходного сигнала изменяется в сторону уменьшения сигнала ошибки. В результате текущее значение частоты f₁ выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 приводится в соответствие со своим номинальным значением, а значение несущей частоты f₂ сигнала радиочастотного возбуждения - в соответствие с частотой f₀ рабочего атомного перехода квантового дискриминатора 3.

Таким образом осуществляется процесс стабилизации частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 (выходного сигнала квантового стандарта частоты) относительно стабильной частоты f₀ рабочего атомного перехода квантового дискриминатора 3 в рассматриваемых условиях, когда номинальное значение частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 не связано с частотой f₀ рабочего атомного перехода квантового дискриминатора 3 целочисленным соотношением. При этом за счет отсутствия в спектре формируемого сигнала радиочастотного возбуждения нежелательных составляющих, обусловленных нелинейными процессами в смесителе 11, обеспечивается уменьшение текущей «шумовой» нестабильности частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 и сдвигов ее действительного значения.

Одним из отличительных свойств квантовых стандартов частоты с дискриминатором на рубидиевой газовой ячейке (квантовый дискриминатор 3 прототипа) является малая зависимость от воздействия механических ускорений, что позволяет использовать их в составе аппаратуры, устанавливаемой на мобильных объектах в условиях воздействия линейных ускорений и вибрации.

Недостатком прототипа является наличие временного дрейфа выходной частоты - нелинейное изменение относительной погрешности по частоте [5] на интервалах времени свыше 1000 с, обусловленный особенностями физической реализации принципов функционирования квантового дискриминатора на рубидиевой газовой ячейке [1], что приводит к нелинейным сдвигам шкалы времени, формируемой на основе его выходной частоты f₁. Как правило, при эксплуатации таких приборов, их относительная погрешность по частоте постоянно контролируется и поддерживается на заданном уровне по внешним сигналам синхронизации, например, сигналам спутниковых глобальных навигационных систем. При этом теряется автономность функционирования, а погрешность хранения стабильной частоты и шкалы времени в этом случае определяется инструментальной погрешностью внешней аппаратуры синхронизации.

Известно, что цезиевая атомно-лучевая трубка (АЛТ), используемая в качестве частотного дискриминатора является репером фиксированной частоты, не имеющим дрейфа [1]. Однако на коротких интервалах времени выходной сигнал с АЛТ, в отличие от дискриминатора на газовой ячейке, имеет существенную зависимость от механических воздействий типа вибрации, которая, правда, при усреднении на временах свыше 1000 с практически равна нулю. Объединяя два дискриминатора можно получить стандарт частоты для мобильных объектов, обеспечивающий очень высокие стабильности и при существенном увеличении автономности функционирования.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является создание квантового стандарта частоты с новой структурой, включающей в себя два параллельно функционирующих кольца автоматической подстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора, обеспечивающие автономную работу на длительных интервалах времени (более суток) с сохранением высокоточного и стабильного выходного сигнала частоты f₁ в условиях воздействия линейных ускорений и вибрации при работе в составе мобильных объектов.

Сущность заявляемого изобретения заключается в следующем. Квантовый стандарт частоты комбинированный содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, выход которого является выходом квантового стандарта частоты, блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения дискриминатора на рубидиевой газовой ячейки (РГЯ), квантовый дискриминатор РГЯ и блок формирования управляющего напряжения РГЯ, а также блок формирования опорных сигналов РГЯ, низкочастотный выход которого соединен с опорным входом блока формирования управляющего напряжения РГЯ и низкочастотным опорным входом блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения РГЯ, высокочастотный выход соединен с высокочастотным опорным входом блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения РГЯ, а вход соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора. В отличие от прототипа, введено дополнительное кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора, содержащее последовательно соединенные блок формирования опорных сигналов атомно-лучевой трубки (АЛТ), вход которого подключен к выходу подстраиваемого кварцевого генератора, блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения АЛТ, имеющий структуру, аналогичную блоку формирования сигнала радиочастотного возбуждения РГЯ, низкочастотный вход которого также подключен к низкочастотному выходу блока формирования опорных сигналов РГЯ, а вход опорного сигнала - к выходу подстраиваемого кварцевого генератора, квантовый дискриминатор на АЛТ, выход которого подключен к сигнальному входу блока формирования управляющего напряжения АЛТ, опорный вход которого соединен с низкочастотным выходом блока формирования опорных сигналов РГЯ, а также введен накопительный сумматор, первый вход которого соединен с выходом блока формирования управляющего напряжения РГЯ, второй вход соединен с выходом блока формирования управляющего напряжения АЛТ, а третий вход соединен с низкочастотным выходом блока формирования опорных сигналов АЛТ, при этом на выходе накопительного сумматора формируется управляющее напряжение, поступающее на вход управления подстраиваемого кварцевого генератора.

Сущность заявляемого способа поясняется иллюстративными материалами, представленными на фиг. 1, 2 где:

на фиг. 1 представлена структурная схема прототипа;

на фиг. 2 представлена структурная схема заявляемого квантового стандарта частоты.

Заявляемый квантовый стандарт частоты, представленный на структурной схеме фиг. 2, содержит два параллельно функционирующих кольца автоматической подстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора. Первое кольцо автоматической подстройки частоты включает последовательно соединенные подстраиваемый кварцевый генератор 1, выход которого является выходом квантового стандарта частоты, блок 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения рубидиевой газовой ячейки (РГЯ), квантовый дискриминатор 3 на РГЯ и блок 4 формирования управляющего напряжения РГЯ, а также блок 5 формирования опорных сигналов РГЯ, низкочастотный выход которого соединен с опорным входом блока 4 формирования управляющего напряжения РГЯ и низкочастотным опорным входом блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения РГЯ, высокочастотный выход соединен с высокочастотным опорным входом блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения РГЯ, а вход соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора 1. Второе кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1 включает в себя содержащее последовательно соединенные блок 12 формирования опорных сигналов АЛТ, вход которого подключен к выходу подстраиваемого кварцевого генератора 1, блок 13 формирования сигнала радиочастотного возбуждения АЛТ, низкочастотный вход которого подключен к низкочастотному выходу блока 5 формирования опорных сигналов РГЯ, а вход опорного сигнала - к выходу подстраиваемого кварцевого генератора 1, квантовый дискриминатор 14 на АЛТ, выход которого подключен к сигнальному входу блока 15 формирования управляющего напряжения АЛТ, опорный вход которого соединен с низкочастотным выходом блока 5 формирования опорных сигналов РГЯ, а также введен накопительный сумматор 16, первый вход которого соединен с выходом блока 4 формирования управляющего напряжения РГЯ, второй вход соединен с выходом блока 15 формирования управляющего напряжения АЛТ, а третий вход соединен с низкочастотным выходом блока 12 формирования опорных сигналов АЛТ, при этом на выходе накопительного сумматора 16 формируется управляющее напряжение, поступающее на вход управления подстраиваемого кварцевого генератора 1.

Блок 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения РГЯ содержит фазовый детектор 6, фильтр 7, управляемый генератор 8, делитель частоты 9, фазовый модулятор 10 и смеситель 11. Первый вход фазового детектора 6 соединен с выходом фазового модулятора 10, второй вход фазового детектора 6 соединен с выходом смесителя 11, выход фазового детектора 6 через фильтр 7 соединен с входом управляемого генератора 8. Первый вход смесителя 11 образует сигнальный вход блока 2, соединенный с выходом подстраиваемого кварцевого генератора 1. Второй вход смесителя 11 через делитель частоты 9, имеющий коэффициент деления N_ргя, где N_РГя - целое число, соединен с выходом управляемого генератора 8. Сигнальный вход фазового модулятора 10 образует высокочастотный опорный вход блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения РГЯ, соединенный с высокочастотным выходом блока 5 формирования опорных сигналов РГЯ. Опорный вход фазового модулятора 10 образует низкочастотный опорный вход блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения РГЯ, соединенный с низкочастотным выходом блока 5 формирования опорных сигналов РГЯ. Выход управляемого генератора 8 образует выход блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения РГЯ, соединенный с входом радиочастотного возбуждения квантового дискриминатора 3.

Квантовый дискриминатор 3 выполнен как в прототипе, на основе газовой ячейки с рабочим веществом в виде паров рубидия Rb⁸⁷ (частота рабочего атомного перехода f_0ргя=6834,68…МГц). Газовая ячейка размещена в СВЧ резонаторе, настроенном на частоту f_0ргя, и оптически связана с источником света оптической накачки и фото детектором, входящими в состав квантового дискриминатора 3. Радиочастотный вход СВЧ резонатора образует вход радиочастотного возбуждения квантового дискриминатора 3, соединенный с выходом блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, а выход фотодетектора образует выход квантового дискриминатора 3, соединенный с сигнальным входом блока 4 формирования управляющего напряжения РГЯ.

Блок 4 формирования управляющего напряжения РГЯ может состоять из последовательно соединенных усилителя, синхронного детектора и аналого-цифрового преобразователя, вход которого подключен к выходу квантового дискриминатора 3, а выход - к первому информационному входу накопительного сумматора 16.

Блок 5 формирования опорных сигналов РГЯ может быть выполнен в виде синтезатора частот, формирующего на основе выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 два опорных сигнала - высокочастотный опорный сигнал с частотой f_СЧРГЯ и низкочастотный опорный сигнал с частотой f_м.

Блок 12 формирования опорных сигналов АЛТ может быть выполнен в виде синтезатора частот, формирующего на основе выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 два опорных сигнала - высокочастотный опорный сигнал с частотой f_счалт и низкочастотный опорный сигнал с частотой f_дзч (≈ 1/1000 Гц), подключенный к управляющему входу накопительного-сумматора 16.

Состав и структура блока 13 радиочастотного возбуждения квантового дискриминатора АЛТ может быть полностью идентична блоку 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения РГЯ. Частота управляемого генератора 8 этого блока настроена на частоту атомного перехода АЛТ (f_0алт=9192,631 МГц), а делитель частоты 9, имеет коэффициент деления N_алт, где N_алт - целое число. В этом случае при указанном номинальном значении частоты f₁ подстраиваемого кварцевого генератора 1, а именно f₁=10 МГц, значения коэффициентов N_алт и К_счалт могут быть выбраны как N=2⁹=512 и К_счалт=0,795…, при этом f_счалт=K_СЧ⋅f₁=7,95…МГц, а значение частоты f_м может находиться в пределах f_м=(30÷170) Гц. Для удобства работы значение частоты f_м выбираются одинаковыми для блоков 2 и 13.

В дискриминаторе 14 на атомно-лучевой трубке может быть использована цезиевая трубка традиционной конструкции с отклоняющей магнитной системой, примеры выполнения которой представлены в патентах США: [6] - US 4425653, H01S 3/091, 10.01.1984; [7] - US 4354108, H01S 1/00, 12.10.1982; [8] - US 3967115, H01S 1/00, 29.06.1976. Такая атомно-лучевая трубка содержит размещенные на одной оси источник атомного пучка, первый отклоняющий магнит, СВЧ резонатор, второй отклоняющий магнит и электрометрический усилитель (ЭМУ), при этом радиочастотный вход СВЧ резонатора образует радиочастотный вход атомно-лучевой трубки, а выход ЭМУ - выход атомно-лучевой трубки.

Блок 15 формирования управляющего напряжения АЛТ (аналогичный блоку 4 формирования управляющего напряжения РГЯ) состоит из последовательно соединенных усилителя, синхронного детектора и аналого-цифрового преобразователя, вход которого подключен к выходу квантового дискриминатора 14, а выход - ко второму информационному входу накопительного сумматора 16.

Накопительный сумматор 16 осуществляет суммирование оцифрованных значений сигналов ошибки с блоков 4 и 15, при этом значения управляющего напряжения с блока 15 фиксируются в момент прихода импульса частотой f_дзч, поступающего с низкочастотного выхода блока 12 формирования опорных сигналов АЛТ и сохраняются до прихода следующего импульса с этого выхода.

Работа заявляемого квантового стандарта частоты происходит следующим образом.

Подстраиваемый кварцевый генератор 1 формирует на своем выходе гармонический сигнал частотой f₁, номинальное значение которой кратно секунде, например f₁=10 МГц, и соответственно не кратно частоте f_0ргя рабочего атомного перехода квантового дискриминатора 3 на РГЯ и f_0алт рабочего атомного перехода квантового дискриминатора 14 на АЛТ. Этот сигнал поступает на вход блока 5 формирования опорных сигналов РГЯ, где на его основе формируются (синтезируются) высокочастотный опорный сигнал с частотой f_Счргя, низкочастотный опорный сигнал с частотой f_м. Значение частоты f_счргя связано со значением частоты f₁ выражением f_СЧРГЯ=К_счргя⋅f₁, где К_счргя - коэффициент высокочастотного преобразования (дробное число), а значение частоты f_м связано со значением частоты f₁ выражением f_м=f₁/К_нч, где К_нч - коэффициент низкочастотного преобразования (целое число).

Высокочастотный и низкочастотный опорные сигналы поступают на высокочастотный и низкочастотный опорные входы блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения РГЯ, образованные соответствующими входами фазового модулятора 10. Кроме этого низкочастотный опорный сигнал с частотой f_м поступает на опорный вход блока 4 формирования управляющего напряжения РГЯ, блока 13 формирования сигнала радиочастотного возбуждения АЛТ, блока 15 формирования управляющего напряжения АЛТ.

Выходной сигнал подстраиваемого кварцевого генератора 1 поступает также на сигнальный вход блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения РГЯ, на высокочастотный и низкочастотный опорные входы которого поступают высокочастотный и низкочастотный опорные сигналы с соответствующих выходов блока 5 формирования опорных сигналов РГЯ. На основе этих трех входных сигналов в блоке 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения РГЯ формируется фазомодулированный (с частотой модуляции f_м) СВЧ сигнал радиочастотного возбуждения, номинальное значение несущей частоты f₂ которого (отвечающее номинальному значению частоты f₁) соответствует частоте f₀ рабочего атомного перехода квантового дискриминатора 3 на РГЯ.

Формирование сигнала радиочастотного возбуждения квантового дискриминатора 3 на РГЯ осуществляется с помощью управляемого генератора 8, являющегося выходным элементом схемы фазовой автоподстройки частоты, реализующей функцию повышающего некратного преобразования частоты. Эта схема содержит соединенные в кольцо фазовый детектор 6, фильтр 7, управляемый генератор 8, делитель частоты 9 и смеситель 11, при этом фазовый модулятор 10 является по отношению к этой схеме внешним элементом, обеспечивающим формирование фазомодулированного сигнала сравнения с несущей частотой f_сч для фазового детектора 6. Работа схемы фазовой автоподстройки частоты по формированию сигнала радиочастотного возбуждения происходит следующим образом.

Выходной сигнал подстраиваемого кварцевого генератора 1, поступающий на сигнальный вход блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения РГЯ, проходит на первый вход смесителя 11, на второй вход которого через делитель частоты 9, имеющий коэффициент деления N, поступает выходной сигнал управляемого генератора 8, являющийся выходным сигналом блок 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения. На выходе смесителя 11 выделяется разностный сигнал промежуточной частоты f_ПЧРГЯ=|f₁-f₂/N|, значение которой в установившемся режиме соответствует частоте f_счргя. Разностный сигнал промежуточной частоты f_пчргя далее сравнивается в фазовом детекторе 6 с выходным сигналом фазового модулятора 10, представляющим собой модулированный по фазе с частотой f_м высокочастотный сигнал с несущей частотой f_счргя=K_счргя⋅f₁. В результате сравнения этих сигналов на выходе фазового детектора 6 формируется сигнал рассогласования, который после фильтрации в фильтре 7, представляющем собой, например, фильтр нижних частот с частотой среза, примерно равной частоте модуляции f_м, поступает на вход управляемого генератора 8, подстраивая его выходной фазомодулированный СВЧ сигнал таким образом, что в установившемся режиме в отношении несущей частоты выполняется равенство f_пчргя=f_счргя, т.е. |f₁-f₂/N|=f_сч, а в отношении фазовой модуляции сохраняется частота модуляции f_м выходного сигнала фазового модулятора 10.

Таким образом, за счет действия схемы фазовой автоподстройки частоты в блоке 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения РГЯ поддерживается равенство |f₁-f₂/N|=f_сч. Из этого равенства следует, что если номинальное значение частоты f₁ отвечает условию f₁>f₀/N, то текущее значение частоты f₂ связано с частотой f₁ выражением f₂=(f₁-f_сч)⋅N=f₁⋅(1-К_СЧ)⋅N, а если отвечает условию f₁<f₀/N, то текущее значение частоты f₂ связано с частотой f₁ выражением f₂=(f₁+f_сч)⋅N=f₁⋅(1+К_СЧ)⋅N. В обоих случаях значение частоты f₂ однозначно определяется частотой f₁ и значениями коэффициентов N и К_сч.

Значения коэффициентов N и К_сч взаимосвязаны и выбор первого из них предопределяет выбор второго. В общем случае выбор коэффициентов N и К_сч может осуществляться в широких пределах, на практике выбор коэффициентов производится исходя из удобства реализации. В частности, коэффициент N может выбираться как ближайшее целое к числу, определяемому отношением f_0ргя/f₁, причем это целое должно представляться произведением простых сомножителей, удобных для реализации. Например, в квантовом стандарте частоты, использующем квантовый дискриминатор 3 на рубидиевой газовой ячейке (f_0ргя=6834,68…МГц), при выбранном номинальном значении частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 f₁=10 МГц значение коэффициента N может быть выбрано как N=2⁹=512, а связанное с ним значение коэффициента К_сч как К_сч=0,334…, при этом f_сч=K_сч⋅f₁=3,34…МГц.

Значение частоты f_м, определяемое выражением f_м=f₁/К_НЧ, выбирается в соответствии с шириной спектральной линии квантового дискриминатора 3 на РГЯ, например, в пределах f_м=(30÷170) Гц, с учетом удобства реализации коэффициента К_нч.

Сформированный рассмотренным образом выходной сигнал управляемого генератора 8, являющийся выходным сигналом блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения РГЯ, не содержит в своем спектре нежелательных составляющих, обусловленных нелинейными процессами некратного преобразования частоты в смесителе 11, что объясняется фильтрацией, осуществляемой в отношении этих составляющих фазовым детектором 6, фильтром 7 и в целом замкнутой в кольцо схемой фазовой автоподстройки частоты, в состав которой входит смеситель 11.

Аналогичным образом и с аналогичным эффектом работает блок 13 формирования сигнала радиочастотного возбуждения АЛТ подключаемый к входу квантового дискриминатора 14 на АЛТ (f_0алт=9192,6…МГц). В этом случае при указанном выше номинальном значении частоты f₁ подстраиваемого кварцевого генератора 1, а именно f₁=10 МГц, значения коэффициентов N_АЛТ и К_счалт могут быть выбраны как N_АЛТ=2⁹=512 и К_счалт=0,795…, при этом f_сч=K_сч⋅f1=7,95…МГц, а значение частоты f_м может находиться в пределах f_м=(30÷170) Гц.

Квантовый дискриминатор 3 на РГЯ и квантовый дискриминатор 14 на АЛТ на своих выходах формируют сигналы, несущие информацию об отклонении текущего значения частоты f₂ от частоты f_0ргя и частоты f₃ от частоты f_0алт соответственно. Далее эти сигналы поступают в блоки 4 формирования управляющего напряжения РГЯ и 15 формирования управляющего напряжения АЛТ. В них с помощью синхронных детекторов выделяются сигналы ошибки ΔU_ргя и ΔU_алт и через аналого-цифровые преобразователи поступают на входы накопительного сумматора 16.

Накопительный сумматор 16 осуществляет суммирование оцифрованных значений сигналов ошибки с блока 4 и блока 15 формирования опорных сигналов АЛТ, при этом значения управляющего напряжения с блока 15 фиксируются на момент прихода импульса частотой f_дзч, поступающего с низкочастотного выхода блока 12 и сохраняются до прихода следующего импульса с этого выхода, образуя управляющее напряжение для подстраиваемого кварцевого генератора 1 и обеспечивая периодическую компенсацию дрейфа частоты квантового дискриминатора 3 на РГЯ.

Под действием управляющего напряжения, поступающего на управляющий вход подстраиваемого кварцевого генератора 1, частота его выходного сигнала изменяется в сторону уменьшения сигнала ошибки. В результате текущее значение частоты f₁ выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 приводится в соответствие с частотой f_0алт рабочего атомного перехода квантового дискриминатора 14 на АЛТ с учетом компенсации дрейфа дискриминатора 3 f_0ргя.

Рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение осуществимо и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании квантового стандарта частоты с новой структурой, включающей в себя два параллельно функционирующих кольца автоматической подстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора, обеспечивающие автономную работу на длительных интервалах времени (более суток) с сохранением высокоточного и стабильного выходного сигнала частоты f₁ в условиях воздействия линейных ускорений и вибрации при работе в составе мобильных объектов.

Достижение этого результата положительно влияет на эксплуатационные и метрологические характеристики квантового стандарта частоты, такие как надежность, воспроизводимость и стабильность частоты, что обуславливает перспективы практического применения такого квантового стандарта частоты.

Источники информации

1. Риле Ф. Стандарты частоты. Принципы и приложения. - М.: Физматлит, 2009. - 201-243 с.

2. RU 2220499 С2, H03L 7/16, H01S 3/10, 27.12.2003.

3. US 6300841 B1, H03L 7/26, 09.10.2001.

4. RU 2378756 С2, H03L 7/16, H01S 1/06, 10.01.2010.

5. ГОСТ 8.567-2014, п. 36, 40.

6. US 4425653, H01S 3/091, 10.01.1984.

7. US 4354108, H01S 1/00, 12.10.1982.

8. US 3967115, H01S 1/00, 29.06.1976.

Изобретение относится к квантовым стандартам частоты. Технический результат заключается в создании квантового стандарта частоты с двумя параллельно функционирующими кольцами автоматической подстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора. Для этого предложен квантовый стандарт частоты, содержащий первое кольцо автоматической подстройки частоты (АПЧ), включающее последовательно соединенные подстраиваемый кварцевый генератор, блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения рубидиевой газовой ячейки (РГЯ), квантовый дискриминатор на рубидиевой газовой ячейке, блок формирования управляющего напряжения РГЯ, выход которого подключен к первому входу накопительного сумматора, а второе кольцо АПЧ подстраиваемого кварцевого генератора содержит последовательно соединенные блок формирования опорных сигналов атомно-лучевой трубки (АЛТ), вход которого подключен к выходу подстраиваемого кварцевого генератора, блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения АЛТ, квантовый дискриминатор на АЛТ, выход которого подключен к сигнальному входу блока формирования управляющего напряжения АЛТ, выход которого подключен ко второму входу накопительного сумматора. 2 ил.

Квантовый стандарт частоты комбинированный, содержащий последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, выход которого является выходом квантового стандарта частоты, блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения рубидиевой газовой ячейки (РГЯ), квантовый дискриминатор на рубидиевой газовой ячейке и блок формирования управляющего напряжения РГЯ, а также блок формирования опорных сигналов РГЯ, низкочастотный выход которого соединен с опорным входом блока формирования управляющего напряжения РГЯ и низкочастотным опорным входом блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения РГЯ, высокочастотный выход соединен с высокочастотным опорным входом блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения РГЯ, а вход соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора, отличающийся тем, что введено дополнительное кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора, содержащее последовательно соединенные блок формирования опорных сигналов атомно-лучевой трубки (АЛТ), вход которого подключен к выходу подстраиваемого кварцевого генератора, блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения АЛТ, низкочастотный вход которого подключен к низкочастотному выходу блока формирования опорных сигналов РГЯ, а вход опорного сигнала - к выходу подстраиваемого кварцевого генератора, квантовый дискриминатор на АЛТ, выход которого подключен к сигнальному входу блока формирования управляющего напряжения АЛТ, опорный вход которого соединен с низкочастотным выходом блока формирования опорных сигналов РГЯ, а также введен накопительный сумматор, первый вход которого соединен с выходом блока формирования управляющего напряжения РГЯ, второй вход соединен с выходом блока формирования управляющего напряжения АЛТ, а третий вход соединен с низкочастотным выходом блока формирования опорных сигналов АЛТ, при этом на выходе накопительного сумматора формируется управляющее напряжение, поступающее на вход управления подстраиваемого кварцевого генератора.