ПАССИВНЫЙ КВАНТОВЫЙ СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ Советский патент 1994 года по МПК H01S1/06 

Изобретение относится к квантово-механическим устройствам, используемым в измерительной технике, метрологии и службе времени.

Известны пассивные стандарты частоты с дискриминатором на газовой ячейке. Принцип их действия состоит в следующем. Сигнал перестраиваемого (например, кварцевого) генератора преобразуется по частоте до частоты атомных переходов активного рабочего вещества, используемого в газовой ячейке. Преобразованный сигнал модулируется по фазе сигналом низкой частоты.

В результате этого при расстройке частоты кварцевого генератора на выходе квантового дискриминатора появляются первая гармоника частоты модуляции и кратные ей частоты. После избирательного усиления первой гармоники и фазового детектирования образуется управляющий сигнал, величина и знак которого зависят от величины и направления расстройки частоты перестраиваемого генератора относительно резонансной частоты спектральной линии атомов рабочего вещества в газовой ячейке. Этот сигнал используется для управления частотой перестраиваемого генератора и приведения ее к частоте рабочих переходов в газовой ячейке.

Однако недостатком этих устройств является низкая долговременная стабильность и воспроизводимость частоты.

Известен квантовый стандарт частоты, содержащий активный СВЧ-генератор (мазер) и пассивный квантовый дискриминатор на атомно-лучевой трубке. Однако активные квантовые стандарты частоты-мазеры - по сравнению с пассивными стандартами имеют больший эффект затягивания частоты генерации резонатором, что ухудшает их долговременную стабильность. Кроме того, весьма низкая выходная мощность мазера требует введения в устройство усилительных каскадов, существенно ухудшающих спектральные характеристики сигнала возбуждения квантового дискриминатора, что приводит к сдвигу стандарта, а следовательно, к ухудшению воспроизводимости частоты. Следует также отметить, что для фильтрации шумов дискриминатора на атомно-лучевой трубке и получения высокой кратковременной стабильности частоты требуется большая постоянная времени системы АПЧ, что ухудшает качество регулирования системы.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является пассивный стандарт частоты. Он содержит соединенные в кольцо подстраиваемый кварцевый генератор, преобразователь частоты, дискриминатор на газовой ячейке, усилитель низкой частоты, дискриминатор на газовой ячейке, усилитель низкой частоты, фазовый детектор, а также генератор низкой частоты, подключенный к вторым входам генератора и фазового детектора.

Указанный стандарт обладает высокой кратковременной стабильностью частоты, но низкой долговременной стабильностью и воспроизводимостью частоты.

С целью повышения точности стандарта частоты (долговременной стабильности и воспроизводимости частоты), в предлагаемом устройстве дополнительно введены между выходом преобразователя частоты и вторым входом дискриминатора на газовой ячейке последовательно соединенные второй преобразователь частоты, дискриминатор на атомно-лучевой трубке, второй усилитель низкой частоты, второй фазовый детектор, интегратор и частотно-управляющий элемент, причем второй вход введенного фазового детектора подключен к выходу генератора низкой частоты.

На чертеже представлена структурная схема пассивного квантового стандарта частоты.

Устройство содержит соединенные в кольцо подстраиваемый кварцевый генератор 1, преобразователь частоты 2, дискриминатор 3 на газовой ячейке, усилитель 4 низкой частоты, фазовый детектор 5, а также генератор 6 низкой частоты, подключенный к вторым входам кварцевого генератора 1 и фазового детектора 5. Между выходом преобразователя частоты 2 и вторым входом дискриминатора 3 на газовой ячейке дополнительно в устройство включены последовательно соединенные дискриминатор 7 на атомно-лучевой трубке, второй усилитель 8 низкой частоты, второй фазовый детектор 9, интегратор 10 и частотно-управляющий элемент 11. Второй вход введенного фазового детектора 9 соединен с выходом генератора 6 низкой частоты.

Сигнал подстраиваемого кварцевого генератора 1 модулируется по фазе сигналом от генератора 6 низкой частоты. Частота фазомодулированного сигнала кварцевого генератора приводится преобразователем частоты 2 соответственно к частотам атомных переходов дискриминатора 3 на газовой ячейке и дискриминатора 7 на атомно-лучевой трубке. При расстройке частоты кварцевого генератора 1 относительно резонансных частот дискриминаторов 3 и 7 на выходах последних появляются сигналы ошибки с частотой первой гармоники сигнала генератора 6 низкой частоты, которые после усилителей 4 и 8 низкой частоты поступают на соответствующие фазовые детекторы 5 и 9, на которые одновременно поступает напряжение от генератора 6 низкой частоты .

Расстройку частоты кварцевого генератора относительно резонансной частоты дискриминатора 3 на газовой ячейке компенсирует постоянное напряжение с выхода фазового детектора 5, амплитуда которого пропорциональна величине расстройки, а полярность определяет знак расстройки.

Постоянная времени фильтра фазового детектора 5 много меньше постоянной времени интегратора 10. Таким образом, частота кварцевого генератора непрерывно подстраивается по резонансной частоте дискриминатора 3 на газовой ячейке. При изменении резонансной частоты дискриминатора на газовой ячейке преобразованная частота кварцевого генератора на выходе преобразователя частоты 2 станет отличной от резонансной частоты дискриминатора 7 на атомно-лучевой трубке. В результате на выходе дискриминатора 7 появится сигнал ошибки, амплитуда которого пропорциональна величине расстройки кварцевого генератора, а фаза определяет знак расстройки. Далее сигнал ошибки после усиления усилителем 8 низкой частоты и фазового детектирования с помощью фазового детектора 9 поступает на интегратор 10. После интегрирования постоянный сигнал определенной полярности через частотно-управляющий элемент 11 управляет резонансной частотой дискриминатора на газовой ячейке 3. Управление может осуществляться, например, путем изменения напряженности магнитного поля в дискриминаторе на газовой ячейке. Подстройка резонансной частоты дискриминатора 3 происходит до тех пор, пока преобразованная частота кварцевого генератора на выходе преобразователя частоты 2 не станет равной резонансной частоте дискриминатора 7 на атомно-лучевой трубке.

Таким образом, пассивный стандарт частоты, выполненный на двух дискриминаторах, обладает высокой долговременной и кратковременной стабильностью частоты/ а также высокой воспроизводимостью частоты от образца к образцу.

ПАССИВНЫЙ КВАНТОВЫЙ СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ, содержащий соединенные в кольцо кварцевый генератор, преобразователь частоты, дискриминатор на газовой ячейке, усилитель низкой частоты, фазовый детектор, а также подключенный к вторым входам кварцевого генератора и фазового детектора генератор низкой частоты, отличающийся тем, что, с целью повышения точности стандарта частоты, в него дополнительно введены между выходом преобразователя частоты и вторым входом дискриминатора на газовой ячейке последовательно соединенные дискриминатор на атомно-лучевой трубке, второй усилитель низкой частоты, второй фазовый детектор, интегратор и частотно-управляющий элемент, причем второй вход введенного фазового детектора подключен к выходу генератора низкой частоты.