铷原子频标是量子物理学与电子学高度发展的产物,以它为基础的时间频率测量的相对精密度和准确度高达10-13数量级,远远超过其他物理测量的精度。为此,人们常常把其他物理量,如长度、温度、电压等设法转换成频率(时间)来提高其测量精度,因此研究铷原子频标有重要的意义。铷频标在导航、通信、卫星控制和测量物理常数等技术领域中有广泛的应用。

　　1　铷原子频标的原理及现状

　　铷原子频标是利用87Rb原子内部一对基态能级跃迁所产生的谱线作鉴频器去锁定一台晶体振荡器而构成的。传统87Rb气泡式原子频标的原理如图1所示:

　　压控晶振的输出频率经过调频电路后,变成一个被调制的激励跃迁频率,它的中心频率非常接近量子系统谱线的中心频率。这个被调制的输出频率经过与量子部分谱线的中心频率相比较,输出一个交流误差电压。伺服电路把输入的交流误差电压加以放大并变成直流纠偏电压,再输给压控晶振来实现纠偏,从而使压控晶振的输出频率的稳定度由量子部分谱线中心频率的稳定度所决定。

　　我们实验室研制的87Rb气泡式原子频标〔4〕,天稳定度为5×10-12,整机温度系数为5×10-2/℃。但是测得的性能指标并不完全能反映出光抽运87Rb频标量子系统的优越性,经研究发现,这主要是因为调频电路中采用变容二极管调相技术,而变容二极管是温敏元件,从而当环境温度变化时,不可避免地给铷频标带来一定的温度系数;其次是87Rb原子频标的伺服电路采用模拟技术,放大器的直流漂移也会给铷频标输出频率带来误差及不稳定性〔2〕。为了进一步改善铷频标的性能指标,我们将数字调频和数字伺服技术应用到实验中。

　　2数字调频电路应用于铷原子频标中

　　采用数字调频电路的87Rb原子频标原理如图2所示。考虑到铷原子频标量子系统谱线的中心频率为6834.6875MHz ,谱线线宽约500Hz,所以具体设想为:用10MHz晶振信号作为参考,数字锁相环路(Ⅰ、Ⅱ)分别综合出两个频率分别为5.3127MHz和5.312 3MHz的信号,它们交替地与倍频输出频率6840MHz相混频,以获得所要求的数字调频微波信号。

　　根据数字锁相频率合成理论〔3〕,先对10MHz晶振频率进行分频(m),然后一次锁相倍频(n)即可得到所要求的数字锁相输出频率

式中m、n为正整数。

　　考虑到实验中所用鉴频鉴相器MC4044的工作频率为8MHz,以及电子线路的简单和容易实现等因素后,我们用欧几里德转辗相除法,可求出铷原子频标倍频器的输出频率为

　　数字锁相环路Ⅰ的输出频率为

　　数字锁相环路Ⅱ的输出频率为

　　显然,由于受到数字锁相调频电路中分频器的分频数不能过大的限制,导致了两路锁相环路输出信号的频率不能严格达到所设想的5.312 7MHz和5.3123MHz ,这样数字锁相调频电路输出信号的中心频率就不严格等于铷频标量子系统谱线的中心频率6834.6875MHz。又已知87Rb原子基态0-0跃迁频率随外磁场的变化关系为〔1〕

　　其中f0是外磁场为零时的频率,f是外磁场为H时的频率,H以奥斯特为单位。实验中发现,只要谱线的中心频率比数字调频电路的中心频率小10Hz以下,就很容易通过调节外磁场来实现调频电路输出信号的中心频率与铷频标量子系统谱线的中心频率完全一致。

　　方案中完全抛开变容二极管调频电路而采用数字锁相调频技术,原则上可消除调频电路带来的温度系数。由于信号取之于稳定的微波频率状态,这就完全避免了传统的正弦调制波形失真引起的误差。

　　3　数字伺服电路用于铷原子频标中

　　采用数字伺服电路的铷原子频标原理如图3示。经铷频标量子系统鉴频得到的误差电压,首先通过交流放大器进行放大,同时隔除不带任何信息的直流成分;然后再用一积分器以滤除频率较高的噪声。取样保持器把信号固定下来提供给模-数转换器,模-数转换器的输出依照不同的半周期分别存入A、B两个存储器;后面的减法器给出二者之差,每半个周期减法器的信号累加到一个累加器中,而累加器的信号则通过数-模转换器形成10MHz晶振的直流纠偏电压。

　　方案中,对应于两个半周期的信号,从放大到数-模转换的完成完全在同一个信号通道中进行,任何零点漂移、转换误差对两个半周期的信号而言是完全一样的。当他们分别被存入两个不同的锁存器而相减时,这些误差将会完全抵消,不会对控制信号造成任何影响。最后的数-模转换器的零点漂移依然可能造成偏差,但根据控制理论,由于这一漂移不再被放大,因此只要保持一定的开环增益,这一漂移的影响可被限制在允许的范围以内。

　　铷原子频标对伺服电路元器件的精度要求较高,为此我们选用了12位的AD578J型模-数转换器与AD7521型数-模转换器,交流放大器采用低失调高精密集成运放OP07实现,接口电路采用高关态隔离度的DG211型模拟开关等,可将电子元器件精度引起的误差限制在最底范围内。数字伺服的最大优点是克服了直流温漂带来的误差及不稳定性。

　　4　结论

　　由于采用了数字调频和数字伺服电路,可消除电子线路上的不完善给铷频标带来的温漂和不稳定性。开机后约40s铷原子频标即进入锁定状态,87Rb气泡式原子频标的天稳定度可达1×10-12;在0~30℃范围内,频标的整机温度系数已做到小于,比改进前有较大提高。

　　〔参考文献〕

　　〔1〕　王义遒,王庆吉,付济时.量子频标原理〔M〕.北京:科学出版社,1986.239

　　〔2〕　王玉泰.铷原子频标调频电路的研究[D].北京:北京大学,1993

　　〔3〕　张肃文.高频电子线路(下册,第二分册)〔M〕.北京:人民教育出版社.1980.620

　　〔4〕　王玉泰,聂士忠,王玉茹.铷原子频标长期稳定度的研究〔J〕.山东建材学院学报,1999,13(2):117~118

　　第一作者信息:男,1963年生,讲师,硕士