数字调频及数字伺服在铷频标中的应用

　　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