腔体自动调谐氢脉泽的研究

　　1　上海天文台氢脉泽研究概况

　　上海天文台于1972年研制成功我国第一台实验室型氢脉泽标准[1],在VLBI国际联测、时间频率比对、原子时尺的建立等科研领域起着较好的作用。1988年,为装备我国VLBI观测网,新一代工程型氢脉泽研制成功[2],它是一种坚固、可搬运、集成的时间频率标准。实验与性能测试证明,这种工程型氢脉泽结构可靠、性能良好。

　　1992年以来,我们开展了氢脉泽自动调谐器的研制,并成功应用于多台氢脉泽标准,得到用户认可。这种腔体自动调谐器具有调谐时间短,无需外标准作参考源,且可改善氢脉泽的长期稳定度等优点。这种腔体自动调谐氢脉泽集成于一个高110cm、宽54 cm、深73 cm的机箱内,重量为200 kg,功耗为250 W,运输较为方便。

　　2　腔体自动调谐的原理

　　自动调谐器的原理如图1所示,图中f0是所需要的谐振腔频率(即参考频率),基本等于原子的跃迁频率;ft是检测信号,可表示为:

该检测信号被频率为1 Hz的方波调制,交替地注入谐振腔,若谐振腔响应如图1实线所示,则由谐振腔耦合出来的检测信号就幅度相等,而无误差;若腔的频率已漂移,腔体响应如图1虚线所示,则该检测信号的幅度在f0+fm和f0-fm频率上不同,即幅度被调制了。幅度调制的检测信号被放大、检波,并在同步检波器中与g(t)相乘,所获得的低频有用的误差信号可表示为:

式中:M是放大器、检波器、同步检波器的增益链,积分器把误差信号提供给一个位于微波谐振腔内的变容二极管,使腔体响应(虚线)拉回到所需要的工作频率(实线)上。为了确保谐振腔频率长期稳定,检测器信号的相位被锁定在氢脉泽工作频率上,即氢原子谐振频率上。

　　完整的自动调谐器框图如图2所示,20 MHz开关综合器输出的20·405 MHz±fm信号与1·4GHz微波信号混频,形成一个检测信号,然后注入到谐振腔;谐振腔输出的信号(含有检测信号和脉泽振荡信号)在第一级混频后,被一功率分配器一分为二,在一通道中检测信号被一窄带滤波器(带宽为2 kHz)滤掉了,而脉泽信号不受阻拦地送往锁相环来锁定晶振源;在另一通道中检测信号被检波同步检测,用于修正谐振腔频率变化。

　　3　性能测试

　　氢脉泽频率稳定度的测试框图如图3所示。参考标准选用同量级的氢脉泽,并有较好的温度控制。参考脉泽10 MHz信号通过本身接收机锁相环路中的频率综合器改变输出一个与被测氢脉泽相差1 Hz的输出频率,经过混频器这个1Hz的信号通过低通滤波器输给时间间隔测试仪,微机从时间间隔测试仪采集数据并用Allan方差测试频率稳定度。