原子钟专栏

铷原子钟基本介绍

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发表时间:2020-10-16 19:22作者:同步天下来源:原创

高性能铷钟主要用于国防军工产业,主要有突出性能指标及产品可靠性方面的要求,同时还应具备易于操作、功能完善、通用性强等特点。本文简单介绍铷原子钟的重要指标性能、选购及检定所用设备等。

1、铷原子钟是什么

铷频标是一种被动型原子频标,铷频标内晶振的振荡频率通过频率合成技术产生一个微波激励信号,铷同位素的原子在激励信号的感应下发生跃迁,原子跃迁对微波信号起鉴频作用而产生误差信号,通过锁频环路伺服晶振的频率,使激励信号频率锁定到原子跃迁频率,实现晶振输出频率的高度稳定和准确。

铷原子钟主要由单片机电路、伺服电路、微波倍频电路、频率调制、倍频综合电路几个模块组成。

2、铷原子钟功能与性能的参数:

(1)频率稳定度

是频率偏差的起伏程度,实际上是一种可以用随机过程(平稳的或不平稳的)来研究和处理的问题。频率稳定度在时域上的数学表征是阿伦标准偏差。

(2)月频率漂移率

原子频标连续工作时,频率随时间单方向慢变化程度,用最小二乘法估计吗。通过GPS锁定,可改变铷原子钟的漂移。铷原子钟的月漂移率为:1E-11至4E-11。

(3)频率重现性

铷频标开机一段时间后关机,关机一段时间后,再开机一段时间后的相对平均频率偏差和关机时间的相对平均频率偏差的一致程度。一般为1E-11至5E-11。

(4)频率准确度

频率偏差的最大范围,表明频率实际值靠近标称值的程度。用数值定量表示。不带正负号,一般为5E-11到5E-12。

 

3、影响铷原子钟的因素

温度和老化漂移会影响原子钟输出频率的准确度和稳定度,使得原子钟的输出频率变的不稳定。铷原子钟与氢原子钟或铯原子钟相比,长期性能较差,各种频移机制使铷原子钟对许多环境因素敏感,除了温度和老化漂移还包括了磁场、压力、冲击、加速度、振动、辐射、电磁干扰、潮湿、供电、存储以及重现性等因素。这些影响铷原子钟长期性能的因素中,温度往往是最大的且难以克服的。

4、铷原子钟选购注意事项

铷原子频率标准的选择要求权衡不同需要折中考虑。首选确定的是稳定度、准确度、漂移率等主要性能指标,其次需要考虑铷钟的应用环境,最后考虑可靠性、体积质量、价格以及功耗等因素。

(1)、稳定度

稳定度包括短期稳定度和长期稳定度,指标一般为5E-11至1E-12(取样时间为1s);1E-11至1E-12(取样时间为1d)。根据对稳定度的要求选择长稳好还是短稳好的铷原子频率标准。

(2)、漂移率

  频率漂移率是铷原子频标的重要指标之一,通常认为光频移是导致整机频率漂移的主要因素,一般在零光强频移泡温点,光强频移贡献约为1E-12/1%,灯光强日漂移一般可达千分之一至万分之几,铷原子频率标准的月漂移率应在4E-11到5E-12范围内。

(3)、价格

铷原子钟的价格取决于几大因素,包括稳定度、漂移率、准确度等。同指标的情况下,进口的要比国产的贵很多。

5、SYN3204型铷原子钟

SYN3204型北斗GPS驯服铷原子钟,输出多路标准的10mhz正弦信号,可选择其它频点例如1mhz、5mhz信号输出。以及1pps脉冲信号和RS232时间信号。是一款自主研发生产的一款高精度频率标准,接收GPS北斗卫星信号,使铷振荡器输出频率同步于GPS北斗卫星铯原子钟信号上,提高了频率信号的长期稳定性和准确度,能够提供铯钟量级的高精度时间频率标准,是通信广电等部门替代铯钟的高性价比时频产品。

该款设备设计为LCD大屏,前面板可以显示年月日和具体的时间等信息,产品有快速锁定、低相噪、高可靠性和可长期连续稳定工作等特点。广泛应用在全国各地省市计量院所和检测机构,受到了客户一致好评。应用在各种测试仪器检定校准中作为参考频标,例如在检测时间间隔测量仪时需要铷原子钟作为参考频标。如图:


6、铷原子钟检定及使用

那么如何检定铷频标的各项性能指标是否和标称的一致相符合?建议送检相关计量院根据相关的检定规程完成检定和校准。具体的检定项目包括哪些,我们可以参考JJG 292-2009检规。其中开机特性、输出信号、频率稳定度和准确度及日漂移滤等都是重要的检测项。涉及到的相关计量设备有频率稳定度参考频标、频率漂移率和频率准确度参考频标、相位噪声参考频标、示波器、频谱分析仪、频标比对器、频差倍增器、比相仪、分频器、通用计数器和相位噪声测量系统。

铷频标通用技术要求,前面板或后面板上应有仪器名称、型号、制造厂、出厂序号和电源要求。

铷频标的电源开关、输入输出端口、功能设置开关和旋钮应有明确的识别标志。

铷频标不应有影响正常工作的机械损伤。电源开关、功能设置开关和旋钮应灵活、可靠,输入输出端口牢固。

其中检定用射频频率稳定度参考频标,频率稳定度应优于被检铷频标的漂移率和频率准确度一个数量级。

铷频标首次检定要携带使用说明书;后续检定要携带前次的检定证书。

检定用设备的检定条件

a、相位噪声参考频标

相位噪声应比被检铷频标相位噪声小10dB,输出频率可调,并具有外部电压调谐能力。

b、示波器

上升时间小于被检脉冲上升时间的1/3

c、频谱分析仪

频率范围 500khz到100mhz

动态范围 ≥100DB

d、频标比对器

输入频率:1mhz,5mhz、10mhz

频标比对器引入的测量不确定度应优于被检铷频标频率稳定度的3倍。

在时频设备使用过程中,需要接收卫星信号并进行实时对时以保证时间准确,但是有些时频设备在使用中,因使用场所的限制不能一直接收卫星信号,但如果接收不到卫星信号,随着时间的推移设备就会存在一定误差,从而导致时间不准确,所以在这种情况下时频设备内部会配置温补晶振、恒温晶振、铷原子钟等,在没有接收卫星信号时给设备进行守时以铷原子时钟提供的信息为准。
 

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