高性能铷原子钟的介绍

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发表时间：2022-04-24 07:49作者：同步天下来源：原创

铷原子钟作为原子频标的一种，本身有着低漂移，高稳定性，抗辐射，体积小，重量轻、低功耗的特点，而且价格与铯原子频标相比要低很多。与晶体频标相比长期稳定性更好，准确度更高，可适应各种空间使用的要求。本文主要介绍一下铷原子频标的应用、检定和产品推荐。

1、铷原子钟的应用

铷频标广泛应用的领域包括通信、导航定位等领域，通信方面应用有飞机，航天器等需要安装具有高精度频率输出的设备。而现在高速发展的无线通信网络中的基站以及通信卫星上也在利用铷原子频标作为时钟频率。而导航定位方面，现在应用最为普通的GPS系统的导航卫星上，广泛使用了铷原子频标作为时间标准，因为高精度的时间是高精度定位的保证。

总而言之铷原子频标是各种设备发展提高的关键点之一。而铷原子频标在保持自身特点的情况下，通过研究不断提高性能指标以满足现实中各种各样的需求也变的意义重大。性能指标的提高除了提高量子物理部分的检测技术外，外围伺服电路性能的好坏对整体原子频标的影响非常重大，铷伺服电路部分的压控晶体振荡电路的噪声性能将直接影响到标准输出频率品质。而铷原子频标的另一个发展方向就是在保证一定性能的情况下，进一步小型化。

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87Rb的原子在激励信号的感受下发生跃迁，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。
GNSS控制的铷频标是利用全球导航卫星信号不断调整铷频标的输出频率，使其具有更高的频率准确度。

铷频标广泛应用于无线电导航与定位、数字通讯工程、时间频率测量等领域。

2、影响铷原子钟指标的因素

影响铷钟的指标的关键因素是原子共振谱线的线宽和光检测过程中的散弹噪声。由于气泡型铷原子频标采用的是热原子泡式囚禁体系，因此改善线宽的努力已几乎没有余地。而光检测半导体的散弹噪声受半导体物理铁律的影响完全没有松动的余地。因此人们将改善气泡型铷原子频标指标的目光投向了钟的泵浦光源-减小入射到光检测中的无用光谱成分。目前光谱灯的光谱轮廓是个打鼓包，而有用的谱成分仅仅是780和794两根谱线，大量的无用光仅仅是引入了噪声。因此人们首先想到的是激光，激光谱线轮廓极窄，无用光被大大压缩。激光抽运气泡型铷原子频标的短期稳定度达到了很高的水平。但是激光谱线极窄带来压缩无用光的正面效应也带来了光谱轮廓中心移动对轮廓对称性贡献增大从而带来更大的光频移的负面效应。早些年的激光抽运气泡型铷原子频标无一不表现出优异的短稳和较差的中长期稳定度并存的特征。现在市面上仍然很少见到投入实用的激光抽运气泡型铷原子频标。

近年来，人们将目光转回到传统的光谱灯上来-压缩光谱灯的无用成分。

3、铷原子钟的检定

检定铷原子频率标准的各项性能指标是否符合实际需求，可以直接送检计量单位，依据检定规程JJG 292-2009铷原子频率标准进行各项检定。具体的检定项目有：外观及工作正常性、输出信号、谐波与非谐波、开机特性、频率稳定度、相位噪声、日频率漂移率、频率复现性、频率调整范围和频率准确度。

检定铷原子频率标准需要一整套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。

其中通用计数器可参考使用SYN5636型高精度通用计数器。该款计数器性能可靠，测量范围宽，灵敏度高，动态范围大。有外频标功能，满足测量范围10Hz~100MHz。

相位噪声测量系统检规中要求输入频率：1Mhz、5MHz和10Mhz，分析频率范围：1Hz~100kHz；相位噪声本地：比被检铷频标相位噪声小10dB。

计量器具可以选用SYN5619型相位噪声分析仪一款相位噪声和阿伦方差同时测试的高精度噪声测试仪。采用先进的相位测量技术，实现图形化用户操作界面，与普通台式机或者笔记本电脑配套使用，只需按下开始即可在几秒内进行测试，不需要熟练的技术工程师，即可实现学习和使用。

该相位噪声分析仪内置低相噪高短稳恒温晶振作为参考输出，方便用户直接使用该参考源进行频标比对测试，用户不需要附加数据处理就可实时获得测量结果，测量结果准确可靠。该相躁测试仪覆盖几乎所有常用的频率源范围1MHz-200MHz，带有13位/s的高精度计数器功能，达到-140 dBc/Hz@1 Hz,可将精确的相位噪声和阿伦方差的测量成本显著降低，使其成为分析超低相噪频率源的优选产品。