具有新型伺服方式的原子頻標的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種具有新型伺服方式的原子頻標，屬于原子頻標領域。所述具有新型伺服方式的原子頻標包括：壓控晶振、微波產生模塊、物理模塊、鑒相模塊和補償模塊，所述微波產生模塊分別與所述壓控晶振、所述物理模塊和所述鑒相模塊電連接，所述鑒相模塊還與所述物理模塊及所述補償模塊電連接，所述補償模塊還與所述壓控晶振電連接，所述物理模塊包括微波腔，所述微波腔內并排設置有第一光電池、第二光電池和第三光電池，所述第一光電池和所述第二光電池關于所述微波腔的中軸線對稱，所述第三光電池設置在所述第一光電池和所述第二光電池之間。
【專利說明】
具有新型伺服方式的原子頻標
技術領域
[0001]本實用新型涉及原子頻標領域，特別涉及一種具有新型伺服方式的原子頻標。
【背景技術】
[0002]為獲得大自然中比較穩(wěn)定的時間頻率，人們通過對銣、銫、氫等原子施加弱磁場，使其原子能級由基態(tài)轉變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，利用不受外界磁場干擾的基態(tài)超精細結構0-0躍迀中心頻率作為參照時間頻率值。
[0003]在原子頻標中，壓控晶振輸出的探測信號經過微波產生模塊處理得到微波探詢信號，微波探詢信號包括Π、f2兩個邊帶;物理模塊對微波探詢信號進行鑒頻，將會得到兩個鑒頻信號Vl、V2，如果Vl等于V2，說明fl、f 2恰好處于原子譜線中心頻率fo左右兩側且正好對稱，此時微波探詢信號對準了原子躍迀中心頻率;而當Vl不等于V2時，伺服模塊根據鑒頻信號產生糾偏電壓作用于壓控晶振，以調整壓控晶振的輸出頻率;通過上述結構單元，最終將壓控晶振的輸出頻率鎖定在原子躍迀中心頻率上。
[0004]在實現本實用新型的過程中，發(fā)明人發(fā)現現有技術至少存在以下問題:
[0005]由于物理模塊可能受電子線路(壓控晶振、微波產生模塊、伺服模塊等)、環(huán)境因素(溫度、濕度)影響，微波腔中各個部位的原子的共振頻率會有差別，而實際的原子譜線是各部分原子譜線的疊加，原子譜線形狀反映了微波腔中磁場分布的情況，在這種情況下，原子譜線由于施加磁場的不均勻、不對稱，就會導致實際的原子譜線出現畸變，在原子譜線畸變的情況下，當Π和f2處于fo的兩側時，檢測到的兩個電壓Vl和V2是不相等的，也就是說，在現有技術中，認為對準原子躍迀中心頻率fo時，S卩V1=V2時，實際上并沒有真實地反映中心頻率值。因此，現有技術無法準確的鎖定原子躍迀中心頻率。
【實用新型內容】
[0006]為了解決現有技術的問題，本實用新型實施例提供了一種具有新型伺服方式的原子頻標。所述技術方案如下:
[0007]本實用新型實施例還提供了一種具有新型伺服方式的原子頻標，所述具有新型伺服方式的原子頻標包括:壓控晶振、微波產生模塊、物理模塊、鑒相模塊和補償模塊，所述微波產生模塊分別與所述壓控晶振、所述物理模塊和所述鑒相模塊電連接，所述鑒相模塊還與所述物理模塊及所述補償模塊電連接，所述補償模塊還與所述壓控晶振電連接，所述物理模塊包括微波腔，所述微波腔內對稱設置有第一光電池和第二光電池，以及設置在所述第一光電池和所述第二光電池之間的第三光電池，所述第一光電池和所述第二光電池關于所述微波腔的中軸線對稱。
[0008]在本實用新型實施例的一種實現方式中，所述物理模塊還包括光譜燈、腔泡、耦合環(huán)、C場線圈、恒溫單元和磁屏，所述微波腔設置在所述光譜燈的光路上，所述腔泡和耦合環(huán)設置在所述微波腔中，且所述腔泡和所述第三光電池依次設置在所述光譜燈的光路上，所述C場線圈、所述恒溫單元和所述磁屏依次圍設在所述微波腔的外圍。
[0009]在本實用新型實施例的另一種實現方式中，所述腔泡為集成濾光共振泡。
[0010]在本實用新型實施例的另一種實現方式中，所述微波腔為TElll模式的微波腔。
[0011]在本實用新型實施例的另一種實現方式中，所述第一光電池、所述第二光電池和所述第三光電池為相同的光電池。
[0012]在本實用新型實施例的另一種實現方式中，所述第一光電池、所述第二光電池和所述第三光電池為在800nm有最強感光效應的硅光電池。
[0013]在本實用新型實施例的另一種實現方式中，所述鑒相模塊包括第一同步鑒相單元、第二同步鑒相單元和第三同步鑒相單元，所述第一同步鑒相單元與所述第一光電池電連接，所述第二同步鑒相單元與所述第二光電池電連接，所述第三同步鑒相單元與所述第三光電池電連接。
[0014]在本實用新型實施例的另一種實現方式中，所述微波產生模塊包括隔離放大器、射頻倍頻單元、微波倍混頻單元、微處理器和頻率合成器，所述微處理器分別與所述鑒相模塊、所述隔離放大器和所述頻率合成器電連接，所述隔離放大器分別與所述壓控晶振和所述射頻倍頻單元電連接，所述微波倍混頻單元分別與所述射頻倍頻單元、所述頻率合成器及所述物理模塊電連接。
[0015]在本實用新型實施例的另一種實現方式中，所述補償模塊為中央處理器芯片。
[0016]本實用新型實施例提供的技術方案帶來的有益效果是:
[0017]在本實用新型實施例中，通過在物理模塊中設置微波腔，在微波腔中對稱設置兩個光電池，在這兩個光電池之間設置第三個光電池，根據三個光電池得到3個量子鑒頻信號，完成三組同步鑒相，根據三組同步鑒相結果進行糾偏，避免了電子線路以及環(huán)境因素對于原子頻標鎖定的影響。
【附圖說明】
[0018]為了更清楚地說明本實用新型實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0019]圖1是本實用新型實施例提供的具有新型伺服方式的原子頻標的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0020]為使本實用新型的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合附圖對本實用新型實施方式作進一步地詳細描述。
[0021]圖1是本實用新型實施例提供的一種具有新型伺服方式的原子頻標(后文簡稱原子頻標)的結構示意圖，參見圖1，原子頻標包括:壓控晶振101、微波產生模塊102、物理模塊103、鑒相模塊104和補償模塊105，物理模塊103包括微波腔(圖未示出)，微波腔內并排設置有第一光電池13a、第二光電池13b和第三光電池13c，第一光電池13a和第二光電池13b關于微波腔的中軸線對稱，第三光電池13c設置在第一光電池13a和第二光電池13b之間；
[0022]壓控晶振101，用于提供一探測信號。
[0023]微波產生模塊102，用于對探測信號進行調制并將經過調制的探測信號作用于物理模塊103上。
[0024]鑒相模塊104，用于通過同步鑒相技術分別得到與第一光電池13a對應的第一誤差信號AWl、與第二光電池132b對應的第二誤差信號AW2和與第三光電池對應的第三誤差信號 AW3。
[0025]補償模塊105，用于根據ΔWl、Δ W2和Δ W3判斷是否需要對原子頻標進行糾偏；當需要對原子頻標進行糾偏時，采用△ Wl或△ W2或者△ Wl和△ W2的均值，對原子頻標進行糾偏。
[0026]在本實用新型實施例中，通過在物理模塊中設置微波腔，在微波腔中對稱設置兩個光電池，在這兩個光電池之間設置第三個光電池，根據三個光電池得到3個量子鑒頻信號，完成三組同步鑒相，根據三組同步鑒相結果進行糾偏，避免了電子線路以及環(huán)境因素對于原子頻標鎖定的影響。
[0027]在本實用新型實施例中，物理模塊103還包括光譜燈、腔泡、耦合環(huán)、C場線圈、恒溫單元、磁屏及金屬隔板，微波腔設置在光譜燈的光路上，腔泡和耦合環(huán)設置在微波腔中，且腔泡和第三光電池(與另外2個光電池并排設置)依次設置在光譜燈的光路上，C場線圈、恒溫單元和磁屏依次圍設在微波腔的外圍。
[0028]其中，腔泡為集成濾光共振泡。
[0029]在本實用新型實施例中，第一光電池13a和第二光電池132b關于微波腔的中軸線對稱。微波磁場的縱向分量的強度在耦合環(huán)兩側最強，所以在工作狀態(tài)下原子共振躍迀信號最強的地方在微波腔的腔體兩邊，故將第一光電池13a和第二光電池132b對稱地安裝在中心軸線的兩側可以獲得最強信號，而將第三光電池13c設置在中間獲得次強信號。但是，當微波腔內的原子躍迀中心發(fā)生跳變上，由上述三個光電池得到的鑒頻信號，經過處理產生的糾偏信號都會導致原子頻標的穩(wěn)定度發(fā)生較大變化，因此可以作為判斷是否糾偏的依據，來進行原子頻標的伺服糾偏，詳見后文關于補償模塊105如何確定是否補償的描述。
[0030]在本實用新型實施例中，微波腔為TEl11模式的微波腔。
[0031]在本實用新型實施例中，第一光電池13a、第二光電池132b和第三光電池13c為相同的光電池。具體第一光電池13a、第二光電池132b和第三光電池13c為同一型號、同一批次的光電池。
[0032]其中，第一光電池13a、第二光電池132b和第三光電池13c為在800nm有最強感光效應的硅光電池，以提高光檢的精度。
[0033]進一步地，除了微波腔外圍設有恒溫單元外，光譜燈外圍也設有恒溫單元。
[0034]在本實用新型實施例中，鑒相模塊104包括第一同步鑒相單元141、第二同步鑒相單元142和第三同步鑒相單元143，第一同步鑒相單元141與第一光電池13a電連接，第二同步鑒相單元142與第二光電池132b電連接，第三同步鑒相單元143與第三光電池13c電連接。
[0035]在本實用新型實施例的一種實現方式中，微波產生模塊102包括隔離放大器121、射頻倍頻單元122、微波倍混頻單元123、微處理器124和頻率合成器125，微處理器124分別與鑒相模塊104、隔離放大器121和頻率合成器125電連接，隔離放大器121分別與壓控晶振101和射頻倍頻單元122電連接，微波倍混頻單元分別與射頻倍頻單元122、頻率合成器125及物理模塊103電連接。
[0036]其中，壓控晶振101輸出探測信號；隔離放大器121用于將壓控晶振101的輸出頻率信號進行隔離和放大;微處理器124和頻率合成器125用于產生綜合調制信號；隔離放大器121的輸出信號經過射頻倍頻單元122輸出至微波倍混頻單元123，微波倍混頻單元123用于對射頻倍頻單元122的輸出信號和綜合調制信號同時進行倍頻和混頻，以產生經過調制的探測信號;物理模塊103用于對經過調制的探測信號進行鑒頻，產生鑒頻信號；鑒相模塊104對鑒頻信號進行選頻放大后與參考信號進行同步鑒相，產生誤差信號。
[0037]其中，微處理器124采用隔離放大器121的輸出作為參考源，通過串行通訊方式向頻率合成器125發(fā)送頻率合成指令，同時微處理器124直接向頻率合成器125的鍵控調頻引腳送一路79Hz鍵控調頻信號。頻率合成器125接收微處理器124發(fā)來的頻率合成指令，以射頻倍頻單元122的輸出為參考源，產生直接數字頻率合成的5.3125MHz ± △ f的綜合調制信號，其中Af的大小由原子頻標物理模塊103的具體線寬決定。微處理器124還產生的三路79Hz的參考信號分別送入第一同步鑒相單元141、第二同步鑒相單元142和第三同步鑒相單元143，用于進行同步鑒相。微處理器124產生的送至頻率合成器125中的79Hz鍵控調頻信號與送至鑒相模塊104的79Hz參考信號具有相同相位。
[0038]其中，頻率合成器125為直接式數字頻率合成器。
[0039]其中，補償模塊105為中央處理器芯片。
[0040]在本實用新型實施例中，補償模塊105用于采用下述方式，判斷是否進行補償:
[0041]第一步:控制微波產生模塊將未經調制的探測信號作用于物理模塊上。
[0042]第二步:通過掃頻技術擬合出與第一光電池對應的第一原子譜線圖以及與第二光電池對應的第二原子譜線圖。
[0043]具體地，在物理模塊未接入原子頻標時，通過輸入未經調制的探測信號，然后檢測其輸出，從而擬合原子譜線圖，在此過程中物理模塊中磁場未受到原子頻標中電子線路的影響，擬合得到的原子譜線圖精度高。其中，未經調制的探測信號可以由一個頻率源輸入。其中，掃頻是指控制頻率在一定范圍內逐漸變化。
[0044]在本實用新型實施例中，通過掃頻技術擬合出與第一光電池對應的第一原子譜線圖以及與第二光電池對應的第二原子譜線圖，包括:
[0045]控制未經調制的探測信號進行掃頻；
[0046]采集第一光電池輸出的鑒頻信號的第一電壓以及與第一電壓一一對應的探測信號頻率值，擬合出第一原子譜線圖；采集第二光電池輸出的鑒頻信號的第二電壓以及與第二電壓一一對應的探測信號頻率值，擬合出第二原子譜線圖。
[0047]第三步:將經過調制的探測信號作用于物理模塊上，通過同步鑒相技術分別得到與第一光電池對應的第一誤差信號△ Wl、與第二光電池對應的第二誤差信號△ W2和與第三光電池對應的AW3。
[0048]在本實用新型實施例中，通過同步鑒相技術分別得到與第一光電池對應的第一誤差信號A Wl、與第二光電池對應的第二誤差信號△ W2和與第三光電池對應的△ W3，包括:
[0049]獲取物理模塊產生的第一鑒頻信號、第二鑒頻信號和第三鑒頻信號，第一鑒頻信號由第一光電池輸出，第二鑒頻信號由第二光電池輸出，第三鑒頻信號由第三光電池輸出；
[0050]將第一鑒頻信號與參考信號進行同步鑒相，得到第一誤差信號AWl，將第二鑒頻信號與參考信號進行同步鑒相，得到第二誤差信號A W2，將第三鑒頻信號與參考信號進行同步鑒相，得到第三誤差信號A W3。[0051 ] 第四步:判斷Δ Wl、或Δ W2或Δ Wl和Δ W2的均值，與Δ W3分別對原子頻標糾偏造成的頻率穩(wěn)定度變化。如果兩種糾偏方式變化都過大，則說明原子頻標受到外部環(huán)境影響，此時不進行糾偏;例如，對于穩(wěn)定度為IE-1I量級原子頻標，如果兩種糾偏的穩(wěn)定度均為1E-10量級，那么可以判斷此時物理模塊被外界影響了，進行糾偏會造成原子頻標系統(tǒng)輸出信號頻率發(fā)生跳變，此時不進行糾偏。如果兩種糾偏方式變化都不明顯過大，執(zhí)行第五步。如果其中一個明顯過大:若明顯過大的是AWl和AW2組成的糾偏，此時不進行糾偏，如果明顯過大的是A W3的糾偏，則執(zhí)行第五步。
[0052]第五步:在第一原子譜線圖上查找經過調制的探測信號兩個邊帶對應的電壓值Vll和V12，在第二原子譜線圖上查找經過調制的探測信號兩個邊帶對應的電壓值V21和V22。計算 Δ Vl和 Δ V2，Δ Vl = Vl 1-V12- Affl, Δ V2 = V21_V22_ Δ W2。當 Δ Vl和 Δ V2的乘積為正時，對原子頻標進行糾偏；當A Vl和△ V2的乘積為負時，不對原子頻標進行糾偏；當A Vl和Δ V2的乘積為O，且Δ Vl不為O時，對原子頻標進行糾偏；當Δ Vl和Δ V2的乘積為O，且Δ Vl為O時，不對原子頻標進行糾偏。
[0053]具體地，進行糾偏時，采用AWl、AW2中的任一個，或者AWl、AW2的均值，對原子頻標進行糾偏。
[0054]具體地，經過調制的探測信號包括兩個邊帶fl、f2，在原子譜線可以查找到對應的電壓值。
[0055]在實現上述判斷過程時，補償模塊105中存儲有第一原子譜線圖和第二原子譜線圖，第一原子譜線圖和第二原子譜線圖是將未經調制的探測信號作用于物理模塊103上，通過掃頻技術擬合得到的，第一原子譜線圖和第一光電池13a對應，第二原子譜線圖和第二光電池132b對應。
[0056]具體地，在物理模塊未接入原子頻標時，通過輸入未經調制的探測信號，然后檢測其輸出，從而擬合原子譜線圖，在此過程中物理模塊中磁場未受到原子頻標中電子線路的影響，擬合得到的原子譜線圖精度高。其中，未經調制的探測信號可以由一個頻率源輸入。其中，掃頻是指控制頻率在一定范圍內逐漸變化。
[0057]本領域普通技術人員可以理解實現上述實施例的全部或部分步驟可以通過硬件來完成，也可以通過程序來指令相關的硬件完成，所述的程序可以存儲于一種計算機可讀存儲介質中，上述提到的存儲介質可以是只讀存儲器，磁盤或光盤等。
[0058]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種具有新型伺服方式的原子頻標，其特征在于，所述具有新型伺服方式的原子頻標包括:壓控晶振、微波產生模塊、物理模塊、鑒相模塊和補償模塊，所述微波產生模塊分別與所述壓控晶振、所述物理模塊和所述鑒相模塊電連接，所述鑒相模塊還與所述物理模塊及所述補償模塊電連接，所述補償模塊還與所述壓控晶振電連接，所述物理模塊包括微波腔，所述微波腔內并排設置有第一光電池、第二光電池和第三光電池，所述第一光電池和所述第二光電池關于所述微波腔的中軸線對稱，所述第三光電池設置在所述第一光電池和所述第二光電池之間。2.根據權利要求1所述的原子頻標，其特征在于，所述物理模塊還包括光譜燈、腔泡、耦合環(huán)、C場線圈、恒溫單元和磁屏，所述微波腔設置在所述光譜燈的光路上，所述腔泡和耦合環(huán)設置在所述微波腔中，且所述腔泡和所述第三光電池依次設置在所述光譜燈的光路上，所述C場線圈、所述恒溫單元和所述磁屏依次圍設在所述微波腔的外圍。3.根據權利要求2所述的原子頻標，其特征在于，所述腔泡為集成濾光共振泡。4.根據權利要求2所述的原子頻標，其特征在于，所述微波腔為TEl11模式的微波腔。5.根據權利要求1-4任一項所述的原子頻標，其特征在于，所述第一光電池、所述第二光電池和所述第三光電池為相同的光電池。6.根據權利要求5所述的原子頻標，其特征在于，所述第一光電池、所述第二光電池和所述第三光電池為在800nm有最強感光效應的硅光電池。7.根據權利要求1-4任一項所述的原子頻標，其特征在于，所述鑒相模塊包括第一同步鑒相單元、第二同步鑒相單元和第三同步鑒相單元，所述第一同步鑒相單元與所述第一光電池電連接，所述第二同步鑒相單元與所述第二光電池電連接，所述第三同步鑒相單元與所述第三光電池電連接。8.根據權利要求1-4任一項所述的原子頻標，其特征在于，所述微波產生模塊包括隔離放大器、射頻倍頻單元、微波倍混頻單元、微處理器和頻率合成器，所述微處理器分別與所述鑒相模塊、所述隔離放大器和所述頻率合成器電連接，所述隔離放大器分別與所述壓控晶振和所述射頻倍頻單元電連接，所述微波倍混頻單元分別與所述射頻倍頻單元、所述頻率合成器及所述物理模塊電連接。9.根據權利要求1-4任一項所述的原子頻標，其特征在于，所述補償模塊為中央處理器芯片。
【文檔編號】H03L7/26GK205545205SQ201620094709
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年1月29日
【發(fā)明人】漆為民
【申請人】江漢大學