一種原子頻標的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種原子頻標，屬于原子頻標領域。所述原子頻標包括光源、原子共振躍遷模塊、光電檢測模塊、壓控晶體振蕩器、綜合模塊、倍混頻模塊、以及伺服模塊，所述原子共振躍遷模塊、所述光電檢測模塊依次設置在所述光源產(chǎn)生光的輸出光路上，所述倍混頻模塊分別與所述壓電晶體振蕩器、所述綜合模塊、所述原子共振躍遷模塊連接，所述光電檢測模塊與所述原子共振躍遷模塊連接，所述伺服模塊分別與所述光電檢測模塊、所述綜合模塊、所述壓控晶體振蕩器連接，所述原子頻標還包括信號源，所述信號源分別與所述壓控晶體振蕩器、所述綜合模塊、所述伺服模塊連接。本實用新型使得微波探詢信號的變化范圍很小，提高了調(diào)整的精確度。
【專利說明】
_種原子頻標
技術領域
[0001 ]本實用新型涉及原子頻標領域，特別涉及一種原子頻標。
【背景技術】
[0002]原子頻標是一種具有優(yōu)良穩(wěn)定度和準確度的頻率源，廣泛應用于衛(wèi)星定位和導航、守時授時、通信、儀器儀表以及天文等領域。
[0003]現(xiàn)有的原子頻標包括光源、原子共振躍迀模塊、光電檢測模塊、壓控晶體振蕩器、綜合模塊、倍混頻模塊、以及伺服模塊。壓控晶體振蕩器輸出的1MHz的頻率信號經(jīng)過綜合模塊獲得5.3124MHz的信號，經(jīng)過倍混頻模塊獲得6840MHz的信號，5.3124MHz的信號和6840MHz的信號混頻獲得6834.6875MHz的微波探詢信號(6834.6875MHz與原子共振躍迀模塊中的原子基態(tài)超精細結構0-0躍迀的中心頻率對應)，微波探詢信號作用于原子共振躍迀模塊，光電檢測模塊檢測獲得光檢信號，伺服模塊對光檢信號進行同步鑒相，產(chǎn)生作用于壓控晶體振蕩器的糾偏電壓，將壓控晶體振蕩器的輸出頻率鎖定在原子基態(tài)超精細0-0中心頻率上。
[0004]在實現(xiàn)本實用新型的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術至少存在以下問題:
[0005]6840MHz遠遠大于5.3124MHz，倍混頻模塊在調(diào)整壓控晶體振蕩器頻率的過程中起主導作用，由于倍混頻模塊會將頻率的變化放大6840MHz/10MHz = 684倍后再作用于原子共振躍迀模塊，使得微波探詢信號的變化范圍較大，降低了調(diào)整的精確度。
【實用新型內(nèi)容】
[0006]為了解決現(xiàn)有技術微波探詢信號的變化范圍較大，降低了調(diào)整的精確度的問題，本實用新型實施例提供了一種原子頻標。所述技術方案如下:
[0007]本實用新型實施例提供了一種原子頻標，所述原子頻標包括光源、原子共振躍迀模塊、光電檢測模塊、壓控晶體振蕩器、綜合模塊、倍混頻模塊、以及伺服模塊，所述原子共振躍迀模塊、所述光電檢測模塊依次設置在所述光源產(chǎn)生光的輸出光路上，所述倍混頻模塊分別與所述壓控晶體振蕩器、所述綜合模塊、所述原子共振躍迀模塊連接，所述光電檢測模塊與所述原子共振躍迀模塊連接，所述伺服模塊分別與所述光電檢測模塊、所述綜合模塊、所述壓控晶體振蕩器連接，所述原子頻標還包括信號源，所述信號源分別與所述壓控晶體振蕩器、所述綜合模塊、所述伺服模塊連接。
[0008]在本實用新型一種可能的實現(xiàn)方式中，所述原子共振躍迀模塊包括集成濾光共振泡、微波腔、均勻磁場線圈、耦合環(huán)、以及磁屏，所述微波腔設置在所述磁屏中，所述耦合環(huán)設置在所述微波腔上，所述均勻磁場線圈繞所述微波腔設置，所述光電檢測模塊和所述集成濾光共振泡設置在所述微波腔中，所述集成濾光共振泡位于所述光源和所述光電檢測模塊的中間。
[0009]可選地，所述原子共振躍迀模塊還包括恒流源，所述恒流源與所述均勻磁場線圈連接。
[0010]在本實用新型另一種可能的實現(xiàn)方式中，所述光電檢測模塊包括至少一個光電池。
[0011]在本實用新型又一種可能的實現(xiàn)方式中，所述原子頻標還包括恒溫器，所述光源和所述原子共振躍迀模塊均設置在所述恒溫器中。
[0012]在本實用新型又一種可能的實現(xiàn)方式中，所述倍混頻模塊包括射頻倍頻單元和微波倍混頻單元，所述射頻倍頻單元分別與所述壓控晶體振蕩器、所述綜合模塊、所述微波倍混頻單元連接，所述微波倍混頻單元與所述原子共振躍迀模塊連接。
[0013]在本實用新型又一種可能的實現(xiàn)方式中，所述原子頻標還包括隔離放大器，所述壓控晶體振蕩器通過所述隔離放大器分別與信號源、所述倍混頻模塊連接。
[0014]在本實用新型又一種可能的實現(xiàn)方式中，所述綜合模塊包括處理器、第一直接數(shù)字式頻率合成器DDS、第二 DDS、第三DDS，所述處理器分別與所述第一 DDS、所述第二 DDS、所述第三DDS連接，所述第一 DDS與所述倍混頻模塊連接，所述第二 DDS與所述第三DDS連接，所述第三DDS的輸出端為所述原子頻標的輸出端。
[0015]可選地，所述第一 DDS、所述第二 DDS、所述第三DDS為AD9854。
[0016]在本實用新型又一種可能的實現(xiàn)方式中，所述信號源為頻率轉換器。
[0017]本實用新型實施例提供的技術方案帶來的有益效果是:
[0018]通過增加信號源，由信號源為綜合模塊提供1MHz的頻率信號進而獲得5.3124MHz的信號，壓控晶體振蕩器為倍混頻模塊提供1MHz的頻率信號進而獲得6840MHz的信號，5.3124MHz的信號和6840MHz的信號混頻獲得6834.6875MHz的微波探詢信號，微波探詢信號作用于原子共振躍迀模塊，光電檢測模塊檢測獲得光檢信號，伺服模塊對光檢信號進行同步鑒相產(chǎn)生的糾偏電壓作用于信號源，一方面實現(xiàn)了將信號源的輸出頻率鎖定在原子基態(tài)超精細0-0中心頻率上，另一方面只通過綜合模塊將頻率的變化放大5.3124MHz/10MHz ?
0.5倍后再作用于原子共振躍迀模塊，綜合模塊在調(diào)整頻率的過程中起主導作用，使得微波探詢信號的變化范圍很小(縮小了 1000倍)，提高了調(diào)整的精確度。
【附圖說明】
[0019]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(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0020]圖1是本實用新型實施例提供的一種原子頻標的結構示意圖；
[0021]圖2是本實用新型實施例提供的微波探詢信號的變化范圍的示意圖；
[0022]圖3是本實用新型實施例提供的原子共振躍迀模塊和倍混頻模塊的結構示意圖；
[0023]圖4是本實用新型實施例提供的綜合模塊的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0024]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。
[0025]實施例
[0026]本實用新型實施例提供了一種原子頻標，參見圖1，該原子頻標包括光源1、原子共振躍迀模塊2、光電檢測模塊3、壓控晶體振蕩器4、綜合模塊5、倍混頻模塊6、以及伺服模塊
7。原子共振躍迀模塊2、光電檢測模塊3依次設置在光源I產(chǎn)生光的輸出光路上，倍混頻模塊6分別與壓控晶體振蕩器4、綜合模塊5、原子共振躍迀模塊2連接，光電檢測模塊3與原子共振躍迀模塊2連接，伺服模塊7分別與光電檢測模塊3、綜合模塊5、壓控晶體振蕩器4連接。該原子頻標還包括信號源8，信號源8分別與壓控晶體振蕩器4、綜合模塊5、伺服模塊7連接。
[0027]下面先結合圖1簡單介紹一下本實用新型實施例提供的原子頻標的工作原理:
[0028]壓控晶體振蕩器4產(chǎn)生1MHz的頻率信號，一路輸出到信號源8，另一路輸出到倍混頻模塊6。信號源8將1MHz的頻率信號輸出到綜合模塊5，綜合模塊5將由1MHz的頻率信號獲得的5.3124MHz的信號輸出到倍混頻模塊6。倍混頻模塊6對1MHz的頻率信號倍頻，獲得6840MHz的信號，并將5.3124MHz的信號和6840MHz的信號混頻獲得6834.6875MHz的微波探詢信號。微波探詢信號作用于原子共振躍迀模塊2，改變光源I通過原子共振躍迀模塊2的光，光電檢測模塊4檢測獲得光檢信號。伺服模塊7在保持壓控晶體振蕩器4輸出信號頻率不變的同時，對光檢信號進行同步鑒相，產(chǎn)生的糾偏電壓作用于信號源8，將信號源8的輸出頻率鎖定在原子基態(tài)超精細0-0中心頻率上。
[0029]圖2示出了糾偏電壓分別作用于壓控晶體振蕩器4、信號源8時微波探詢信號的變化范圍，其中，AFa為糾偏電壓作用于壓控晶體振蕩器4時微波探詢信號的變化范圍，AFb為糾偏電壓作用于信號源8時微波探詢信號的變化范圍。從圖2可看出，糾偏電壓作用于信號源時微波探詢信號的變化范圍很小，提高了調(diào)整的精確度。
[0030]具體地，當微波探詢信號的中心頻率高于原子躍迀頻率時，光電池的輸出信號(SP光檢信號)和微波的調(diào)制信號(即綜合模塊5的輸出信號)同頻同相，經(jīng)過伺服同步鑒相產(chǎn)生一個負的糾偏電壓，使信號源8輸出信號頻率變低；當微波探詢信號的中心頻率低于原子躍迀頻率時，光電池的輸出信號和微波的調(diào)制信號同頻反相，經(jīng)過伺服同步鑒相產(chǎn)生一個正的糾偏電壓，使信號源8輸出信號頻率變高；當微波探詢信號的中心頻率等于原子躍迀頻率時，光電池的輸出信號頻率是微波的調(diào)制信號頻率的兩倍，經(jīng)過伺服同步鑒相不產(chǎn)生糾偏電壓，從而將信號源8的輸出頻率鎖定在原子基態(tài)超精細0-0中心頻率上。
[0031]具體地，信號源8可以為頻率轉換器，信號源8的輸出信號具有與壓控晶體振蕩器4一樣的頻率特性(如穩(wěn)定性)。
[0032]在本實施例的一種實現(xiàn)方式中，參見圖3，原子共振躍迀模塊2可以包括集成濾光共振泡21、微波腔22、均勻磁場線圈23、耦合環(huán)24、以及磁屏25，微波腔22設置在磁屏25中，耦合環(huán)24設置在微波腔22上，均勻磁場線圈23繞微波腔22設置，光電檢測模塊3和集成濾光共振泡21設置在微波腔22中，集成濾光共振泡21位于光源I和光電檢測模塊3的中間。
[0033]可選地，參見圖2，原子共振躍迀模塊2還可以包括恒流源26，恒流源26與均勻磁場線圈23連接。
[0034]可選地，光電檢測模塊3可以包括至少一個光電池。透過原子共振躍迀模塊2的光照射到光電池上產(chǎn)生光檢測電流，光電池的輸出電流和照射到它上面的光強成正比。當輸入的微波探詢信號頻率正好等于原子基態(tài)超精細躍迀頻率時，原子共振躍迀模塊中的原子吸收光子最多，透射光最弱，光電池的輸出電流最小。
[0035]在本實施例的另一種實現(xiàn)方式中，參見圖3，倍混頻模塊6可以包括射頻倍頻單元61和微波倍混頻單元62，射頻倍頻單元61分別與壓控晶體振蕩器4、綜合模塊5、微波倍混頻單元62連接，微波倍混頻單元62與原子共振躍迀模塊2連接。
[0036]壓控晶體振蕩器4輸出1MHz的頻率信號至射頻倍頻單元61，射頻倍頻單元61進行X 16次信號倍頻處理，將得到的160MHz的射頻信號輸出至微波倍混頻單元62。微波倍混頻單元62對160MHz的射頻信號和綜合模塊5輸出的45.3125MHz 土 Af調(diào)制信號分別作X 16次信號倍頻及混頻處理，最終得到(160MHz X 43)-45.3125MHz 土 Af = 6834.6875MHz 土 Af的微波探詢信號。
[0037]在本實施例的又一種實現(xiàn)方式中，參見圖4，綜合模塊5可以包括處理器51、第一直接數(shù)字式頻率合成器(Direct Digital Synthesizer，簡稱DDS)52、第二DDS 53、第三DDS54，處理器51分別與第一DDS 52、第二DDS 53、第三DDS 54連接，第一DDS 52與倍混頻模塊6連接，第二DDS 53與第三DDS 54連接，第三DDS 54的輸出端為原子頻標的輸出端。
[0038]信號源8輸出1MHz的頻率信號至處理器51的外部時鐘輸入端(XTAL)，作為處理器51工作時的時鐘參考。處理器51分別產(chǎn)生三路相位關系可調(diào)整的方波信號，其中一路79Hz鍵控調(diào)頻信號輸出至第一DDS 52的頻移鍵控(Frequency-shift keying，簡稱FSK)鍵控調(diào)頻輸入端口，一路79Hz同步鑒相參考信號用作同步鑒相，一路4倍頻調(diào)制信號用作鎖定檢測。經(jīng)射頻倍頻單元61得到的160MHz的射頻信號送至第一DDS 52的外部時鐘基準輸入端(RefClk)，用作至第一DDS 52工作時的參考時鐘。通過處理器51和第一DDS 52間的串行時序通訊，第一DDS 52根據(jù)FSK端處理器51送來的79Hz鍵控調(diào)頻方波信號的高、低電平狀態(tài)分別選取內(nèi)部48位頻率控制寄存器中處理器51輸入的綜合調(diào)制分頻數(shù)值預置頻率作為輸出，從而產(chǎn)生原子頻標綜合環(huán)節(jié)所需的45.3125MHz ± Af調(diào)制信號輸出。預置的兩個頻率控制寄存器中的頻率差值則決定了微波探詢信號調(diào)制深度的大小。與處理器51控制第一DDS 52產(chǎn)生綜合調(diào)制信號的原理類似，處理器51通過串行通訊時序，將同樣的分頻數(shù)值傳遞給第二DDS 53，產(chǎn)生不帶調(diào)制的45.3125MHz的頻率信號輸出。將第二DDS 53得到的45.3125MHz的頻率信號送入第三DDS 54的外部時鐘基準輸入端(RefClk)，用作第三DDS 53工作時的參考時鐘。處理器51根據(jù)串行通訊時序，將相應的整機頻率輸出數(shù)值傳遞給第三DDS 54，從而得到原子頻標整機頻率信號輸出。
[0039]由于第一DDS52和第二DDS 53的外部參考時鐘信號頻率為160MHz，而綜合調(diào)制產(chǎn)生的調(diào)制信號為45.3125MHz，故對第一DDS 52和第二DDS 53編程時不使用其內(nèi)部的鎖相環(huán)(Phase Locked Loop，簡稱PLL)倍頻模塊，這樣可以提高輸入輸出信噪比。處理器對第一DDS 52和第二DDS 53的分頻數(shù)值輸入編程時，按照如下公式進行設置:
[0040]D = f/f0*248；
[0041 ] 式中fO為DDS外部參考時鐘信號的頻率(如160MHz)，f為預置在內(nèi)部48位頻率控制寄存器中的信號頻率(如45.3125MHz)，D即為處理器對DDS輸入的具體綜合調(diào)制分頻數(shù)值，以€ = 45.312510^，抑=16010^為例，對應的數(shù)值0為(45.312510^/1601取)\ 248。將所得到的十進制值轉化為二進制對應48bits的頻率控制寄存器的值。根據(jù)相應的串行通訊時序，通過處理器將相應的48bits值寫入DDS緩沖區(qū)后，在DDS的輸出引腳端將會產(chǎn)生頻率為45.3125MHz的綜合調(diào)制信號輸出。
[0042] 將第二DDS 53產(chǎn)生的45.3125MHz頻率信號送入第三DDS 54的外部時鐘參考端，用作第三DDS 54工作時用參考時基。處理器51根據(jù)上述公式將原子頻標預置的1MHz整機輸出頻率值以二進制bit的方式通過串行通訊時序送入第三DDS 54的緩沖區(qū)，使其在輸出端產(chǎn)生相應的整機頻率信號輸出。由于第三DDS 54的外部參考時基采用第二DDS 53產(chǎn)生的綜合調(diào)制頻率信號，因此當伺服環(huán)路得到相應的量子糾偏信息后，會修改相應的第二DDS 53的綜合調(diào)制信號的頻率，這樣亦會引起第三DDS 54整機輸出信號的頻率發(fā)生變化，即替代了傳統(tǒng)的通過糾偏電壓作用于壓控晶體振蕩器4的方式來改變本振的輸出頻率值。另外，對于整機輸出頻率信號采用了直接數(shù)字合成的方式，使得原子頻標在一定應用范圍內(nèi)充當了一個穩(wěn)定度較高的綜合器角色。用戶可以根據(jù)實際應用中的要求，通過處理器51提供的用戶輸入端口，方便地修改第三DDS 54的整機輸出信號的頻率值。
[0043]可選地，第一DDS52、第二DDS 53、第三DDS 54可以為AD9854。
[0044]在本實施例的又一種實現(xiàn)方式中，參見圖1，該原子頻標還可以包括恒溫器9，光源I和原子共振躍迀模塊2均設置在恒溫器9中。
[0045]在本實施例的又一種實現(xiàn)方式中，參見圖1，該原子頻標還可以包括隔離放大器10，壓控晶體振蕩器4通過隔離放大器10分別與信號源8、倍混頻模塊6連接。
[0046]本實用新型實施例通過增加信號源，由信號源為綜合模塊提供1MHz的頻率信號進而獲得5.3124MHz的信號，壓控晶體振蕩器為倍混頻模塊提供1MHz的頻率信號進而獲得6840MHz的信號，5.3124MHz的信號和6840MHz的信號混頻獲得6834.6875MHz的微波探詢信號，微波探詢信號作用于原子共振躍迀模塊，光電檢測模塊檢測獲得光檢信號，伺服模塊對光檢信號進行同步鑒相產(chǎn)生的糾偏電壓作用于信號源，一方面實現(xiàn)了將信號源的輸出頻率鎖定在原子基態(tài)超精細O - O中心頻率上，另一方面只通過綜合模塊將頻率的變化放大5.3124MHz/1OMHz ? 0.5倍后再作用于原子共振躍迀模塊，綜合模塊在調(diào)整頻率的過程中起主導作用，使得微波探詢信號的變化范圍很小(縮小了 1000倍)，提高了調(diào)整的精確度。
[0047]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(nèi)，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(nèi)。
【主權項】
1.一種原子頻標，所述原子頻標包括光源、原子共振躍迀模塊、光電檢測模塊、壓控晶體振蕩器、綜合模塊、倍混頻模塊、以及伺服模塊，所述原子共振躍迀模塊、所述光電檢測模塊依次設置在所述光源產(chǎn)生光的輸出光路上，所述倍混頻模塊分別與所述壓控晶體振蕩器、所述綜合模塊、所述原子共振躍迀模塊連接，所述光電檢測模塊與所述原子共振躍迀模塊連接，所述伺服模塊分別與所述光電檢測模塊、所述綜合模塊、所述壓控晶體振蕩器連接，其特征在于，所述原子頻標還包括信號源，所述信號源分別與所述壓控晶體振蕩器、所述綜合模塊、所述伺服模塊連接。2.根據(jù)權利要求1所述的原子頻標，其特征在于，所述原子共振躍迀模塊包括集成濾光共振泡、微波腔、均勻磁場線圈、耦合環(huán)、以及磁屏，所述微波腔設置在所述磁屏中，所述耦合環(huán)設置在所述微波腔上，所述均勻磁場線圈繞所述微波腔設置，所述光電檢測模塊和所述集成濾光共振泡設置在所述微波腔中，所述集成濾光共振泡位于所述光源和所述光電檢測模塊的中間。3.根據(jù)權利要求2所述的原子頻標，其特征在于，所述原子共振躍迀模塊還包括恒流源，所述恒流源與所述均勻磁場線圈連接。4.根據(jù)權利要求1-3任一項所述的原子頻標，其特征在于，所述光電檢測模塊包括至少一個光電池。5.根據(jù)權利要求1-3任一項所述的原子頻標，其特征在于，所述原子頻標還包括恒溫器，所述光源和所述原子共振躍迀模塊均設置在所述恒溫器中。6.根據(jù)權利要求1-3任一項所述的原子頻標，其特征在于，所述倍混頻模塊包括射頻倍頻單元和微波倍混頻單元，所述射頻倍頻單元分別與所述壓控晶體振蕩器、所述綜合模塊、所述微波倍混頻單元連接，所述微波倍混頻單元與所述原子共振躍迀模塊連接。7.根據(jù)權利要求1-3任一項所述的原子頻標，其特征在于，所述原子頻標還包括隔離放大器，所述壓控晶體振蕩器通過所述隔離放大器分別與信號源、所述倍混頻模塊連接。8.根據(jù)權利要求1-3任一項所述的原子頻標，其特征在于，所述綜合模塊包括處理器、第一直接數(shù)字式頻率合成器DDS、第二 DDS、第三DDS，所述處理器分別與所述第一 DDS、所述第二 DDS、所述第三DDS連接，所述第一 DDS與所述倍混頻模塊連接，所述第二 DDS與所述第三DDS連接，所述第三DDS的輸出端為所述原子頻標的輸出端。9.根據(jù)權利要求8所述的原子頻標，其特征在于，所述第一DDS、所述第二 DDS、所述第三DDS為AD9854。10.根據(jù)權利要求1-3任一項所述的原子頻標，其特征在于，所述信號源為頻率轉換器。
【文檔編號】H03L7/26GK205622622SQ201521045979
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年12月15日
【發(fā)明人】鄭廣, 雷海東
【申請人】江漢大學