Пассивный водородный стандарт частоты

Изобретение относится к квантовым водородным стандартам частоты пассивного типа (ПВСЧ), которые могут быть использованы для работы в качестве генератора высокостабильных, высокоточных, спектрально чистых сигналов.

Принцип действия таких приборов основан на автоподстройке частоты кварцевого генератора 5 МГц по частоте линии излучения атомов водорода, как, например, пассивные водородные стандарты частоты и времени типа Ч1-76, типа VCH-1004, 1006.

В качестве ближайшего аналога предлагаемого технического решения принят пассивный водородный стандарт частоты и времени Ч1-76 (фиг. 1).

Квантовое устройство (квантовый дискриминатор) таких стандартов излучает только под действием внешнего частотно-модулированного сигнала возбуждения. Для этого сигнал 5 МГц кварцевого генератора поступает на модулятор, где осуществляется модуляция его фазы синусоидальным сигналом с частотой 12,5 кГц и индексом модуляции ~ 4⋅10^-3. Далее сигнал умножается до частоты 100 МГц и вместе с сигналом синтезатора 20,405 МГц поступает на широкополосный генератор гармоник. Окончательно частотно-модулированный (ЧМ) сигнал возбуждения с частотой 1420,405 МГц выделяется непосредственно в резонаторе дискриминатора (при взаимодействии 14-й гармоники сигнала 100 МГц и сигнала синтезатора 20,405 МГц).

Квантовый водородный дискриминатор (КВД) может рассматриваться в данном случае как нелинейная резонансная система из двух связанных контуров - спектральной линии с добротностью ~10⁹ и СВЧ резонатора с добротностью ~10⁴. При прохождении через такую двухрезонаторную колебательную систему ЧМ сигнала (с частотой модуляции много больше ширины спектральной линии, но меньше полосы пропускания резонатора) и взаимодействии его с линией излучения атомов и резонатором дискриминатора ЧМ сигнал возбуждения приобретает амплитудно-модулированную (AM) компоненту. Амплитуда и фаза огибающей этого сигнала несет информацию об отклонении частот как кварцевого генератора от частоты линии излучения атомов водорода, так и резонатора. Сигналы об отклонении частот кварцевого генератора и резонатора сдвинуты по фазе на 90°. С выхода дискриминатора сигнал усиливается, преобразуется супергетеродинным приемником с промежуточной частотой (ПЧ) 19,6 МГц, а затем огибающая AM сигнала выделяется амплитудным детектором и разделяется соответствующими фазовращателями на сигналы расстройки резонатора квантового дискриминатора и кварцевого генератора. Из этих сигналов с помощью синхронных детекторов выделяются постоянные напряжения, пропорциональные расстройке кварцевого генератора относительно частоты спектральной линии и СВЧ резонатора относительно частоты кварцевого генератора. Эти постоянные напряжения поступают на цепи управления частотами кварцевого генератора и СВЧ резонатора КВД.

Технической проблемой квантовых ПВСЧ является то обстоятельство, что частота настроенного резонатора не совпадает с частотой линии излучения атомов водорода, вследствие как несимметричности резонансной характеристики резонатора, так и неравномерности амплитудно-частотной характеристики приемного тракта. Это проявляется в высокой зависимости частоты ПВСЧ от интенсивности атомного пучка (~10^-12 - 10^-11) и, соответственно, в высокой температурной чувствительности прибора (~ единиц × 10^-14/°С). Все это ухудшает метрологические характеристик прибора (низкого значения температурного коэффициента частоты, высокой долговременной стабильности его частоты).

Технической задачей, решение которой достигается изобретением, является повышение метрологических характеристик прибора с целью создания пассивного водородного стандарта частоты с малой относительной нестабильностью его частоты.

Сущность технического решения задачи заключается в том, что в пассивном водородном стандарте частоты, включающем последовательно соединенные в кольцо квантовый дискриминатор с (варакторной) петлей связи перестройки частоты его резонатора, преобразователь частоты, амплитудный детектор, первый фазовращатель, первый синхронный детектор, кварцевый генератор, модулятор, второй вход которого подключен к выходу генератора модулирующей частоты, умножитель частоты и генератор гармоник, второй вход которого через перестраиваемый синтезатор частоты подключен ко второму выходу кварцевого генератора, второй вход синхронного детектора соединен со вторым выходом генератора модулирующей частоты, второй синхронный детектор и второй фазовращатель, включенный между выходом амплитудного детектора и входом второго синхронного детектора, в него введена цепочка из последовательно соединенных генератора прямоугольных импульсов и цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен с петлей связи перестройки частоты резонатора квантового дискриминатора, пошагово изменяя ее значение, а второй его вход подключен к выходу второго синхронного детектора, выполненного цифровым и вторым входом соединенного со вторым выходом генератора прямоугольных импульсов.

На фиг. 2 представлена структурная схема предлагаемого стандарта частоты (на фиг. 3 с наименованием блоков стандарта), который включает последовательно соединенные в кольцо квантовый дискриминатор 1 с петлей связи (с варикапом) 2 перестройки частоты его резонатора, СВЧ преобразователь частоты 3 (супергетеродинный приемник), амплитудный детектор 4, первый фазовращатель 5, первый синхронный детектор 6, кварцевый генератор 7, модулятор 8, второй вход которого подключен к выходу генератора модулирующей частоты 9, умножитель частоты 10 и генератор гармоник 11, второй вход которого через перестраиваемый синтезатор частоты 12 подключен ко второму выходу кварцевого генератора 7, второй вход синхронного детектора 6 соединен со вторым выходом генератора модулирующей частоты 9, второй фазовращатель 13 включен между выходом амплитудного детектора 4 и входом второго синхронного детектора 14, цепочка из последовательно соединенных генератора прямоугольных импульсов 15 и цифро-аналогового преобразователя 16, выход которого соединен с петлей связи 2 для перестройки частоты резонатора квантового дискриминатора 1 варикапом (на который подается управляющее напряжение), а второй его вход подключен к выходу второго синхронного детектора 14, выполненного цифровым (программным) и вторым входом соединенного со вторым выходом генератора прямоугольных импульсов 15.

Работа ПВСЧ в части автоподстройки частоты кварцевого генератора 7 к частоте линии излучения атомов водорода дискриминатора 1, назначения, работы и выполнения блоков (квантовый дискриминатор 1 с варакторной петлей связи 2, преобразователь частоты 3, амплитудный детектор 4, фазовращатель 5, синхронный детектор 6, кварцевый генератор 7, модулятор 8, генератор модулирующей частоты 9, умножитель частоты 10, генератор гармоник 11, синтезатор частоты 12, фазовращатель 13) аналогична прототипу и описана выше.

Автоматическая настройка резонатора КВД осуществляется не путем выделения сигнала расстройки резонатора из фазомодулированного частотой 12,5 кГц сигнала накачки 1420,405 … МГц (как в прототипе), а из сигнала в результате переключения частоты резонатора его варикапом, на который подается управляющее двухуровневое напряжение, формируемого из опорного сигнала прямоугольной формы частотой ~45 Гц, выдаваемого генератором 15 (в качестве его может быть использован процессор типа TMS3205402, работающий от внутреннего сигнала или от сигнала частоты 100 МГц с умножителя частоты 10) на вход ЦАП 16 (который выполнен на микросхеме AD5541) и на вход синхронного детектора 14, на другой вход которого поступает сигнал расстройки СВЧ резонатора относительно частоты кварцевого генератора. Синхронный детектор 14, выполненный цифровым, формирует "+" или "-" счетные импульсы в зависимости от совпадения или несовпадения обоих входных сигналов (опорного сигнала прямоугольной формы частотой ~45 Гц и сигнал расстройки резонатора) и посылает их на цифровой аккумулятор ЦАП 16, выполняющий функцию цифрового интегратора. Интегратор управляет выходным двухуровневым напряжением ЦАП 16, подаваемым на настраивающий частоту резонатора варикап 2, пошагово изменяя значение частоты резонатора. Частота настроенного таким методом резонатора в общем случае может не совпадать с частотой атомного перехода из-за несимметричности резонансной характеристики резонатора, изменений добротности резонатора при переключении частоты варикапом, а также из-за спин-обменного сдвига самого атомного перехода. Это обнаруживается в зависимости выходной частоты ПВСЧ от интенсивности пучка, которая составляет порядка единиц 10^-12 (до 5×10^-12) при изменении интенсивности атомного пучка в рабочем диапазоне. Генератор 15 имеет функцию уменьшения этой зависимости точной установкой длительности полупериодов частоты переключения (скважности). Шаг установки скважности выбирается из условий смещения частоты стандарта ~10^-14÷10^-15. В результате такой настройки резонатора КВД выходная частота ПВСЧ практически (в пределах стабильности частоты) не зависит от интенсивности атомного пучка.

Такая система построения ПВСЧ привела к значительному уменьшению температурного коэффициента частоты прибора (1÷2×10^-15 /°С) и, соответственно, улучшению стабильности частоты на времени усреднения 1 сутки до значений (1.5÷2)×10^-15.