Квантовый стандарт частоты

Квантовый стандарт частоты

Реферат

Изобретение относится к технике стабилизации частоты и может быть использовано в квантовых стандартах частоты пассивного типа с квантовыми дискриминаторами на основе газовых ячеек или атомно-лучевых трубок.

Принцип работы квантового стандарта частоты основан на стабилизации частоты подстраиваемого кварцевого генератора относительно частоты спектральной линии, соответствующей определенному квантовому переходу, реализуемому в квантовом дискриминаторе, см., например, [1] - А.И.Пихтелев, А.А.Ульянов, Б.П.Фатеев и др. Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов // М., Сов. радио, 1978, с.5; [2] - F.Emma, G.Busca, P.Rochat. Atomic Clocks for Space Applications // ION GPS-99 Proceedings, 1999, pp.2285-2293. В обобщенном виде структурная схема квантового стандарта частоты содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения, квантовый дискриминатор и блок формирования управляющего напряжения, выход которого подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора, а также блок формирования опорных сигналов, связанный своими выходами с соответствующими входами блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения и блока формирования управляющего напряжения, а входом - с выходом подстраиваемого кварцевого генератора, см., например, патент РФ [3] - RU 2220499 С2, H03L 7/16, H01S 3/10, 27.12.2003. Блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения формирует из выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (гармонического сигнала с частотой f₁) модулированный по фазе (частоте) СВЧ-сигнал радиочастотного возбуждения, номинальное значение несущей частоты f₂ которого соответствует частоте f₀ рабочего атомного перехода квантового дискриминатора. Частота f₀ стабильна и поэтому используется в качестве эталона для подстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора. Квантовый дискриминатор формирует на своем выходе сигнал, несущий информацию об отклонении текущего значения частоты f₂ от эталонной частоты f₀. Блок формирования управляющего напряжения на основе выходного сигнала квантового дискриминатора формирует сигнал ошибки, а затем путем интегрирования формирует управляющее напряжение для подстраиваемого кварцевого генератора. Под действием управляющего напряжения частота f₁ выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора и связанная с ней несущая частота f₂ сигнала радиочастотного возбуждения изменяются в сторону уменьшения сигнала ошибки, осуществляя тем самым стабилизацию частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора относительно эталонной частоты f₀.

Наиболее простым с точки зрения формирования сигнала радиочастотного возбуждения является случай, когда номинальное значение частоты f₁ выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора связано целочисленным соотношением со значением частоты f₀, т.е. f₁=f₀/N, где N - целое число. В этом случае блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения может быть выполнен достаточно просто на основе фазового модулятора и умножителя частоты, реализующего функцию f₂=f₁·N, см., например, квантовый стандарт частоты, представленный в патенте США [4] - US 6300841 B1, H03L 7/26, 09.10.2001, Fig.2. Однако в таком квантовом стандарте частоты номинальное значение частоты f₁ выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора не кратно секунде, что для ряда применений является недостатком, в частности это неудобно для формирования шкалы времени.

Более удобными для практического использования, в том числе для формирования шкалы времени, являются квантовые стандарты частоты, в которых номинальное значение частоты f₁ выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора, используемого в качестве выходного сигнала квантового стандарта частоты, кратно секунде. Однако, поскольку номинальное значение частоты f₁ выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора в этом случае не связано с частотой f₀ рабочего атомного перехода квантового дискриминатора целочисленным соотношением, то это усложняет задачу формирования сигнала радиочастотного возбуждения, требуя применения нелинейного преобразования частоты, реализуемого обычно на основе смесителя, например как в квантовом стандарте частоты, представленном в патенте США [5] - US 6985043 В2, H01S 1/06, 10.01.2006, Fig.14, выбранном в качестве прототипа.

Квантовый стандарт частоты, выбранный в качестве прототипа, содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения, квантовый дискриминатор и блок формирования управляющего напряжения, выход которого подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора, а также блок формирования опорных сигналов, низкочастотный выход которого соединен с опорным входом блока формирования управляющего напряжения и низкочастотным опорным входом блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, высокочастотный выход соединен с высокочастотным опорным входом блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, а вход соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора.

Блок формирования опорных сигналов состоит из синтезатора частоты, вход и выход которого образуют соответственно вход и высокочастотный выход блока формирования опорных сигналов, и низкочастотного генератора, выход которого образует низкочастотный выход блока формирования опорных сигналов.

Квантовый дискриминатор выполнен на основе газовой ячейки с рабочим веществом в виде паров рубидия Rb⁸⁷ (частота рабочего атомного перехода f₀=6834,68… МГц). Газовая ячейка размещена в СВЧ-резонаторе, настроенном на частоту f₀, радиочастотный вход которого является входом радиочастотного возбуждения квантового дискриминатора. Газовая ячейка оптически связана с источником света оптической накачки и фотодетектором, выход которого образует выход квантового дискриминатора.

Блок формирования управляющего напряжения содержит последовательно соединенные усилитель, синхронный детектор и интегратор. Вход усилителя образует сигнальный вход блока формирования управляющего напряжения, соединенный с выходом квантового дискриминатора, выход интегратора образует выход блока формирования управляющего напряжения, соединенный с управляющим входом подстраиваемого кварцевого генератора, а опорный вход синхронного детектора образует опорный вход блока формирования управляющего напряжения, соединенный с низкочастотным выходом блока формирования опорных сигналов.

Блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения содержит последовательно соединенные фазовый модулятор, фазовый детектор, фильтp, управляемый генератор и смеситель, а также делитель частоты на N, где N=342, вход которого соединен с выходом управляемого генератора, а выход - со вторым входом фазового детектора. Таким образом, управляемый генератор включен в кольцо фазовой автоподстройки частоты, состоящее из управляемого генератора, делителя частоты, фазового детектора и фильтра, реализующее функцию косвенного умножения частоты. В этом кольце управляемый генератор является объектом управления, фазовый детектор выполняет функцию элемента сравнения, сравнивающего входной сигнал, поступающий с выхода фазового модулятора, с сигналом обратной связи, поступающим с выхода делителя частоты, а делитель частоты - элементом, задающим соотношение значений несущей частоты выходного сигнала управляемого генератора и несущей частоты сигнала, поступающего с выхода фазового модулятора. Фазовый модулятор и смеситель по отношению к этому кольцу являются внешними входными и выходными элементами. Сигнальный вход фазового модулятора образует сигнальный вход блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, соединенный с выходом подстраиваемого кварцевого генератора. Опорный вход фазового модулятора образует низкочастотный опорный вход блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, соединенный с низкочастотным выходом блока формирования опорных сигналов. Второй вход смесителя образует высокочастотный опорный вход блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, соединенный с высокочастотным выходом блока формирования опорных сигналов. Выход смесителя образует выход блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, соединенный с входом радиочастотного возбуждения квантового дискриминатора.

Работа квантового стандарта частоты, принятого в качестве прототипа, осуществляется следующим образом. Выходной сигнал подстраиваемого кварцевого генератора, номинальное значение частоты f₁ которого составляет 20 МГц, поступает на вход блока формирования опорных сигналов, где на его основе синтезируется высокочастотный опорный сигнал с частотой f_сч, а также формируется низкочастотный опорный сигнал с частотой f_м.

Выходной сигнал подстраиваемого кварцевого генератора поступает также на сигнальный вход блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, а именно на сигнальный вход фазового модулятора. На опорный вход фазового модулятора с низкочастотного выхода блока формирования опорных сигналов поступает низкочастотный опорный сигнал, значение частоты которого f_м=155 Гц выбрано с учетом ширины спектральной линии квантового дискриминатора. С выхода фазового модулятора фазомодулированный сигнал с несущей частотой f₁ поступает на первый вход фазового детектора, являющегося входным элементом схемы косвенного умножения частоты, обеспечивающей формирование на выходе управляемого генератора фазомодулированного сигнала с несущей частотой f_н=f₁·N. Этот сигнал поступает на первый вход смесителя, на второй вход которого с высокочастотного выхода блока формирования опорных сигналов поступает высокочастотный опорный сигнал, значение частоты которого f_cч=5,31… МГц выбрано как разница номинального значения несущей частоты f_н=f₁·N=6840 МГц и частоты рабочего атомного перехода квантового дискриминатора f₀=6834,68… МГц. В результате преобразования, осуществляемого в смесителе, на выходе смесителя формируется сложный по спектру сигнал, состоящий из ряда гармоник, представляющих собой фазомодулированные сигналы суммарных и разностных частот. Одна из этих гармоник, значение несущей частоты f₂ которой определяется выражением f₂=f_н-f_сч=f₁·N-f_сч используется в качестве сигнала радиочастотного возбуждения квантового дискриминатора.

Квантовый дискриминатор реализует механизм двойного радиооптического резонанса поглощения сигнала радиочастотного возбуждения в рабочем веществе газовой ячейки с детектированием резонанса поглощения по свету оптической накачки, прошедшему через газовую ячейку, с помощью фотодетектора. При этом в качестве полезного сигнала используется одна из спектральных составляющих выходного сигнала фотодетектора с частотой, соответствующей частоте f_м модуляции сигнала радиочастотного возбуждения, амплитуда и фаза которой несут в себе информацию об отклонении несущей частоты f₂ сигнала радиочастотного возбуждения от частоты f₀ рабочего атомного перехода квантового дискриминатора.

Эта информация в виде сигнала ошибки выделяется в результате синхронного детектирования, осуществляемого в блоке формирования управляющего напряжения относительно опорного сигнала с частотой f_м, поступающего с низкочастотного выхода блока формирования опорных сигналов. Полученный в результате синхронного детектирования сигнал ошибки далее интегрируется с получением управляющего напряжения для подстраиваемого кварцевого генератора.

Под действием управляющего напряжения, поступающего на управляющий вход подстраиваемого кварцевого генератора, частота его выходного сигнала f₁ изменяется в сторону уменьшения сигнала ошибки, приводя связанную с ней частоту f₂ в соответствие с частотой f₀. Таким образом осуществляется процесс стабилизации частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (выходного сигнала квантового стандарта частоты) относительно стабильной частоты f₀ рабочего атомного перехода квантового дискриминатора в условиях, когда номинальное значение частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора кратно секунде (в рассмотренном случае f₁=20 МГц), что удобно для формирования шкалы времени.

Однако некратное преобразование частоты f₁ в частоту f₂, осуществляемое в блоке формирования сигнала радиочастотного возбуждения с использованием смесителя на своем выходе, приводит к обогащению спектра формируемого сигнала радиочастотного возбуждения нежелательными спектральными составляющими, обусловленными нелинейными процессами преобразования в смесителе (в частности, ближайшими спектральными составляющими, кратными опорной частоте f_сч), что в конечном итоге проявляется в увеличении текущей «шумовой» нестабильности частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора и в сдвигах ее действительного значения.

Очевидное, на первый взгляд, решение проблемы очищения спектра сигнала радиочастотного возбуждения путем применения дополнительных элементов фильтрации на выходе блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения на практике не применяется из-за технических сложностей, возникающих при попытках реализовать фильтры нужной добротности в гигагерцевом диапазоне частот, совместимые с СВЧ-резонатором квантового дискриминатора.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является создание квантового стандарта частоты с новой структурой блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, обеспечивающей в условиях некратного преобразования частоты с использованием смесителя получение сигнала радиочастотного возбуждения с улучшенным спектром, что приводит, по сравнению с прототипом, к уменьшению сдвигов и нестабильности частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (выходного сигнала квантового стандарта частоты).

Сущность заявляемого изобретения заключается в следующем. Квантовый стандарт частоты содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения, квантовый дискриминатор и блок формирования управляющего напряжения, выход которого подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора, а также блок формирования опорных сигналов, низкочастотный выход которого соединен с опорным входом блока формирования управляющего напряжения и низкочастотным опорным входом блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, высокочастотный выход соединен с высокочастотным опорным входом блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, а вход соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора, при этом блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения содержит последовательно соединенные фазовый модулятор, опорный вход которого образует низкочастотный опорный вход блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, фазовый детектор, фильтр, управляемый генератор и делитель частоты, а также смеситель. В отличие от прототипа, второй вход фазового детектора соединен с выходом смесителя, первый вход которого образует сигнальный вход блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, а второй вход соединен с выходом делителя частоты, при этом выход управляемого генератора образует выход блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, а сигнальный вход фазового модулятора - высокочастотный опорный вход блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения.

Сущность изобретения и возможность его осуществления поясняются структурной схемой квантового стандарта частоты, представленной на чертеже.

Заявляемый квантовый стандарт частоты, представленный на структурной схеме, содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор 1, выход которого является выходом квантового стандарта частоты, блок 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, квантовый дискриминатор 3 и блок 4 формирования управляющего напряжения, выход которого подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора 1, а также блок 5 формирования опорных сигналов, низкочастотный выход которого соединен с опорным входом блока 4 формирования управляющего напряжения и низкочастотным опорным входом блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, высокочастотный выход соединен с высокочастотным опорным входом блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, а вход соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора 1.

Блок 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения содержит фазовый детектор 6, фильтр 7, управляемый генератор 8, делитель частоты 9, фазовый модулятор 10 и смеситель 11. Первый вход фазового детектора 6 соединен с выходом фазового модулятора 10, второй вход фазового детектора 6 соединен с выходом смесителя 11, выход фазового детектора 6 через фильтр 7 соединен с входом управляемого генератора 8. Первый вход смесителя 11 образует сигнальный вход блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, соединенный с выходом подстраиваемого кварцевого генератора 1. Второй вход смесителя 11 через делитель частоты 9, имеющий коэффициент деления N, где N - целое число, соединен с выходом управляемого генератора 8. Сигнальный вход фазового модулятора 10 образует высокочастотный опорный вход блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, соединенный с высокочастотным выходом блока 5 формирования опорных сигналов. Опорный вход фазового модулятора 10 образует низкочастотный опорный вход блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, соединенный с низкочастотным выходом блока 5 формирования опорных сигналов. Выход управляемого генератора 8 образует выход блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, соединенный с входом радиочастотного возбуждения квантового дискриминатора 3.

Квантовый дискриминатор 3 может быть выполнен, например, как в прототипе, на основе газовой ячейки с рабочим веществом в виде паров рубидия Rb⁸⁷ (частота рабочего атомного перехода f₀=6834,68… МГц). Газовая ячейка размещена в СВЧ-резонаторе, настроенном на частоту f₀, и оптически связана с источником света оптической накачки и фотодетектором, входящими в состав квантового дискриминатора 3. Радиочастотный вход СВЧ-резонатора образует вход радиочастотного возбуждения квантового дискриминатора 3, соединенный с выходом блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, а выход фотодетектора образует выход квантового дискриминатора 3, соединенный с сигнальным входом блока 4 формирования управляющего напряжения.

Блок 4 формирования управляющего напряжения может быть выполнен, как в прототипе, в виде последовательно соединенных усилителя, синхронного детектора и интегратора. При этом вход усилителя образует сигнальный вход блока 4 формирования управляющего напряжения, соединенный с выходом квантового дискриминатора 3, выход интегратора образует выход блока 4 формирования управляющего напряжения, соединенный с управляющим входом подстраиваемого кварцевого генератора 1, а опорный вход синхронного детектора образует опорный вход блока 4 формирования управляющего напряжения, соединенный с низкочастотным выходом блока 5 формирования опорных сигналов.

Блок 5 формирования опорных сигналов может быть выполнен в виде синтезатора частот, формирующего на основе выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 два опорных сигнала - высокочастотный опорный сигнал с частотой f_сч и низкочастотный опорный сигнал с частотой f_м.

Работа заявляемого квантового стандарта частоты происходит следующим образом.

Подстраиваемый кварцевый генератор 1 формирует на своем выходе гармонический сигнал частотой f₁, номинальное значение которой кратно секунде, например f₁=10 МГц, и соответственно не кратно частоте f₀ рабочего атомного перехода квантового дискриминатора 3. Этот сигнал поступает на вход блока 5 формирования опорных сигналов, где на его основе формируются (синтезируется) высокочастотный опорный сигнал с частотой f_сч и низкочастотный опорный сигнал с частотой f_м. Значение частоты f_сч связано со значением частоты f₁ выражением f_сч=К_сч·f₁, где К_сч - коэффициент высокочастотного преобразования (дробное число), а значение частоты f_м, связано со значением частоты f₁ выражением f_м=f₁/К_нч, где К_нч - коэффициент низкочастотного преобразования (целое число). Высокочастотный и низкочастотный опорные сигналы поступают на высокочастотный и низкочастотный опорные входы блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, образованные соответствующими входами фазового модулятора 10. Кроме этого, низкочастотный опорный сигнал поступает на опорный вход блока 4 формирования управляющего напряжения.

Выходной сигнал подстраиваемого кварцевого генератора 1 поступает также на сигнальный вход блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, на высокочастотный и низкочастотный опорные входы которого поступают высокочастотный и низкочастотный опорные сигналы с соответствующих выходов блока 5 формирования опорных сигналов. На основе этих трех входных сигналов в блоке 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения формируется фазомодулированный (с частотой модуляции f_м) СВЧ-сигнал радиочастотного возбуждения, номинальное значение несущей частоты f₂ которого (отвечающее номинальному значению частоты f₁) соответствует частоте f₀ рабочего атомного перехода квантового дискриминатора 3.

Формирование сигнала радиочастотного возбуждения осуществляется с помощью управляемого генератора 8, являющегося выходным элементом схемы фазовой автоподстройки частоты, реализующей функцию повышающего некратного преобразования частоты. Эта схема содержит соединенные в кольцо фазовый детектор 6, фильтр 7, управляемый генератор 8, делитель частоты 9 и смеситель 11, при этом фазовый модулятор 10 является по отношению к этой схеме внешним элементом, обеспечивающим формирование фазомодулированного сигнала сравнения с несущей частотой f_cч для фазового детектора 6. Работа схемы фазовой автоподстройки частоты по формированию сигнала радиочастотного возбуждения происходит следующим образом. Выходной сигнал подстраиваемого кварцевого генератора 1, поступающий на сигнальный вход блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, проходит на первый вход смесителя 11, на второй вход которого через делитель частоты 9, имеющий коэффициент деления N, поступает выходной сигнал управляемого генератора 8, являющийся выходным сигналом блок 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения. На выходе смесителя 11 выделяется разностный сигнал промежуточной частоты f_пч=|f₁-f₂/N|, значение которой в установившемся режиме соответствует частоте f_cч.

Разностный сигнал промежуточной частоты f_пч далее сравнивается в фазовом детекторе 6 с выходным сигналом фазового модулятора 10, представляющим собой модулированный по фазе с частотой f_м высокочастотный сигнал с несущей частотой

f_сч=K_cч·f₁. В результате сравнения этих сигналов на выходе фазового детектора 6 формируется сигнал рассогласования, который после фильтрации в фильтре 7, представляющем собой, например, фильтр нижних частот с частотой среза, примерно равной частоте модуляции f_м, поступает на вход управляемого генератора 8, подстраивая его выходной фазомодулированный СВЧ-сигнал таким образом, что в установившемся режиме в отношении несущей частоты выполняется равенство f_пч=f_cч, т.е. |f₁-f₂/N|=f_cч, а в отношении фазовой модуляции сохраняется частота модуляции f_м выходного сигнала фазового модулятора 10 (см., например, монографию [6] - А.Д.Артым. Теория и методы частотной модуляции. //М.-Л., Госэнергоиздат, 1961, с.155-170).

Таким образом, за счет действия схемы фазовой автоподстройки частоты в блоке 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения поддерживается равенство |f₁-f₂/N|=f_cч. Из этого равенства следует, что если номинальное значение частоты f₁ отвечает условию f₁>f₀/N, то текущее значение частоты f₂ связано с частотой f₁ выражением f₂=(f₁-f_cч)·N=f₁·(1-К_сч)·N, а если отвечает условию f₁<f₀/N, то текущее значение частоты f₂ связано с частотой f₁ выражением f₂=(f₁+f_cч)·N=f₁·(1+К_сч)·N. В обоих случаях значение частоты f₂ однозначно определяется частотой f₁ и значениями коэффициентов N и К_сч.

Значения коэффициентов N и К_cч взаимосвязаны и выбор первого из них предопределяет выбор второго. В общем случае выбор коэффициентов N и К_сч может осуществляться в широких пределах, на практике выбор коэффициентов производится исходя из удобства реализации. В частности, коэффициент N может выбираться как ближайшее целое к числу, определяемому отношением f₀/f₁, причем это целое должно представляться произведением простых сомножителей, удобных для реализации. Например, в квантовом стандарте частоты, использующем квантовый дискриминатор 3 на рубидиевой газовой ячейке (f₀=6834,68… МГц), при выбранном номинальном значении частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 f₁=10 МГц значение коэффициента N может быть выбрано как N=2⁹=512, а связанное с ним значение коэффициента К_сч как К_cч=0,334…, при этом f_сч=K_cч·f₁=3,34… МГц.

Значение частоты f_м, определяемое выражением f_м=f₁/К_нч, выбирается в соответствии с шириной спектральной линии квантового дискриминатора 3, например в пределах f_м=(30÷170) Гц, с учетом удобства реализации коэффициента K_нч.

Сформированный рассмотренным образом выходной сигнал управляемого генератора 8, являющийся выходным сигналом блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, не содержит в своем спектре нежелательных составляющих, обусловленных нелинейными процессами некратного преобразования частоты в смесителе 11, что объясняется фильтрацией, осуществляемой в отношении этих составляющих фазовым детектором 6, фильтром 7 и в целом замкнутой в кольцо схемой фазовой автоподстройки частоты, в состав которой входит смеситель 11. Это принципиально отличает заявляемый квантовый стандарт частоты от прототипа, где смеситель находится вне кольца фазовой автоподстройки частоты на выходе блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения и его выходной сигнал, содержащий нежелательные гармоники, является выходным сигналом блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения.

Выходной сигнал управляемого генератора 8, являющийся в заявляемом квантовом стандарте частоты выходным сигналом блока 2 формирования сигнала радиочастотного возбуждения, поступает на вход радиочастотного возбуждения квантового дискриминатора 3. Квантовый дискриминатор 3 реализует механизм двойного радиооптического резонанса поглощения сигнала радиочастотного возбуждения в рабочем веществе газовой ячейки с детектированием резонанса поглощения по свету оптической накачки, прошедшему через газовую ячейку, с помощью фотодетектора. При этом на выходе фазового детектора формируется полезный сигнал с частотой, соответствующей частоте f_м модуляции сигнала радиочастотного возбуждения. Амплитуда и фаза этого сигнала несут в себе информацию об отклонении несущей частоты f₂ сигнала радиочастотного возбуждения от частоты f₀ рабочего атомного перехода квантового дискриминатора 3.

Этот полезный сигнал поступает с выхода квантового дискриминатора 3 на сигнальный вход блока 4 формирования управляющего напряжения, где усиливается и подвергается синхронному детектированию относительно низкочастотного опорного сигнала с частотой f_м, поступающего на его опорный вход с низкочастотного выхода блока 5 формирования опорных сигналов. В результате синхронного детектирования формируется сигнал ошибки, характеризующий величину и знак отклонения несущей частоты f₂ сигнала радиочастотного возбуждения от частоты f₀ рабочего атомного перехода квантового дискриминатора 3. Этот сигнал ошибки далее интегрируется с получением управляющего напряжения, которое с выхода блока 4 формирования управляющего напряжения поступает на управляющий вход подстраиваемого кварцевого генератора 1.

Под действием управляющего напряжения, поступающего на управляющий вход подстраиваемого кварцевого генератора 1, частота его выходного сигнала изменяется в сторону уменьшения сигнала ошибки. В результате текущее значение частоты f₁ выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 приводится в соответствие со своим номинальным значением, а значение несущей частоты f₂ сигнала радиочастотного возбуждения - в соответствие с частотой f₀ рабочего атомного перехода квантового дискриминатора 3.

Таким образом осуществляется процесс стабилизации частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 (выходного сигнала квантового стандарта частоты) относительно стабильной частоты f₀ рабочего атомного перехода квантового дискриминатора 3 в рассматриваемых условиях, когда номинальное значение частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 не связано с частотой f₀ рабочего атомного перехода квантового дискриминатора 3 целочисленным соотношением. При этом за счет отсутствия в спектре формируемого сигнала радиочастотного возбуждения нежелательных составляющих, обусловленных нелинейными процессами в смесителе 11, обеспечивается уменьшение, по сравнению с прототипом, текущей «шумовой» нестабильности частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 и сдвигов ее действительного значения.

Аналогичным образом и с аналогичным эффектом работает квантовый стандарт частоты, использующий квантовый дискриминатор 3 на основе цезиевой атомно-лучевой трубки (f₀=9192,6… МГц). В этом случае при указанном номинальном значении частоты f₁ подстраиваемого кварцевого генератора 1, а именно f₁=10 МГц, значения коэффициентов N и К_сч могут быть выбраны как N=2⁹=512и К_сч=0,795..., при этом f_cч=K_cч·f₁=7,95… МГц, а значение частоты f_м может находиться в пределах f_м=(30÷170) Гц.

Рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение осуществимо и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании квантового стандарта частоты с новой структурой блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, обеспечивающей в условиях некратного преобразования частоты с использованием смесителя получение сигнала радиочастотного возбуждения с улучшенным спектром, что позволяет в итоге получить более точный и стабильный выходной сигнал квантового стандарта частоты.

Источники информации

1. А.И.Пихтелев, А.А.Ульянов, Б.П.Фатеев и др. Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов // М., Сов. радио, 1978.

2. F.Emma, G.Busca, P.Rochat. Atomic Clocks for Space Applications. //ION GPS-99 Proceedings, 1999, pp.2285-2293.

3. RU 2220499 C2, H03L 7/16, H01S 3/10, опубл. 27.12.2003.

4. US 6300841 B1, H03L 7/26, опубл. 09.10.2001.

5. US 6985043 B2, H01S 1/06, опубл. 10.01.2006.

6. А.Д.Артым. Теория и методы частотной модуляции. // М.-Л., Госэнергоиздат, 1961.

Квантовый стандарт частоты, содержащий последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения, квантовый дискриминатор и блок формирования управляющего напряжения, выход которого подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора, а также блок формирования опорных сигналов, низкочастотный выход которого соединен с опорным входом блока формирования управляющего напряжения и низкочастотным опорным входом блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, высокочастотный выход соединен с высокочастотным опорным входом блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, а вход соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора, при этом блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения содержит последовательно соединенные фазовый модулятор, опорный вход которого образует низкочастотный опорный вход блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, фазовый детектор, фильтр, управляемый генератор и делитель частоты, а также смеситель, отличающийся тем, что второй вход фазового детектора соединен с выходом смесителя, первый вход которого образует сигнальный вход блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, а второй вход соединен с выходом делителя частоты, при этом выход управляемого генератора образует выход блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, а сигнальный вход фазового модулятора - высокочастотный опорный вход блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения.