Квантовый стандарт частоты на газовой ячейке (варианты)

Полезная модель относится к технике стабилизации частоты и может быть использована для формирования шкалы времени. Техническим результатом является уменьшение нестабильности частоты выходного сигнала квантового стандарта частоты. Квантовый стандарт частоты содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, повышающий преобразователь частоты, квантовый дискриминатор, понижающий преобразователь частоты, амплитудный детектор, детектор сигнала рассогласования в виде синхронного детектора и формирователь управляющего напряжения. Повышающий преобразователь частоты содержит входной блок в виде умножителя частоты и выходной блок - в первом варианте - в виде фазового модулятора, во втором варианте - в виде фазового модулятора и двух выходных умножителей частоты, один из которых соединен с выходом, а другой - с входом фазового модулятора. В состав квантового стандарта частоты входит также синтезатор частоты, связанный входом с выходом подстраиваемого кварцевого генератора, а выходами - с опорным входом детектора сигнала рассогласования и модулирующим входом повышающего преобразователя частоты, образованным модулирующим входом его выходного блока. При этом понижающий преобразователь частоты связан своим опорным входом с гетеродинным выходом повышающего преобразователя частоты, образованном в первом варианте выходом его входного блока, а во втором варианте - гетеродинным выходом его выходного блока. Квантовый дискриминатор содержит размещенную в СВЧ резонаторе газовую ячейку с рабочим веществом в виде паров щелочного металла и источник света оптической накачки, оптически связанный с газовой ячейкой. Выход квантового дискриминатора образован выходом его СВЧ резонатора. В качестве паров щелочного металла в газовой ячейке могут быть использованы пары натрия, или калия, или рубидия, или цезия. 2 н.з. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

Группа полезных моделей относится к технике стабилизации частоты и может быть использована в квантовых стандартах частоты пассивного типа на газовой ячейке, например, для формирования шкалы времени.

Принцип работы квантового стандарта частоты пассивного типа на газовой ячейке основан на стабилизации частоты кварцевого генератора по частоте спектральной линии поглощения атомного перехода рабочего вещества, находящегося в газовой ячейке СВЧ резонатора квантового дискриминатора, 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. Осуществляется это за счет включения подстраиваемого кварцевого генератора в кольцо автоматической подстройки частоты (АПЧ), где в качестве эталона используется частота атомного перехода рабочего вещества квантового дискриминатора (частота атомного перехода квантового дискриминатора).

Типичным примером квантового стандарта частоты рассматриваемого типа является рубидиевый квантовый стандарт частоты, представленный в патенте [2] - US №6300841 (B1), H03L 7/26, 09.10.2001, Fig.2. Этот квантовый стандарт частоты содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо АПЧ квантовый дискриминатор с частотой атомного перехода f ₀, усилитель выходного сигнала квантового дискриминатора, синхронный детектор, выполняющий функцию детектора сигнала рассогласования, интегратор, выполняющий функцию формирователя управляющего напряжения для подстраиваемого кварцевого генератора, подстраиваемый кварцевый генератор с номинальной частотой, кратной частоте f ₀, выход которого является выходом квантового стандарта частоты, и повышающий преобразователь частоты, состоящий из фазового модулятора и умножителя частоты. В состав квантового стандарта частоты также входит низкочастотный генератор, выход которого подключен к модулирующему входу повышающего преобразователя частоты, образованному соответствующим входом его фазового модулятора, и к опорному входу синхронного детектора. Умножитель

частоты, входящий в состав повышающего преобразователя частоты, выполнен по схеме косвенного умножения частоты с использованием управляемого генератора с цепью фазовой автоподстройки частоты. Квантовый дискриминатор содержит размещенную в СВЧ резонаторе газовую ячейку (ячейку поглощения) с рабочим веществом в виде паров щелочного металла рубидия Rb⁸⁷ (частота рабочего атомного перехода f₀=6834,6...МГц), а также оптически связанные с газовой ячейкой источник света оптической накачки на спектральной лампе и фотодетектор, формирующий выходной низкочастотный сигнал квантового дискриминатора.

Рассматриваемый квантовый стандарт частоты работает на принципе двойного радиооптического резонанса поглощения высокочастотного модулированного сигнала в рабочем веществе, находящемся в газовой ячейке СВЧ резонатора, настроенного на частоту f₀. Детектирование резонанса поглощения осуществляется фотодетектором по свету оптической накачки, прошедшему через газовую ячейку, с формированием на выходе фотодетектора гармоник низкочастотного сигнала, определяемых частотой модуляции. Первая гармоника выходного сигнала фотодетектора, частота которой соответствует частоте выходного сигнала низкочастотного генератора, несущая в своей амплитуде и фазе информацию об отклонении несущей частоты f_вч высокочастотного модулированного сигнала, поступающего в СВЧ резонатор с выхода повышающего преобразователя частоты, относительно частоты f₀ атомного перехода рубидия Rb⁸⁷, используется в качестве полезного выходного сигнала квантового дискриминатора. Этот сигнал усиливается и обрабатывается в синхронном детекторе относительно опорного сигнала, поступающего с выхода низкочастотного генератора, с выделением сигнала рассогласования. Сигнал рассогласования поступает на вход интегратора, который формирует управляющее напряжение для подстраиваемого кварцевого генератора. Под действием управляющего напряжения частота выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора изменяется в сторону уменьшения сигнала рассогласования, приводя частоту f_вч к частоте f₀. Таким образом, за счет действия кольца АПЧ осуществляется процесс стабилизации частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (выходного сигнала квантового стандарта частоты) в соответствии со стабильной частотой f0 атомного перехода квантового дискриминатора. При этом, однако, высокий уровень шумов, присутствующих в выходном сигнале квантового дискриминатора, негативно влияет на процесс подстройки кварцевого генератора, что проявляется, в частности, в повышенной текущей «шумовой» нестабильности частоты выходного

сигнала подстраиваемого кварцевого генератора, т.е. выходного сигнала квантового стандарта частоты.

Высокий уровень шумов на выходе квантового дискриминатора в рассматриваемом квантовом стандарте частоты обусловлен собственными шумами повышающего преобразователя частоты, собственными шумами фотодетектора и нерезонансной засветкой фотодетектора нерезонансными линиями света оптической накачки, что приводит к появлению значительной постоянной «подставки» в амплитудно-частотной характеристике квантового дискриминатора, пропорциональной уровню шума на его выходе. Общий вид амплитудно-частотной I_фд (f_вч) и фазочастотной (f_вч) характеристик квантового дискриминатора с фотодетектором, иллюстрирующих характер зависимости амплитуды I_фд и фазы полезного выходного сигнала квантового дискриминатора от несущей частоты f_вч высокочастотного сигнала, поступающего в СВЧ резонатор с выхода повышающего преобразователя частоты, представлен на фиг.1. Амплитудно-частотная характеристика I_фд(f_вч) представляет собой контур линии Лоренца с высотой I_л и шириной W_л на уровне 0,5 I _д, располагающейся на постоянной «подставке» I _з, превышающей I_л примерно в 10 раз (см., например, [3] - К.Одуан, Б.Гино. Измерение времени. Основы GPS // М., Техносфера, 2002, с.238.).

К рассматриваемому типу квантовых стандартов частоты относится также рубидиевый квантовый стандарт частоты, представленный в патенте [4] - US №6985043 (В2), H01S 1/06, 10.01.2006, Fig.2. Этот квантовый стандарт частоты содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо АПЧ квантовый дискриминатор с частотой атомного перехода f ₀, усилитель выходного сигнала квантового дискриминатора, синхронный детектор, выполняющий функцию детектора сигнала рассогласования, интегратор, выполняющий функцию формирователя управляющего напряжения для подстраиваемого кварцевого генератора, подстраиваемый кварцевый генератор с номинальной частотой, некратной частоте f ₀, и повышающий преобразователь частоты, состоящий из фазового модулятора, умножителя частоты, выполненного по схеме косвенного умножения частоты с использованием управляемого генератора с цепью фазовой автоподстройки частоты, и смесителя. В состав квантового стандарта частоты входит также формирователь сигналов опорных частот, состоящий из низкочастотного генератора, выход которого подключен к модулирующему входу повышающего преобразователя частоты, образованному соответствующим входом его фазового модулятора, и опорному входу синхронного детектора, и синтезатора частоты, вход которого подключей

к выходу подстраиваемого кварцевого генератора, а выход - к гетеродинному входу повышающего преобразователя частоты, образованному соответствующим входом его смесителя. Квантовый дискриминатор содержит размещенную в СВЧ резонаторе газовую ячейку (ячейку поглощения) с рабочим веществом в виде паров щелочного металла рубидия Rb⁸⁷, а также оптически связанные с газовой ячейкой источник света оптической накачки на спектральной лампе и фотодетектор, формирующий выходной низкочастотный сигнал квантового дискриминатора.

Данный квантовый стандарт частоты работает аналогично квантовому стандарту частоты [2] на принципе двойного радиооптического резонанса поглощения высокочастотного модулированного сигнала в рабочем веществе, находящемся в газовой ячейке СВЧ резонатора, настроенного на частоту f₀. Детектирование резонанса поглощения в квантовом дискриминаторе осуществляется фотодетектором по свету оптической накачки, прошедшему через газовую ячейку, с формированием на выходе фотодетектора гармоник низкочастотного сигнала, определяемых частотой модуляции. Первая гармоника выходного сигнала фотодетектора, частота которой соответствует частоте выходного сигнала низкочастотного генератора, несущая в своей амплитуде и фазе информацию об отклонении несущей частоты f_вч высокочастотного модулированного сигнала, поступающего в СВЧ резонатор с выхода повышающего преобразователя частоты, относительно частоты f₀ атомного перехода рубидия Rb⁸⁷, используется в качестве полезного выходного сигнала квантового дискриминатора. Этот сигнал усиливается и обрабатывается в синхронном детекторе относительно опорного сигнала, поступающего с выхода низкочастотного генератора, с выделением сигнала рассогласования. Сигнал рассогласования поступает на вход интегратора, который формирует управляющее напряжение для подстраиваемого кварцевого генератора. Под действием управляющего напряжения частота выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора изменяется в сторону уменьшения сигнала рассогласования, обеспечивая тем самым стабилизацию частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора в соответствии со стабильной частотой f₀ атомного перехода квантового дискриминатора. При этом, как и в рассмотренном выше квантовом стандарте частоты [2], имеет место повышенная «шумовая» нестабильность частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора, обусловленная теми же причинами, что и в квантовом стандарте частоты [2].

В качестве прототипа заявляемой группы полезных моделей выбран квантовый стандарт частоты на газовой ячейке, представленный в работе [5] - F.Emma, G.Busca, P.Rochat. Atomic Clocks fоr Space Applications // ION GRS-99 Proceedings, 1999, pp.2285-2293.

Квантовый стандарт частоты на газовой ячейке, принятый в качестве прототипа, содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо АПЧ подстраиваемый кварцевый генератор, повышающий преобразователь частоты, содержащий входной блок в виде умножителя частоты и выходной блок в виде модулирующего генератора, квантовый дискриминатор, детектор сигнала рассогласования в виде синхронного детектора и формирователь управляющего напряжения, выход которого подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора. Квантовый дискриминатор содержит размещенную в СВЧ резонаторе газовую ячейку с рабочим веществом в виде паров щелочного металла рубидия Rb⁸⁷ (f ₀=6834,6...МГц), а также оптически связанные с газовой ячейкой источник света оптической накачки и фотодетектор. В состав квантового стандарта частоты также входит синтезатор частоты, вход которого соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора, выход высокочастотного модулированного сигнала соединен с модулирующим входом повышающего преобразователя частоты, образованным модулирующим входом его выходного блока (модулирующим входом модулирующего генератора), а выход низкочастотного сигнала соединен с опорным входом детектора сигнала рассогласования (опорным входом синхронного детектора).

Работа квантового стандарта частоты, принятого в качестве прототипа, происходит следующим образом.

В качестве эталона для стабилизации частоты кварцевого генератора используется резонансная частота линии поглощения квантового дискриминатора, определяемая частотой f₀ атомного перехода рабочего вещества, находящегося в газовой ячейке СВЧ резонатора, настроенного на частоту f₀. Квантовый дискриминатор реализует, как и в аналогах [2] и [4], принцип двойного радиооптического резонанса с поглощением входного высокочастотного модулированного по фазе сигнала в рабочем веществе газовой ячейки, находящейся в СВЧ резонаторе, и оптическим детектированием резонанса поглощения по свету оптической накачки, прошедшему через газовую ячейку в фотодетектор, с формированием на выходе фотодетектора гармоник низкочастотного сигнала, определяемых частотой модуляции и зависящих от отклонения несущей частоты

f_вч поступающего в СВЧ резонатор входного высокочастотного модулированного сигнала относительно частоты f₀ рабочего атомного перехода рубидия Rb⁸⁷. Частотные характеристики квантового дискриминатора I_фд (f_вч) и (f_вч) те же, что и в аналогах [2] и [4] (фиг.1).

Подстраиваемый кварцевый генератор формирует на своем выходе гармонический сигнал с частотой f _г, номинальное значение которой (например 10,0 МГц) некратно частоте f₀ атомного перехода квантового дискриминатора, определяемой частотой рабочего атомного перехода рубидия Rb⁸⁷ (f₀=6834,6... МГц).

Выходной сигнал подстраиваемого кварцевого генератора поступает на сигнальный вход повышающего преобразователя частоты, а также на вход синтезатора частоты.

На основе выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора в синтезаторе частоты формируются два сигнала: низкочастотный сигнал, частота f _м которого соответствует полуширине контура линии поглощения W_л квантового дискриминатора (фиг.1), и высокочастотный модулированный сигнал, несущая частота f _сч которого, некратная частоте f_г , модулирована указанным низкочастотным сигналом. Эти сигналы поступают, соответственно, на опорный вход детектора сигнала рассогласования (опорный вход синхронного детектора) и модулирующий вход повышающего преобразователя частоты.

В повышающем преобразователе частоты с помощью входного и выходного блоков (умножителя частоты и модулирующего генератора) осуществляется высокократное умножение частоты f_г выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора и модуляция его фазы высокочастотным модулированным сигналом с несущей частотой f_сч с получением гармоник, одна из которых представляет собой промодулированный по фазе частотой f _м высокочастотный сигнал, номинальное значение несущей частоты f_вч которого соответствует частоте f₀ атомного перехода квантового дискриминатора. Эта гармоника используется в качестве выходного сигнала повышающего преобразователя частоты.

Выходной сигнал повышающего преобразователя частоты поступает на вход квантового дискриминатора, который формирует на своем выходе (выходе фотодетектора) низкочастотный сигнал, представленный гармониками, кратными частоте f _м и зависящими от величины и знака рассогласования частот f₀ и f_вч. Этот сигнал поступает на сигнальный вход детектора сигнала рассогласования (на сигнальный вход

синхронного детектора), где его первая гармоника синхронно детектируется относительно фазы низкочастотного (f_м) сигнала, поступающего с соответствующего выхода синтезатора частоты, с выделением сигнала рассогласования, величина и знак постоянной составляющей которого зависят от величины и знака рассогласования частот f₀ и f _вч. Сигнал рассогласования поступает на вход формирователя управляющего напряжения, формирующего на своем выходе управляющее напряжение для подстраиваемого кварцевого генератора. Под действием управляющего напряжения частота f_г выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора и связанная с ней несущая частота f_вч выходного сигнала повышающего преобразователя частоты изменяются в сторону уменьшения сигнала рассогласования, т.е. в сторону уменьшения разницы между частотами f_вч и f₀.

Таким образом, за счет действия кольца АПЧ осуществляется процесс стабилизации частоты f_г выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора в соответствии со стабильной частотой f ₀ атомного перехода квантового дискриминатора.

Недостатком квантового стандарта частоты, принятого в качестве прототипа, как и рассмотренных выше аналогов [2] и [4], является значительный вклад «шумовой» компоненты в текущую нестабильность частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора, что обусловлено, в частности, использованием метода оптического детектирования резонанса с использованием фотодетектора, для которого характерны высокий уровень собственных шумов и нерезонансная засветка нерезонансными линиями света оптической накачки.

Техническим результатом, на достижение которого направлены заявляемые полезные модели, является создание квантовых стандартов частоты на газовой ячейке с уменьшенной «шумовой» нестабильностью частоты выходного сигнала. Достижение данного результата позволяет с большей эффективностью использовать квантовые стандарты частоты рассматриваемого типа в целях формирования шкалы времени, а также для обеспечения высокоточной синхронизации при работе радиотехнических систем различного назначения.

Сущность полезной модели по первому варианту заключается в следующем. Квантовый стандарт частоты на газовой ячейке содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо АПЧ подстраиваемый кварцевый генератор, повышающий преобразователь частоты, содержащий входной блок в виде умножителя частоты и выходной блок, квантовый дискриминатор, детектор сигнала рассогласования в виде синхронного детектора и формирователь управляющего напряжения, выход которого

соединен с управляющим входом подстраиваемого кварцевого генератора, а также синтезатор частоты, вход которого соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора, выход высокочастотного модулированного сигнала соединен с модулирующим входом повышающего преобразователя частоты, образованным модулирующим входом его выходного блока, а выход низкочастотного сигнала соединен с опорным входом детектора сигнала рассогласования, причем квантовый дискриминатор содержит газовую ячейку с рабочим веществом в виде паров щелочного металла, размещенную в СВЧ резонаторе, и источник света оптической накачки, оптически связанный с газовой ячейкой. В отличие от прототипа, соединение выхода квантового дискриминатора, образованного выходом его СВЧ резонатора, с сигнальным входом детектора сигнала рассогласования осуществлено через последовательно соединенные понижающий преобразователь частоты, опорный вход которого соединен с гетеродинным выходом повышающего преобразователя частоты, и амплитудный детектор, причем гетеродинный выход повышающего преобразователя частоты образован выходом его входного блока, а выходной блок повышающего преобразователя частоты выполнен в виде фазового модулятора, сигнальный вход, выход и модулирующий вход которого являются, соответственно, сигнальным входом, выходом и модулирующим входом выходного блока повышающего преобразователя частоты.

Сущность полезной модели по второму варианту заключается в следующем. Квантовый стандарт частоты на газовой ячейке содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо АПЧ подстраиваемый кварцевый генератор, повышающий преобразователь частоты, содержащий входной блок в виде умножителя частоты и выходной блок, квантовый дискриминатор, детектор сигнала рассогласования в виде синхронного детектора и формирователь управляющего напряжения, выход которого соединен с управляющим входом подстраиваемого кварцевого генератора, а также синтезатор частоты, вход которого соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора, выход высокочастотного модулированного сигнала соединен с модулирующим входом повышающего преобразователя частоты, образованным модулирующим входом его выходного блока, а выход низкочастотного сигнала соединен с опорным входом детектора сигнала рассогласования, причем квантовый дискриминатор содержит газовую ячейку с рабочим веществом в виде паров щелочного металла, размещенную в СВЧ резонаторе, и источник света оптической накачки, оптически связанный с газовой ячейкой. В отличие от прототипа, соединение выхода квантового дискриминатора,

образованного выходом его СВЧ резонатора, с сигнальным входом детектора сигнала рассогласования осуществлено через последовательно соединенные понижающий преобразователь частоты, опорный вход которого соединен с гетеродинным выходом повышающего преобразователя частоты, и амплитудный детектор, причем гетеродинный выход повышающего преобразователя частоты образован гетеродинным выходом его выходного блока, содержащего последовательно соединенные фазовый модулятор и первый выходной умножитель частоты, а также второй выходной умножитель частоты, вход которого соединен с сигнальным входом фазового модулятора, при этом сигнальный и модулирующий входы фазового модулятора и выходы первого и второго выходных умножителей частоты являются, соответственно, сигнальным и модулирующим входами и сигнальным и гетеродинным выходами выходного блока повышающего преобразователя частоты.

В частных случаях реализации в обоих вариантах в качестве паров щелочного металла в газовой ячейке могут быть использованы пары натрия, или калия, или рубидия, или цезия, понижающий преобразователь частоты выполнен в виде последовательно соединенных селективного усилителя, смесителя и усилителя промежуточной частоты, причем вход селективного усилителя, опорный вход смесителя и выход усилителя промежуточной частоты являются, соответственно, сигнальным входом, опорным входом и выходом понижающего преобразователя частоты, а входной блок повышающего преобразователя частоты выполнен в виде умножителя частоты с прямым преобразованием частоты.

Сущность заявляемых полезных моделей и возможность их осуществления поясняются иллюстративными материалами, представленными на фиг.1-4, где:

на фиг.1 представлен общий вид амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик квантового дискриминатора в прототипе и аналогах;

на фиг.2 - обобщенная структурная схема квантового стандарта частоты на газовой ячейке по первому варианту;

на фиг.3 - обобщенная структурная схема квантового стандарта частоты на газовой ячейке по второму варианту;

на фиг.4 - общий вид амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик квантового дискриминатора в квантовом стандарте частоты на газовой ячейке по обоим вариантам.

Заявляемые квантовые стандарты частоты на газовой ячейке (далее - квантовые стандарты частоты) по двум вариантам (фиг.2, 3) содержат последовательно соединенные в замкнутое кольцо АПЧ подстраиваемый кварцевый генератор 1, выход которого является выходом квантового стандарта частоты, повышающий преобразователь частоты 2, содержащий последовательно соединенные входной 3 и выходной 4 блоки, квантовый дискриминатор 5, понижающий преобразователь частоты 6, амплитудный детектор 7, детектор 8 сигнала рассогласования в виде синхронного детектора и формирователь 9 управляющего напряжения, выход которого соединен с управляющим входом подстраиваемого кварцевого генератора 1, а также синтезатор частоты 10, вход которого соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора 1, выход высокочастотного модулированного сигнала соединен с модулирующим входом повышающего преобразователя частоты 2, образованным модулирующим входом его выходного блока 4, а выход низкочастотного сигнала соединен с опорным входом детектора 8 сигнала рассогласования

Квантовый дискриминатор 5 содержит СВЧ резонатор 11, внутри которого находится газовая ячейка 12 (ячейка поглощения) с рабочим веществом в виде паров щелочного металла, а также оптически связанный с газовой ячейкой 12 источник света оптической накачки 13, выполненный, например, на основе безэлектродной спектральной лампы. В качестве паров щелочного металла в газовой ячейке 12 могут быть использованы пары натрия (например Na²³), калия (например К³⁹), рубидия (например Rb ⁸⁷) или цезия (например Cs¹³³), используемые, в частности, в газовых ячейках устройств магнитометрии, см., например, [6] - Н.М.Померанцев, В.М.Рыжков, Г.В.Скроцкий. Физические основы квантовой магнитометрии // М., Наука, 1973, с.39. Эти рабочие вещества характеризуются близкой энергетической структурой атомных уровней, что позволяет реализовывать двойной радиооптический резонанс с использованием рабочих атомных переходов в качестве высокодобротных линий поглощения в квантовых дискриминаторах.

Вход и выход квантового дискриминатора 5 образованы раздельными элементами связи в виде петель или щелей связи СВЧ резонатора 11. Резонансная частота СВЧ резонатора 11 соответствует частоте f₀ рабочего атомного перехода используемого рабочего вещества, а полоса пропускания СВЧ резонатора 11 значительно больше ширины контура линии атомного перехода используемого рабочего вещества.

Понижающий преобразователь частоты 6 содержит последовательно соединенные селективный усилитель 14, смеситель 15 и усилитель промежуточной частоты 16. Вход селективного усилителя 14, опорный вход смесителя 15 и выход усилителя промежуточной частоты 16 являются, соответственно, сигнальным входом, опорным входом и выходом понижающего преобразователя частоты 6.

Входной блок 3 повышающего преобразователя частоты 2 выполнен в виде умножителя частоты с прямым преобразованием частоты, при котором выходной сигнал формируется из входного без использования дополнительного управляемого генератора, см., например, [7] - В.Манассевич. Синтезаторы частоты. Теория и проектирование //М, Связь, 1979, с.15-26.

В первом варианте (фиг.2) выходной блок 4 повышающего преобразователя частоты 2 выполнен в виде фазового модулятора, сигнальный вход, выход и модулирующий вход которого являются, соответственно, сигнальным входом, выходом и модулирующим входом выходного блока 4. Во втором варианте (фиг.3) выходной блок 4 повышающего преобразователя частоты 2 содержит последовательно соединенные фазовый модулятор 17 и первый выходной умножитель частоты 18, а также второй выходной умножитель частоты 19, вход которого соединен с сигнальным входом фазового модулятора 17, причем сигнальный и модулирующий входы фазового модулятора 17 и выходы первого 18 и второго 19 выходных умножителей частоты являются, соответственно, сигнальным и модулирующим входами и сигнальным и гетеродинным выходами выходного блока 4. Первый вариант характеризуется минимумом элементов в повышающем преобразователе частоты 2, однако требует применения дорогостоящего высокочастотного фазового модулятора для реализации выходного блока 4. Во втором варианте повышающий преобразователь частоты 2 имеет большее число элементов, но используется более простой фазовый модулятор 17, работающий на более низкой частоте.

В первом варианте (фиг.2) опорный вход понижающего преобразователя частоты 6 (опорный вход смесителя 15) соединен с гетеродинным выходом повышающего преобразователя частоты 2, образованным выходом его входного блока 3. Во втором варианте (фиг.3) опорный вход понижающего преобразователя частоты 6 (опорный вход смесителя 15) соединен с гетеродинным выходом повышающего преобразователя частоты 2, образованным гетеродинным выходом его выходного блока 4 (выходом выходного умножителя частоты 19).

Все элементы квантовых стандартов частоты по обоим вариантам в части возможности воспроизведения их на практике являются известными и не представляют трудностей с выполнением возложенных на них функций.

Заявляемые квантовые стандарты частоты работают следующим образом.

В обоих вариантах в качестве эталона для стабилизации частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1 используется резонансная частота линии поглощения квантового дискриминатора 5, определяемая частотой f ₀ атомного перехода рабочего вещества газовой ячейки 12 СВЧ резонатора 11. Например, в случае использования в качестве рабочего вещества паров рубидия Rb⁸⁷ значение частоты f₀=6834,6... МГц.

Квантовый дискриминатор 5 работает как детектор резонанса поглощения входного высокочастотного модулированного по фазе сигнала с несущей частотой f_вч в рабочем веществе с получением в результате ослабленного высокочастотного сигнала с приобретенной амплитудной модуляцией и его гармоник. Параметры выходного сигнала квантового дискриминатора 3 определяются его амплитудно-частотной Р _кл(f_вч) и фазочастотной (f_вч) характеристиками, общий вид которых в области частоты f₀ представлен на фиг.4. Поскольку, как указано выше, полоса пропускания СВЧ резонатора 11 квантового дискриминатора 5 значительно больше ширины W_л контура линии атомного перехода используемого рабочего вещества, то частотные свойства СВЧ резонатора 11 не отражаются в представленных на фиг.4 частотных характеристиках квантового дискриминатора 5. По существу, амплитудно-частотная характеристика Р_кл(f_вч ) квантового дискриминатора 5 представляет собой контур линии поглощения входного высокочастотного сигнала рабочим веществом газовой ячейки 12. Характерной особенностью этой амплитудно-частотной характеристики, отличающей ее от амплитудно-частотной характеристики квантового дискриминатора в прототипе, является отсутствие шумовой «подставки», обусловленной в прототипе нерезонансной засветкой фотодетектора нерезонансными линиями света оптической накачки. При этом фазочастотная характеристика (f_вч) квантового дискриминатора 5 имеет вид плавно изменяющейся в диапазоне ±/2 кривой с изменением знака в области частоты f ₀.

Подстраиваемый кварцевый генератор 1 формирует на своем выходе, являющемся выходом квантового стандарта частоты, гармонический сигнал с частотой f_г, номинальное значение которой равно, например, 5,0 МГц, что некратно частоте f₀ атомного перехода квантового дискриминатора 5. Такое значение частоты f_г удобно для формирования шкалы времени, представленной секундными метками времени.

Выходной сигнал подстраиваемого кварцевого генератора 1 поступает на вход синтезатора частоты 10. На основе этого сигнала в синтезаторе частоты 10 формируется (например путем деления частоты) низкочастотный сигнал с частотой f_м (порядка нескольких десятков герц), соответствующей полуширине контура линии поглощения W_л квантового дискриминатора 5 (фиг.4). Этот сигнал снимается с выхода низкочастотного сигнала синтезатора частоты 10 и поступает на опорный вход детектора 8 сигнала рассогласования. Кроме этого, в синтезаторе частоты 10 формируется высокочастотный сигнал U_cч с несущей частотой f_сч=К _сч·f_г, где К _сч - коэффициент преобразования частоты синтезатора 10 (дробное число), модулированный по фазе указанным низкочастотным сигналом с частотой f_м, т.е. U _cч=A₁·Cos[2·f_cч+(t)], где: (t)=D·Sin(2·f_м·t), D - индекс фазовой модуляции, t - время. Этот сигнал снимается с выхода высокочастотного модулированного сигнала синтезатора частоты 10 и поступает на модулирующий вход повышающего преобразователя частоты 2 (на модулирующий вход его выходного блока 4).

Выходной сигнал подстраиваемого кварцевого генератора 1 поступает также на сигнальный вход повышающего преобразователя частоты 2, где с помощью входного 3 и выходного 4 блоков осуществляется высокократное умножение частоты f _г выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 и модуляция его фазы высокочастотным модулированным сигналом U_cч с несущей частотой f _сч с образованием гармоник, одна из которых представляет собой промодулированный по фазе частотой 1 м высокочастотный сигнал, номинальное значение несущей частоты f _вч которого равно частоте f₀ атомного перехода квантового дискриминатора 5. Эта гармоника используется в качестве выходного рабочего сигнала повышающего преобразователя частоты 2, снимаемого с его сигнального выхода. Кроме этого в повышающем преобразователе частоты 2 осуществляется формирование выходного гетеродинного сигнала с частотой N·f _г, где N - целое число. Гетеродинный сигнал снимается с гетеродинного выхода повышающего преобразователя частоты 2 и поступает на опорный вход понижающего преобразователя частоты 6 (опорный вход смесителя 15).

В первом варианте (фиг.2) формирование указанных сигналов в повышающем преобразователе частоты 2 осуществляется следующим образом. С помощью входного блока 3, представляющего собой умножитель частоты, частота f _г выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 умножается в целое число раз N. Преобразованный таким образом сигнал с частотой N·f_г снимается с гетеродинного выхода повышающего

преобразователя частоты 2. Кроме того этот сигнал поступает на сигнальный вход выходного блока 4, представляющего собой фазовый модулятор. В выходном блоке 4 этот сигнал модулируется по фазе высокочастотным модулированным сигналом U_сч, поступающим на модулирующий вход повышающего преобразователя частоты 2 с соответствующего выхода синтезатора частоты 10. В результате модуляции образуются гармоники - боковые спектральные составляющие - с несущими частотами n·f_г±m·f _cч, где n и m - целые числа, причем каждая из этих гармоник промодулирована по фазе частотой f_м. Одна из полученных таким образом гармоник с несущей частотой f _вч, номинальное значение которой равно частоте f ₀ атомного перехода квантового дискриминатора 3, отфильтровывается и используется в качестве выходного рабочего сигнала повышающего преобразователя частоты 2.

Во втором варианте (фиг.3) частота f_г выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 с помощью входного блока 3 умножается в целое число раз N₁ с получением частоты, равной f _уч1=N₁·f_г , причем N₁>К_сч и f_уч1>f_сч>f _м. Далее полученный сигнал U_уч1=A ₁·cos(2·f_уч·t) поступает на сигнальный вход выходного блока 4, где поступает на сигнальный вход фазового модулятора 17 и на вход выходного умножителя частоты 19 с коэффициентом умножения частоты N₂, причем N ₁·N₂=N. На выходе выходного умножителя частоты 19 формируется сигнал с частотой N ₁·N₂·f_г =N·f_г, который в качестве выходного гетеродинного сигнала снимается с гетеродинного выхода повышающего преобразователя частоты 2. В фазовом модуляторе 17 сигнал U _уч1 модулируется по фазе высокочастотным модулированным сигналом U_сч, поступающим на модулирующий вход повышающего преобразователя частоты 2 с соответствующего выхода синтезатора частоты 10. В результате модуляции образуются гармоники с несущими частотами n·N₁ ·f_г±m·f_сч , где n и m - целые числа, причем каждая из этих гармоник промодулирована по фазе частотой f_м. Эти гармоники поступают на вход выходного умножителя частоты 18 с коэффициентом умножения частоты, равным N₂. Умножитель частоты 18 умножает частоту гармоник и увеличивает индекс модуляции гармоник в N₂ раз. Одна из полученных таким образом гармоник с несущей частотой f_вч, номинальное значение которой равно частоте f₀ атомного перехода квантового дискриминатора 3, отфильтровывается и используется в качестве выходного рабочего сигнала повышающего преобразователя частоты 2.

Конкретные значения коэффициентов умножения N, N₁, N₂ и частоты f_cч выбираются исходя из удобства реализации, причем значения коэффициентов умножения

выбираются с учетом возможности разложения этих значений на простые сомножители, реализуемые с помощью соответствующих каскадов умножения в умножителях частоты.

Например, в случае, когда в качестве рабочего вещества в квантовом дискриминаторе 5 используются пары рубидия Rb⁸⁷ с частотой атомного перехода f ₀=6834,6... МГц и номинальное значение частоты f _г выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 составляет 5,0 МГц, в качестве выходного рабочего сигнала повышающего преобразователя частоты 2 используется гармоника, определяемая выражением f_вч=N₁ ·N₂·f_г-f _сч=N·_fг-f_сч , при этом коэффициенты N, N₁, N ₂ и частота f_сч имеют, например, следующие значения: N=1368, N₁=12=2×2×3, N₂=114=2×3×19, f _сч=5,3...MГц.

При использовании в качестве рабочего вещества паров цезия Cs¹³³ с частотой атомного перехода f₀=9192,6... МГц и при номинальном значении частоты f_г выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1, равном 5,0 МГц, в качестве выходного рабочего сигнала повышающего преобразователя частоты 2 используется гармоника, определяемая выражением f_вч=N ₁·N₂·f_г +f_cч=N·f_г+f _cч, при этом коэффициенты N, N₁, N₂ и частота f_сч имеют, например, следующие значения: N=1836, N ₁=54=2×3×3×3, N₂=34=2×17, f_сч=12,6... МГц.

При использовании в качестве рабочего вещества паров калия К³⁹ с частотой атомного перехода f₀=461,7... МГц и при номинальном значении частоты f_г выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1, равном 5,0 МГц, в качестве выходного рабочего сигнала повышающего преобразователя частоты 2 используется гармоника, определяемая выражением f _вч=N₁·N₂ ·f_г+f_сч=N·f _г+f_сч, при этом коэффициенты N, N ₁, N₂ и частота f _сч имеют, например, следующие значения: N=92, N ₁=23, N₂=4=2×2, f _сч=1,7...МГц.

При использовании в качестве рабочего вещества паров натрия Na²³ с частотой атомного перехода f₀=1771,6... МГц и при номинальном значении частоты f_г выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1, равном 5,0 МГц, в качестве выходного рабочего сигнала повышающего преобразователя частоты 2 используется гармоника, определяемая выражением f_вч=N ₁·N₂·f_г -f_сч=N·f_г-f _сч, при этом коэффициенты N, N₁, N₂ и частота f_cч имеют, например, следующие значения: N=355, N ₁=71, N₂=5, f_сч =3,3... МГц.

Выходной рабочий сигнал повышающего преобразователя частоты 2, представляющий собой высокочастотный сигнал с несущей частотой f_вч, модулированный по фазе частотой 1 м, вводится (например с помощью петли связи) в СВЧ резонатор 11 квантового дискриминатора 5. В результате резонансного поглощения этого сигнала в рабочем веществе газовой ячейки 12 квантового дискриминатора 5 с его выхода снимается ослабленный высокочастотный сигнал с приобретенной амплитудной модуляцией (с частотой f _м) и его гармоники. Параметры этого сигнала, определяемые амплитудно-частотной Р_кл(f _вч) и фазочастотной (f_вч) характеристиками квантового дискриминатора 3 (фиг.4), содержат в себе информацию о величине и знаке рассогласования частот f₀ и f _вч, которая выделяется при последующей обработке.

Указанный высокочастотный модулированный по амплитуде сигнал с несущей частотой f_вч и его гармоники поступают на сигнальный вход понижающего преобразователя частоты 6. В понижающем преобразователе частоты 6 этот высокочастотный модулированный по амплитуде сигнал с несущей частотой f _вч отфильтровывается с помощью селективного усилителя 14, затем гетеродинируется в смесителе 15 относительно сигнала с частотой N·f_г, поступающего с гетеродинного выхода повышающего преобразователя частоты 2, с переносом спектра в область промежуточной частоты f_сч, после чего усиливается в усилителе промежуточной частоты 16.

Преобразованный таким образом сигнал далее детектируется с помощью амплитудного детектора 7 с выделением первой гармоники низкочастотной модуляции с частотой f_м, которая затем синхронно детектируется в детекторе 8 сигнала рассогласования относительно фазы опорного сигнала той же частоты f _м, поступающего с соответствующего выхода синтезатора частоты 10, с выделением сигнала рассогласования, величина и знак постоянной составляющей которого зависят от величины и знака рассогласования частот f₀ и f_вч.

Сигнал рассогласования поступает на вход формирователя 9 управляющего напряжения, где с помощью, например, интегрирующего усилителя формируется управляющее напряжение для подстраиваемого кварцевого генератора 1.

Управляющее напряжение с выхода формирователя 9 управляющего напряжения поступает на управляющий вход подстраиваемого кварцевого генератора 1, подстраивая частоту f _г его выходного сигнала так, чтобы связанная с ней несущая частота f_вч выходного рабочего сигнала повышающего преобразователя частоты 2 приводилась к частоте f ₀ атомного перехода квантового дискриминатора 5 (f _вч=f₀).

Таким образом, за счет рассмотренного действия кольца АПЧ обеспечивается стабилизация частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1, определяемая стабильностью частоты f₀ атомного перехода квантового дискриминатора 5.

При этом, по сравнению с прототипом, существенно уменьшен (на один-два порядка) вклад «шумовой» компоненты в выходной сигнал квантового дискриминатора 5 и, соответственно, в текущую нестабильность частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1, что обусловлено отсутствием в кольце АПЧ фото детектора с его высоким уровнем как собственных шумов, так и шумов, вызываемых нерезонансной засветкой фотодетектора нерезонансными линиями света оптической накачки.

Способствует уменьшению «шумовой» нестабильности также частичная компенсация собственных шумов подстраиваемого кварцевого генератора 1 и повышающего преобразователя частоты 2, происходящая в результате гетеродинирования выходного сигнала квантового дискриминатора 5 в смесителе 15 с использованием гетеродинного сигнала с зависимыми и коррелированными флуктуациями, снимаемого с гетеродинного выхода повышающего преобразователя частоты 2, образованного в первом варианте выходом его входного блока 3, а во втором - гетеродинным выходом его выходного блока 4. На это же направлено выполнение входного блока 3 повышающего преобразователя частоты 2 в виде умножителя частоты с прямым преобразованием частоты, что обеспечивает меньший уровень шума вблизи несущей частоты выходного рабочего сигнала по сравнению, например, с косвенным методом умножения частоты, основанным на использовании дополнительного управляемого генератора.

Рассмотренное показывает, что заявляемая группа полезных моделей осуществима и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании квантовых стандартов частоты на газовой ячейке с уменьшенной «шумовой» нестабильностью частоты выходного сигнала. Достижение этого результата позволяет с большей эффективностью использовать квантовый стандарт частоты в целях формирования шкалы времени, а также для обеспечения высокоточной синхронизации при работе радиотехнических систем различного назначения.

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, с.5.

2. US №6300841 (B1), H03L 7/26, опубл. 09.10.2001.

3. К.Одуан, Б.Гино. Измерение времени. Основы GPS // М., Техносфера, 2002, с.238.

4. US №6985043 (B2), H01S 1/06, опубл. 10.01.2006.

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

6. H.M.Померанцев, В.М.Рыжков, Г.В.Скроцкий. Физические основы квантовой магнитометрии // М., Наука, 1973, с.39.

7. В.Манассевич. Синтезаторы частоты. Теория и проектирование // М., Связь, 1979, с.15-26.

1. Квантовый стандарт частоты на газовой ячейке, содержащий последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, повышающий преобразователь частоты, содержащий входной блок в виде умножителя частоты и выходной блок, квантовый дискриминатор, детектор сигнала рассогласования в виде синхронного детектора и формирователь управляющего напряжения, выход которого соединен с управляющим входом подстраиваемого кварцевого генератора, а также синтезатор частоты, вход которого соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора, выход высокочастотного модулированного сигнала соединен с модулирующим входом повышающего преобразователя частоты, образованным модулирующим входом его выходного блока, а выход низкочастотного сигнала соединен с опорным входом детектора сигнала рассогласования, причем квантовый дискриминатор содержит газовую ячейку с рабочим веществом в виде паров щелочного металла, размещенную в СВЧ-резонаторе, и источник света оптической накачки, оптически связанный с газовой ячейкой, отличающийся тем, что соединение выхода квантового дискриминатора, образованного выходом его СВЧ-резонатора, с сигнальным входом детектора сигнала рассогласования осуществлено через последовательно соединенные понижающий преобразователь частоты, опорный вход которого соединен с гетеродинным выходом повышающего преобразователя частоты, и амплитудный детектор, причем гетеродинный выход повышающего преобразователя частоты образован выходом его входного блока, а выходной блок повышающего преобразователя частоты выполнен в виде фазового модулятора, сигнальный вход, выход и модулирующий вход которого являются соответственно сигнальным входом, выходом и модулирующим входом выходного блока повышающего преобразователя частоты.

2. Квантовый стандарт частоты по п.1, отличающийся тем, что в качестве паров щелочного металла в газовой ячейке могут быть использованы пары натрия, или калия, или рубидия, или цезия.

3. Квантовый стандарт частоты по п.1, отличающийся тем, что понижающий преобразователь частоты выполнен в виде последовательно соединенных селективного усилителя, смесителя и усилителя промежуточной частоты, причем вход селективного усилителя, опорный вход смесителя и выход усилителя промежуточной частоты являются соответственно сигнальным входом, опорным входом и выходом понижающего преобразователя частоты.

4. Квантовый стандарт частоты по п.1, отличающийся тем, что входной блок повышающего преобразователя частоты выполнен в виде умножителя частоты с прямым преобразованием частоты.

5. Квантовый стандарт частоты на газовой ячейке, содержащий последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, повышающий преобразователь частоты, содержащий входной блок в виде умножителя частоты и выходной блок, квантовый дискриминатор, детектор сигнала рассогласования в виде синхронного детектора и формирователь управляющего напряжения, выход которого соединен с управляющим входом подстраиваемого кварцевого генератора, а также синтезатор частоты, вход которого соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора, выход высокочастотного модулированного сигнала соединен с модулирующим входом повышающего преобразователя частоты, образованным модулирующим входом его выходного блока, а выход низкочастотного сигнала соединен с опорным входом детектора сигнала рассогласования, причем квантовый дискриминатор содержит газовую ячейку с рабочим веществом в виде паров щелочного металла, размещенную в СВЧ-резонаторе, и источник света оптической накачки, оптически связанный с газовой ячейкой, отличающийся тем, что соединение выхода квантового дискриминатора, образованного выходом его СВЧ-резонатора, с сигнальным входом детектора сигнала рассогласования осуществлено через последовательно соединенные понижающий преобразователь частоты, опорный вход которого соединен с гетеродинным выходом повышающего преобразователя частоты, и амплитудный детектор, причем гетеродинный выход повышающего преобразователя частоты образован гетеродинным выходом его выходного блока, содержащего последовательно соединенные фазовый модулятор и первый выходной умножитель частоты, а также второй выходной умножитель частоты, вход которого соединен с сигнальным входом фазового модулятора, при этом сигнальный и модулирующий входы фазового модулятора и выходы первого и второго выходных умножителей частоты являются соответственно сигнальным и модулирующим входами и сигнальным и гетеродинным выходами выходного блока повышающего преобразователя частоты.

6. Квантовый стандарт частоты по п.5, отличающийся тем, что в качестве паров щелочного металла в газовой ячейке могут быть использованы пары натрия, или калия, или рубидия, или цезия.

7. Квантовый стандарт частоты по п.5, отличающийся тем, что понижающий преобразователь частоты выполнен в виде последовательно соединенных селективного усилителя, смесителя и усилителя промежуточной частоты, причем вход селективного усилителя, опорный вход смесителя и выход усилителя промежуточной частоты являются соответственно сигнальным входом, опорным входом и выходом понижающего преобразователя частоты.

8. Квантовый стандарт частоты по п.5, отличающийся тем, что входной блок повышающего преобразователя частоты выполнен в виде умножителя частоты с прямым преобразованием частоты.