Квантовый стандарт частоты (варианты)

Полезная модель относится к технике стабилизации частоты и может быть использована для формирования шкалы времени. Техническим результатом является уменьшение нестабильности и сдвигов действительного значения частоты выходного сигнала квантового стандарта частоты при осуществлении безмодуляционного режима работы. Квантовый стандарт частоты содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, повышающий преобразователь частоты, квантовый дискриминатор, первый и второй понижающие преобразователи частоты на основе смесителей, детектор сигнала рассогласования в виде фазового детектора и формирователь управляющего напряжения. Повышающий преобразователь частоты содержит входной блок, выполняющий функцию умножителя частоты, и выходной блок, выполняющий функцию смесителя. В состав квантового стандарта частоты входит также синтезатор частоты, связанный входом с подстраиваемым кварцевым генератором, а своими первым, вторым и третьим выходами - с повышающим преобразователем частоты, детектором сигнала рассогласования и вторым понижающим преобразователями частоты, при этом первый понижающий преобразователь частоты связан своим опорным входом с гетеродинным выходом повышающего преобразователя частоты, образованном в первом варианте выходом входного блока повышающего преобразователя частоты, а во втором - гетеродинным выходом выходного блока повышающего преобразователя частоты. 2 н.з. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

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

Принцип работы квантового стандарта частоты пассивного типа основан на стабилизации частоты кварцевого генератора по частоте спектральной линии поглощения атомного перехода рабочего вещества квантового дискриминатора (атомного перехода 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 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 f₀, 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 f₀, выход которого является выходом квантового стандарта частоты, и повышающий преобразователь частоты, содержащий входной блок в виде фазового модулятора и выходной блок в виде умножителя частоты, при этом опорный вход указанного фазового модулятора и опорный вход синхронного детектора подключены к выходу низкочастотного генератора. Умножитель 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=6834,68... 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 в модуляционном режиме 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 в соответствии со стабильной частотой f₀ атомного перехода квантового дискриминатора.

На результат стабилизации частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора в рассматриваемом квантовом стандарте частоты оказывают влияние, по меньшей мере, два негативных фактора.

Первый фактор - это высокий уровень шумов на выходе квантового дискриминатора, обусловленный как собственными шумами фотодетектора, так 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_фл(f_вч) и фазочастотной (f_вч) характеристик квантового дискриминатора с фотодетектором, иллюстрирующих характер зависимости амплитуды I_фл 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_фл(f_вч) представляет собой контур линии Лоренца с высотой I_л и шириной W_л на уровне 0,5 1 л, располагающейся на постоянной «подставке» I_л, превышающей I_л примерно в 10³ раз (см., например, [3] - К.Одуан, Б.Гино. Измерение времени. Основы GPS // М., Техносфера, 2002, с.238.).

Второй фактор - это неидеальность спектра высокочастотного модулированного по фазе сигнала, поступающего в СВЧ резонатор с выхода повышающего преобразователя частоты. Обусловлено это нелинейностью блоков повышающего преобразователя частоты - фазового модулятора и умножителя частоты, в результате чего формирование высокочастотного модулированного по фазе сигнала сопровождается обогащением и искажением его спектра.

Оба этих фактора, обусловленные использованием модуляционного режима работы и применением фотодетектора для формирования выходного низкочастотного сигнала квантового дискриминатора, негативно влияют на процесс подстройки частоты кварцевого генератора, что проявляется в повышенной нестабильности частоты его выходного сигнала («шумовая» нестабильность) и сдвигах действительного значения частоты, см., например, [4] - А.Г.Геворкян, B.C.Лаптев, И.В.Стогова. Характер линии атомного перехода и ее искажения при воздействии немонохроматического сигнала возбуждения // Вопросы радиоэлектроники. Сер.ОТ, 1975, вып.2, с.97-104; [5] - А.С.Перлин, А.Г.Геворкян, А.Л.Мясников. Влияние низкочастотной фазовой модуляции на частоту сверхтонкого перехода в экспериментах с пучками атомов цезия // Вопросы радиоэлектроники. Сер. XII, 1965, вып.12, с.29-33; [6] - А.Б.Басевич, А.Н.Горлов, А.А.Москаленко и др. Экспериментальное исследование влияния гармоник модулирующего сигнала на параметры атомного стандарта частоты // Вопросы радиоэлектроники. Сер.ОТ, 1970, вып.15, с.91-96; [7] - С.В.Семенов, О.П.Харчев. О влиянии дополнительной спектральной составляющей в сигнале радиочастотного возбуждения на

действительное значение частоты КМЧ на газовой ячейке // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ОТ, 1979, вып.2, с.98-103.

К рассматриваемому типу квантовых стандартов частоты относится также рубидиевый квантовый стандарт частоты, представленный в патенте [8] - 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 f₀, 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, содержащий блок фазового модулятора, блок умножителя частоты, выполненный по схеме косвенного умножения частоты с использованием управляемого генератора с цепью фазовой автоподстройки частоты, и блок смесителя. В состав квантового стандарта частоты также входит формирователь сигналов опорных частот, состоящий из низкочастотного генератора, выход которого подключен к опорному входу блока фазового модулятора повышающего преобразователя частоты и опорному входу синхронного детектора, и синтезатора частоты, вход которого подключен к выходу подстраиваемого кварцевого генератора, а выход - к опорному входу блока смесителя повышающего преобразователя частоты. 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. Амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики квантового дискриминатора аналогичны характеристикам квантового дискриминатора рассмотренного выше квантового стандарта частоты [2] (фиг.1).

Данный квантовый стандарт частоты работает аналогично квантовому стандарту частоты [2] в модуляционном режиме 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 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 Rb ⁸⁷, 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, формирующего 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 и сдвиги ее действительного значения, обусловленные теми же причинами, что и в квантовом стандарте частоты [2].

В качестве прототипа заявляемой группы полезных моделей выбран квантовый стандарт частоты, представленный в работе [9] - F.Emma, G.Busca, P.Rochat. Atomic Clocks for Space Applications // ION GRS-99 Proceedings, 1999, pp.2285-2293.

Квантовый стандарт частоты, 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 СВЧ резонатор, внутри которого размещена газовая ячейка (ячейка поглощения) с рабочим веществом в виде паров щелочного металла рубидия Rb ⁸⁷. С газовой ячейкой оптически связаны источник света оптической накачки и фотодетектор, формирующий выходной низкочастотный сигнал квантового дискриминатора. В состав квантового стандарта

частоты входит также синтезатор частоты, вход которого соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора, первый выход соединен с опорным входом выходного блока повышающего преобразователя частоты (опорным входом модулирующего генератора), а второй выход 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 f ₀ атомного перехода рабочего вещества, находящегося в газовой ячейке СВЧ резонатора, настроенного на частоту f ₀. Квантовый дискриминатор реализует, как и в аналогах [2] и [8], 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 получением выходного рабочего сигнала (в качестве которого используется первая гармоника выходного низкочастотного сигнала фотодетектора), несущего в своей амплитуде и фазе информацию об отклонении 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_фл(f_вч ) и (f_вч) в прототипе те же, что и в аналогах [2] и [8] (фиг.1).

Подстраиваемый кварцевый генератор формирует на своем выходе гармонический сигнал с частотой f _r, номинальное значение которой (например 10,0 МГц) некратно частоте f₀ атомного перехода квантового дискриминатора, определяемой частотой рабочего атомного перехода рубидия Rb⁸⁷ (f₀=6834,68... МГц).

Выходной сигнал подстраиваемого кварцевого генератора поступает на вход входного блока 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. Высокочастотный модулированный сигнал снимается с первого выхода синтезатора частоты и поступает на опорный вход выходного блока повышающего преобразователя частоты (опорный вход модулирующего генератора). Низкочастотный сигнал снимается со второго выхода синтезатора частоты и поступает на опорный вход детектора сигнала рассогласования (опорный вход синхронного детектора).

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_cч с получением боковых 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 изменяется 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 f₀ атомного перехода квантового дискриминатора.

На результат стабилизации частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора в квантовом стандарте частоты, принятом в качестве прототипа, оказывают негативное влияние те же факторы, что и в рассмотренных выше аналогах [2] и [8], а именно, повышенный уровень шумов на выходе квантового дискриминатора, обусловленный применением фотодетектора для оптического детектирования резонанса поглощения высокочастотного модулированного по фазе сигнала, и искажения, присутствующие в этом высокочастотном модулированном сигнале, обусловленные нелинейным характером модуляционного преобразования частоты. Влияние этих факторов приводит к увеличению «шумовой» нестабильности частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора и сдвигам (отклонениям от номинала) действительного значения этой частоты, что является недостатком прототипа.

Техническим результатом, на достижение которого направлены заявляемые полезные модели, является создание квантовых стандартов частоты, характеризующихся меньшей «шумовой» нестабильностью и меньшими сдвигами действительного значения частоты выходного сигнала по сравнению с прототипом. Достигается это за счет нового построения квантового стандарта частоты, обеспечивающего работоспособность кольца АПЧ в безмодуляционном режиме. Достижение данного 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.

Сущность полезной модели по первому варианту заключается в том, что в квантовом стандарте частоты, содержащем последовательно соединенные в замкнутое кольцо АПЧ подстраиваемый кварцевый генератор, повышающий преобразователь частоты, содержащий входной блок в виде умножителя частоты и выходной блок, квантовый дискриминатор с СВЧ резонатором, детектор сигнала рассогласования 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, первый выход соединен с опорным входом выходного блока повышающего преобразователя частоты, а второй выход соединен с опорным входом детектора сигнала рассогласования,

соединение выхода квантового дискриминатора, образованного выходом его СВЧ резонатора, с сигнальным входом детектора сигнала рассогласования осуществлено через последовательно соединенные понижающие преобразователи частоты, опорный вход первого из которых соединен с гетеродинным выходом повышающего преобразователя частоты, образованным выходом его входного блока, а опорный вход следующего - с третьим выходом синтезатора частоты, при этом детектор сигнала рассогласования выполнен в виде фазового детектора, сигнальный вход, выход и опорный вход которого являются, соответственно, сигнальным входом, выходом и опорным входом детектора сигнала рассогласования, а выходной блок повышающего преобразователя частоты выполнен в виде смесителя с выходной частотно-избирательной цепью, выход которой и сигнальный и опорный входы смесителя являются, соответственно, выходом и сигнальным и опорным входами выходного блока повышающего преобразователя частоты.

Сущность полезной модели по второму варианту заключается в том, что в квантовом стандарте частоты, содержащем последовательно соединенные в замкнутое кольцо АПЧ подстраиваемый кварцевый генератор, повышающий преобразователь частоты, содержащий входной блок в виде умножителя частоты и выходной блок, квантовый дискриминатор с СВЧ резонатором, детектор сигнала рассогласования 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, первый выход соединен с опорным входом выходного блока повышающего преобразователя частоты, а второй выход соединен с опорным входом детектора сигнала рассогласования, соединение выхода квантового дискриминатора, образованного выходом его СВЧ резонатора, с сигнальным входом детектора сигнала рассогласования осуществлено через последовательно соединенные понижающие преобразователи частоты, опорный вход первого из которых соединен с гетеродинным выходом повышающего преобразователя частоты, образованным гетеродинным выходом его выходного блока, а опорный вход следующего - с третьим выходом синтезатора частоты, при этом детектор сигнала рассогласования выполнен в виде фазового детектора, сигнальный вход, выход и опорный вход которого являются, соответственно, сигнальным входом, выходом и опорным входом детектора сигнала рассогласования, а выходной блок повышающего преобразователя частоты выполнен в виде смесителя с выходным частотным разделителем, первый

и второй выходы которого и сигнальный и опорный входы смесителя являются, соответственно, сигнальным и гетеродинным выходами и сигнальным и опорным входами выходного блока повышающего преобразователя частоты.

В частных случаях реализации в обоих вариантах первый из понижающих преобразователей частоты выполнен виде последовательно соединенных селективного усилителя, вход которого является сигнальным входом первого понижающего преобразователя частоты, смесителя, опорный вход которого является опорным входом первого понижающего преобразователя частоты, и усилителя промежуточной частоты, выход которого является выходом первого понижающего преобразователя частоты, а второй из понижающих преобразователей частоты выполнен в виде последовательно соединенных смесителя, сигнальный и опорный входы которого являются, соответственно, сигнальным и опорным входами второго понижающего преобразователя частоты, и усилителя промежуточной частоты, выход которого является выходом второго понижающего преобразователя 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 по первому варианту;

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

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

Заявляемые 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, квантовый дискриминатор 3, первый 4 и второй 5 понижающие преобразователи частоты, детектор 6 сигнала рассогласования и формирователь 7 управляющего напряжения, выход которого соединен с управляющим входом подстраиваемого кварцевого генератора 1, а также синтезатор частоты 8.

Квантовый дискриминатор 3 содержит СВЧ резонатор 9, внутри которого размещена газовая ячейка 10 (ячейка поглощения) с рабочим веществом, например, в виде

паров щелочного металла, а также оптически связанный с газовой ячейкой 10 источник света оптической накачки 11, выполненный, например, на основе безэлектродной спектральной лампы. В качестве паров щелочного металла в газовой ячейке 10 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, [10] - Н.М.Померанцев, В.М.Рыжков, Г.В.Скроцкий. Физические основы квантовой магнитометрии // М., Наука, 1973, с.39.

Вход и выход квантового дискриминатора 3 образованы раздельными элементами связи в виде петель или щелей связи СВЧ резонатора 9. Резонансная частота СВЧ резонатора 9 квантового дискриминатора 3 соответствует частоте f0 рабочего сверхтонкого атомного перехода используемого рабочего вещества, а полоса пропускания СВЧ резонатора 9 значительно больше ширины контура линии атомного перехода используемого рабочего вещества.

Первый понижающий преобразователь частоты 4 содержит последовательно соединенные селективный усилитель 12, смеситель 13 и усилитель промежуточной частоты 14. Вход селективного усилителя 12, опорный вход смесителя 13 и выход усилителя промежуточной частоты 14 являются, соответственно, сигнальным входом, опорным входом и выходом понижающего преобразователя частоты 4.

Второй понижающий преобразователь частоты 5 содержит последовательно соединенные смеситель 15 и усилитель промежуточной частоты 16. Сигнальный и опорный вход смесителя 15 и выход усилителя промежуточной частоты 16 являются, соответственно, сигнальным входом, опорным входом и выходом понижающего преобразователя частоты 5.

Повышающий преобразователь частоты 2 содержит входной блок 17 и выходной блок 18.

Входной блок 17 повышающего преобразователя частоты 2 выполнен в виде умножителя частоты.

В первом варианте выходной блок 18 повышающего преобразователя частоты 2 выполнен в виде смесителя с выходной частотно-избирательной цепью, выход которой и сигнальный и опорный входы смесителя являются, соответственно, выходом и сигнальным и опорным входами выходного блока 18. В ряде практических случаев функцию указанной частотно-избирательной цепи может выполнять, например,

согласующий СВЧ тракт, связывающий смеситель выходного блока 18 с СВЧ резонатором 9 квантового дискриминатора 3.

Во втором варианте выходной блок 18 повышающего преобразователя частоты 2 выполнен в виде смесителя с выходным частотным разделителем («диплексером»), первый и второй выходы которого и сигнальный и опорный входы смесителя являются, соответственно, сигнальным и гетеродинным выходами и сигнальным и опорным входами выходного блока 18.

Детектор 6 сигнала рассогласования выполнен в виде фазового детектора, сигнальный вход, выход и опорный вход которого являются, соответственно, сигнальным входом, выходом и опорным входом детектора 6 сигнала рассогласования.

Вход синтезатора частоты 8 соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора 1, его первый выход соединен с опорным входом выходного блока 18 повышающего преобразователя частоты 2, второй выход соединен с опорным входом детектора 6 сигнала рассогласования, а третий выход - с опорным входом второго понижающего преобразователя частоты 5 (опорным входом смесителя 15).

Опорный вход первого понижающего преобразователя частоты 4 (опорный вход смесителя 13) соединен с гетеродинным выходом повышающего преобразователя частоты 2, образованным в первом варианте (фиг.2) выходом его входного блока 17, а во втором варианте (фиг.3) - гетеродинным выходом его выходного блока 18.

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 3, определяемая частотой f ₀ рабочего сверхтонкого атомного перехода применяемого рабочего вещества, находящегося в ячейке 10 внутри СВЧ резонатора 9. Например, в случае использования в качестве рабочего вещества паров рубидия Rb⁸⁷ значение частоты f ₀=6834,68...МГц.

Квантовый дискриминатор 3 работает как детектор резонанса поглощения входного высокочастотного сигнала с частотой f_вч, в рабочем веществе с получением в результате этого поглощения ослабленного сигнала той же частоты f_вч с приобретенным фазовым сдвигом, определяемым отклонением частоты f_вч от частоты f ₀. Параметры

получаемого таким образом 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 9 квантового дискриминатора 3 значительно больше ширины W_л контура линии атомного перехода используемого рабочего вещества, то частотные свойства СВЧ резонатора 9 не отражаются в представленных на фиг.4 частотных характеристиках квантового дискриминатора 3. По существу, амплитудно-частотная характеристика Р_кл(f_вч ) квантового дискриминатора 3 представляет собой контур линии поглощения входного высокочастотного сигнала рабочим веществом. 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 3 имеет вид плавно изменяющейся в диапазоне ±/2 кривой со сменой 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 3. 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 8, формирующего на своих первом, втором и третьем выходах сигналы с частотами f _cч1, f_cч2 и Тсчз. В рассматриваемом случае использования в квантовом дискриминаторе 3 в качестве рабочего вещества рубидия Rb⁸⁷ номинальные значения частот f_cч1, f _сч2 и f_cч3 выбираются, например, следующим образом: f_сч1=5,31...МГц, f _сч2=0,31... МГц, a f_cч3=5,0 МГц и выполняется равенство f_сч1=f _сч2+f_сч3. Получение данных сигналов в синтезаторе частоты 8 осуществляется, например, следующим образом. Сигнал с частотой f_сч3, снимаемый с третьего выхода синтезатора частоты 8, получают в результате передачи на этот выход входного сигнала, поступающего с выхода подстраиваемого кварцевого генератора 1. Сигнал с частотой f_сч2 , снимаемый со второго выхода синтезатора частоты 8, синтезируется из входного сигнала с помощью соответствующего синтезирующего блока. Сигнал с частотой f_cч1, снимаемый с первого выхода

синтезатора частоты 8, получают в результате взаимодействия сигналов с частотами F_сч3 и f_cч2 в соответствующем смесителе с выделением выходного сигнала суммарной частоты f_сч1 =f_cч2+f_cч3.

Выходной сигнал подстраиваемого кварцевого генератора 1 поступает также на вход входного блока 17 повышающего преобразователя частоты 2, с помощью которого частота f_г выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 умножается в целое число N раз до частоты f_ум=N·f _г. В рассматриваемом случае использования в квантовом дискриминаторе 3 в качестве рабочего вещества рубидия Rb⁸⁷ с частотой f0=6834,68...МГц и при указанных значениях частот f_cч1, f_cч2 и Г _сч3 сигналов, формируемых синтезатором частоты 8, значение коэффициента умножения N=1368 и, соответственно, номинальное значение частоты f_ум равно 6840 МГц. Данное значение коэффициента N выбрано исходя из возможности его разложения на простые сомножители, реализуемые с помощью соответствующих каскадов умножения, образующих умножитель частоты входного блока 17 повышающего преобразователя частоты 2, а именно, N=2×2×2×3×3×19=1368. Преобразованный таким образом сигнал поступает далее на сигнальный вход смесителя выходного блока 18 повышающего преобразователя частоты 2, на опорный вход которого с первого выхода синтезатора частоты 8 поступает сигнал с частотой f_cч1 . В результате смешивания этих сигналов образуются спектральные составляющие с частотами f_ум±m·f _сч1, где m=0, 1, 2, ... Одна из боковых спектральных составляющих с частотой f_вч, например определяемая выражением f_вч=f_ум-f _cч1 номинальное значение которой равно частоте f ₀ атомного перехода квантового дискриминатора 3 (т.е. 6834,68...МГц), выделяется (в первом варианте - с помощью частотно-избирательной цепи, во втором варианте - с помощью диплексера) и используется в качестве выходного рабочего сигнала повышающего преобразователя частоты 2.

Кроме этого, с гетеродинного выхода повышающего преобразователя частоты 2 снимается гетеродинный сигнал с частотой f_ум для смесителя 13 понижающего преобразователя частоты 4. В первом варианте (фиг.2) в качестве гетеродинного сигнала используется сигнал с частотой f_ум , снимаемый с выхода входного блока 17 повышающего преобразователя частоты 2. Во втором варианте (фиг.3) в качестве гетеродинного сигнала используется соответствующая спектральная составляющая выходного сигнала смесителя выходного блока 18 с частотой f _ум, выделяемая его диплексером.

Выходной рабочий сигнал повышающего преобразователя частоты 2 с частотой f _вч вводится (например с помощью петли связи) в СВЧ резонатор 9 квантового дискриминатора 3. В результате резонансного поглощения этого сигнала в рабочем веществе квантового дискриминатора 3 с его выхода снимается ослабленный сигнал той же частоты f _вч с приобретенным фазовым сдвигом , определяемым в соответствии с фазочастотной характеристикой квантового дискриминатора 3 (фиг.4) отклонением частоты f _вч от частоты f₀.

Выходной сигнал квантового дискриминатора 3 поступает на сигнальный вход первого понижающего преобразователя частоты 4, где отфильтровывается и усиливается во входном селективном усилителе 12, после чего гетеродинируется в смесителе 13 относительно сигнала с частотой f_ум, поступающего с гетеродинного выхода повышающего преобразователя частоты 2, с выделением за счет фильтрации и последующего усиления в усилителе промежуточной частоты 14 сигнала разностной частоты f_пч1=|f _вч-f_ум| с сохранением абсолютного значения приобретенного фазового сдвига . Получаемое таким образом значение частоты f _пч1 соответствует частоте f_cч1 сигнала, формируемого на первом выходе синтезатора частоты 8, что следует из выражения: f_пч1=|f_вч -f_ум|=|(f_ум-f _сч1)-f_ум|=f_сч1 .

С выхода первого понижающего преобразователя частоты 4 преобразованный сигнал с частотой f_пч1 =f_cч1 поступает на сигнальный вход второго преобразователя частоты 5, где гетеродинируется в смесителе 15 относительно сигнала с частотой f_сч3, поступающего с третьего выхода синтезатора частоты 15, с выделением за счет фильтрации и последующего усиления в усилителе промежуточной частоты 16 сигнала разностной частоты f_пч2 =|f_пч1-f_сч3| с сохранением абсолютного значения фазового сдвига . Получаемое таким образом значение частоты f _сч2 соответствует частоте f_сч2 сигнала, формируемого на втором выходе синтезатора частоты 8, что следует из выражения: f_пч2=|f_пч1 -f_сч3|=|f_сч1-(f _сч1-f_сч2)|=f_сч2 .

С выхода второго понижающего преобразователя частоты 5 преобразованный сигнал с частотой f_пч2 =f_сч2 поступает на сигнальный вход детектора 6 сигнала рассогласования, где производится его фазовое детектирование относительно фазы опорного сигнала с частотой f _сч2, поступающего со второго выхода синтезатора частоты 8, с выделением определяемого сдвигом фазы 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 7 управляющего напряжения, формирующего, например с помощью интегрирующего усилителя, управляющее напряжение для подстраиваемого кварцевого генератора 1.

Управляющее напряжение с выхода формирователя 7 управляющего напряжения поступает на управляющий вход подстраиваемого кварцевого генератора 1, подстраивая частоту f_г его выходного сигнала так, чтобы связанная с ней частота f _вч выходного рабочего сигнала повышающего преобразователя частоты 2 приводилась к частоте f₀ атомного перехода квантового дискриминатора 3 (f_вч =f₀) и устранялся фазовый сдвиг .

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 3.

При этом, в отличие от прототипа, работа кольца АПЧ производится в безмодуляционном режиме и отсутствуют дестабилизирующие факторы, связанные с искажением и обогащением паразитными спектральными составляющими спектра высокочастотного сигнала, поступающего на вход квантового дискриминатора 3 с сигнального выхода повышающего преобразователя частоты 2, обусловленные в прототипе используемой модуляцией, что уменьшает как нестабильность частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1, так и сдвиги (отклонения от номинала) действительного значения этой частоты.

Кроме этого, существенно уменьшен (на один-два порядка по сравнению с прототипом) вклад «шумовой» компоненты в выходной сигнал квантового дискриминатора 3 и, соответственно, в текущую нестабильность частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1, что обусловлено отсутствием в кольце АПЧ фотодетектора 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 3 в смесителе 13 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 17, а во втором - гетеродинным выходом его выходного блока 18. Дальнейшее уменьшению «шумовой» нестабильности в рамках рассмотренной структуры квантового стандарта частоты потенциально возможно на пути уменьшения частот сигналов, обрабатываемых в детекторе 6 сигнала рассогласования, вплоть до частот, сравнимых с шириной линии атомного перехода W_л, за счет увеличения отношения /f_пч2, что будет эквивалентно повышению коэффициента передачи по кольцу АПЧ при более полной компенсации зависимых и коррелированных флуктуации.

Рассмотренное показывает, что заявляемая группа полезных моделей осуществима и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании квантовых стандартов частоты, характеризующихся меньшей «шумовой» нестабильностью и меньшими сдвигами действительного значения частоты выходного сигнала по сравнению с прототипом. 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. А.Г.Геворкян, B.C.Лаптев, И.В.Стогова. Характер линии атомного перехода и ее искажения при воздействии немонохроматического сигнала возбуждения // Вопросы радиоэлектроники. Сер.ОТ, 1975, вып.2, с.97-104.

5. А.С.Перлин, А.Г.Геворкян, А.Л.Мясников. Влияние низкочастотной фазовой модуляции на частоту сверхтонкого перехода в экспериментах с пучками атомов цезия // Вопросы радиоэлектроники. Сер. XII, 1965, вып.12, с.29-33.

6. А.Б.Басевич, А.Н.Горлов, А.А.Москаленко и др. Экспериментальное исследование влияния гармоник модулирующего сигнала на параметры атомного стандарта частоты // Вопросы радиоэлектроники. Сер.ОТ, 1970, вып.15, с.91-96.

7. С.В.Семенов, О.П.Харчев. О влиянии дополнительной спектральной составляющей в сигнале радиочастотного возбуждения на действительное значение частоты КМЧ на газовой ячейке // Вопросы радиоэлектроники. Сер.ОТ, 1979, вып.2, с.98-103.

8. US №6985043 (B2), H01S1/06, опубл. 10.01.2006.

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

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

1. Квантовый стандарт частоты, 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 с СВЧ-резонатором, детектор сигнала рассогласования 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, первый выход соединен с опорным входом выходного блока повышающего преобразователя частоты, а второй выход соединен с опорным входом детектора сигнала рассогласования, отличающийся тем, что соединение выхода квантового дискриминатора, образованного выходом его СВЧ-резонатора, с сигнальным входом детектора сигнала рассогласования осуществлено через последовательно соединенные понижающие преобразователи частоты, опорный вход первого из которых соединен с гетеродинным выходом повышающего преобразователя частоты, образованным выходом его входного блока, а опорный вход следующего - с третьим выходом синтезатора частоты, при этом детектор сигнала рассогласования выполнен в виде фазового детектора, сигнальный вход, выход и опорный вход которого являются соответственно сигнальным входом, выходом и опорным входом детектора сигнала рассогласования, а выходной блок повышающего преобразователя частоты выполнен в виде смесителя с выходной частотно-избирательной цепью, выход которой и сигнальный и опорный входы смесителя являются соответственно выходом и сигнальным и опорным входами выходного блока повышающего преобразователя частоты.

2. Квантовый стандарт частоты по п.1, отличающийся тем, что первый из понижающих преобразователей частоты выполнен виде последовательно соединенных селективного усилителя, вход которого является сигнальным входом первого понижающего преобразователя частоты, смесителя, опорный вход которого является опорным входом первого понижающего преобразователя частоты, и усилителя промежуточной частоты, выход которого является выходом первого понижающего преобразователя частоты, а второй из понижающих преобразователей частоты выполнен в виде последовательно соединенных смесителя, сигнальный и опорный входы которого являются соответственно сигнальным и опорным входами второго понижающего преобразователя частоты, и усилителя промежуточной частоты, выход которого является выходом второго понижающего преобразователя частоты.

3. Квантовый стандарт частоты, 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 с СВЧ-резонатором, детектор сигнала рассогласования 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, первый выход соединен с опорным входом выходного блока повышающего преобразователя частоты, а второй выход соединен с опорным входом детектора сигнала рассогласования, отличающийся тем, что соединение выхода квантового дискриминатора, образованного выходом его СВЧ-резонатора, с сигнальным входом детектора сигнала рассогласования осуществлено через последовательно соединенные понижающие преобразователи частоты, опорный вход первого из которых соединен с гетеродинным выходом повышающего преобразователя частоты, образованным гетеродинным выходом его выходного блока, а опорный вход следующего - с третьим выходом синтезатора частоты, при этом детектор сигнала рассогласования выполнен в виде фазового детектора, сигнальный вход, выход и опорный вход которого являются соответственно сигнальным входом, выходом и опорным входом детектора сигнала рассогласования, а выходной блок повышающего преобразователя частоты выполнен в виде смесителя с выходным частотным разделителем, первый и второй выходы которого и сигнальный и опорный входы смесителя являются соответственно сигнальным и гетеродинным выходами и сигнальным и опорным входами выходного блока повышающего преобразователя частоты.

4. Квантовый стандарт частоты по п.3, отличающийся тем, что первый из понижающих преобразователей частоты выполнен виде последовательно соединенных селективного усилителя, вход которого является сигнальным входом первого понижающего преобразователя частоты, смесителя, опорный вход которого является опорным входом первого понижающего преобразователя частоты, и усилителя промежуточной частоты, выход которого является выходом первого понижающего преобразователя частоты, а второй из понижающих преобразователей частоты выполнен в виде последовательно соединенных смесителя, сигнальный и опорный входы которого являются соответственно сигнальным и опорным входами второго понижающего преобразователя частоты, и усилителя промежуточной частоты, выход которого является выходом второго понижающего преобразователя частоты.