[发明专利]一种用于被动型氢钟的控制方法及控制电路

说明书

技术领域

本发明属于原子频标领域，具体地说，是一种用于被动型氢钟的控制方法及控制电路。

背景技术

随着卫星定位系统在国家科技、军事、工业等领域内起到越来越重要的作用，因此氢原子钟的研究也就变得越来越迫切。氢原子钟是一种高精度的时间和频率标准，它的各项性能都是十分优秀的，在基础理论研究、导航、雷达、大地测量、天文观测和通信领域都具有重要的作用。

氢原子钟是一种基于氢原子跃迁的原子频率标准，其跃迁频率大约在1.4GHz。现有的被动型氢钟是一种非自激型原子振荡器，由于微波腔的有载品质因数比较低，氢脉泽不能自激振荡，需要有外界注入的探测信号才能正常工作。被动型氢钟的控制电路中有两个锁频环路：晶振环路与腔体环路。量子系统中氢原子跃迁频率用以控制晶振的频率，而为了消除量子系统内微波腔谐振频率变化产生的牵引效应，还需要用晶振频率来控制微波腔频率。

目前普遍存在的两种调制方式为单频调制方式和双频调制方式。在常用的单频调制方式中，采用一个调制频率产生探测信号注入到微波腔中，经过和微波腔作用后，利用原子的吸收和色散原理分离出晶振和腔体两部分的误差信号，通过比较误差信号对晶振和腔体进行锁定。这种方式已经广泛地应用于被动型氢原子频标中，但是发明者发现这种调制方式无论如何都无法避免晶振和腔体环路之间的互相干扰。这种干扰会产生幅度和相位噪声从而影响原子频标的稳定度，此外，要想准确分离晶振和腔体的误差信号对电路的实现也提出了更高的要求。在双频调制方式中，同时将两路探测信号注入到微波腔中，分别与氢原子跃迁谱线和腔曲线作用，产生晶振和腔体两部分的误差信号，发明者发现这种调制方式也无法完全避免晶振和腔体环路之间的互相干扰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于被动型氢钟的控制方法及控制电路，以消除和减小单频调制方式和双频调制方式中的不利因素，从而提供性能更高的时间频率标准。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于被动型氢钟的控制方法，包括如下步骤：在晶振环路中，将10MHz晶体振荡器的频率锁定在氢脉泽的谱线上；在腔体环路中，将谐振腔的频率锁定在10MHz的晶体振荡器上；把两个高准确度、对称分布在氢原子跃迁谱线中心频率两侧不同频率的微波信号，交替地馈入到微波腔中，在微波场与氢原子相互作用下给出了两个相邻半周期的检测信号，通过直接比较这两个信号强度，其差异量用以改变晶振的控制量来锁定晶振的频率；把两个高准确度、对称分布在微波腔响应曲线中心频率两侧不同频率的微波信号，交替地馈入到微波腔中，在微波场与微波腔响应曲线相互作用下给出了两个相邻半周期的检测信号，通过直接比较这两个信号强度，其差异量用以改变坐落在微波腔内的变容二极管上的电压控制量使微波腔频率锁定在10MHz晶振上。为了消除和减小晶振环路和腔体环路之间的互相干扰，晶振环路和腔体环路的微波探测信号是分时馈入到微波谐振腔内的。

相应地，一种实现上述控制方法的控制电路，包括探测信号产生电路和信号处理电路；所述探测信号产生电路包括：时序信号发生器，接收一时钟信号并生成比率信号、调制信号和消隐信号；跳频信号发生器，接收所述时钟信号以及来自时序信号发生器的调制信号；开关，接收来自时序信号发生器的比率信号以及来自跳频信号发生器的输出信号；频率倍频器，接收所述时钟信号；所述开关的输出信号以及频率倍频器的输出信号经混频后得到探测信号，周期性地送至微波谐振腔；所述信号处理电路包括：振荡器；包络检波器，接收经放大的探测信号和来自振荡器的信号混和放大成的中频信号；分离电路，接收来自包络检波器的输出信号以及所述比率信号，提取出误差检测信号；数字伺服电路，接收所述消隐信号、比率信号以及来自分离电路的误差检测信号，将计算得到的实际电压控制量发送到10MHz晶体振荡器和坐落在微波谐振腔上的变容二极管压控端上。

采用上述新型的控制方法和控制电路，由于使用分时双频调制方式，分别控制氢钟的微波谐振腔频率和晶振频率，采用这样特殊控制方式相对现有的单频调制方式和双频调制方式，可以减小腔体环路和晶振环路的相互干扰，提高氢钟的频率稳定度。

附图说明

图1是氢原子基态超精细能级能量与磁场强度关系的示意图；

图2是氢激射器示意图；

图3是被动型氢原子钟电子系统框图；

图4是控制电路工作时序图；

图5是开关综合器原理框图；

图6是探测信号作用于氢原子跃迁谱线示意图。

具体实施方式