铷光谱灯激励电路反馈控制研究

张金海，涂建辉，梁耀廷，崔敬忠

（兰州物理研究所，甘肃 兰州 730000）

1 引言

铷原子频标因具有体积小、功耗低、预热快、结构简单等优势而被广泛应用于通信、无线电导航、电视传播等领域。卫星导航精度的不断提高对铷原子频标的稳定度有了更高的要求。铷光谱灯为铷原子跃迁提供抽运光源，其输出光强的稳定性对铷原子频标性能指标有直接的影响[1]。铷光谱灯是铷原子频标的核心部件之一，对于铷光谱灯来说，激励电路工作的稳定与否是决定铷光谱灯的光强稳定性的重要因素。由于激励电路中的高频晶体管的输出电流随着外界温度的变化而变化，这样会使得激励电路的工作点发生变化，为了减小因环境温度变化对晶体管性能的影响，适当改进激励电路，增加反馈控制电路，稳定激励电路的直流工作点，从而提高铷光谱灯光强稳定性。国外在此方面做过相应的工作，且取得较好的效果[2]。借鉴这种思路开展研究工作，以改善铷原子频标整机性能。

2 激励电路的设计

激励电路采用的是串联型电容三点式激励电路，电路原理图如图1所示。

激励电路的回路由C2、C3、C4、C5和激励线圈L3组成，铷灯泡位于激励线圈中，在高频电场作用下发出抽运光。C2、C5决定激励电路的振荡频率，改变C2和C5可以减小晶体管电容对频率的影响，提高振荡频率稳定度。C3、C4是微调电容，用来调节激励线圈的振荡频率。D1和R2作为晶体管Q1偏置网络的一部分，提供相对较低的偏置源[3]。通过实验发现，激励电路在工作时，随着温度的变化，工作电流也随之改变，则铷灯泡的发光状态亦发生改变，这主要是由于高频晶体管Q1对外界温度的敏感性引起的，其中主要与晶体管的ICBO、ICEO等参数有关。当外界温度升高，从外部看ICBO增大，则ICEO增大，从而使得IC增大；反之，当外界温度降低时，则IC随之减小。为了稳定激励电路的工作状态，适当改进了激励电路，增加反馈控制电路[3]，提高激励电路的稳定性。

3 反馈控制电路的设计

通过增加反馈控制电路使基极电流稳定，从而可以提高激励电路的稳定性,实现稳定铷光谱灯光强的目的。激励电路的端口A、B是连接反馈控制电路的2个端口，整个控制环路的工作原理框图如图2所示。

图2 反馈控制电路工作原理框图

光检测器 反馈控制电路

铷灯泡

激励电路

反馈控制电路主要由电压射随器AR1、比较器AR2以及差分放大器AR3三部分组成，电路工作原理如图3所示。

图3 控制电路工作原理图

该控制电路所要实现的功能主要有2个：一是点灯电压的切换；二是调节控制激励电路的基极偏置电流。

整个控制回路的工作原理是：铷灯泡未被点亮前，光强检测信号为零，AR1输出为零，AR2反相端输入电压低于同相端参考电压UREF1，AR2输出高电压，二极管D2导通，运放AR3同相端电压远大于反向端电压，运放输出高电压，使得铷灯泡在高功率下点亮。铷灯泡点亮之后，光强检测信号逐渐增大，当高于AR2同相端参考电压时，比较器AR2输出低电压，二极管D2截止，AR3同相端电压UREF2减小，运放AR3输出电压降低，则激励电路中的IB减小，IC亦减小，使得铷灯泡在低功率下维持工作。由于晶体管的输出电流随着温度变化，当温度升高时，IC增大，则端口A电压UA增大，运放AR3输出电压减小，即UB减小，这样使得IB减小，则IC减小，反之亦然。

4 测试结果

在（25±0.5）℃恒温环境下，对激励电路在不加控制电路和加控制电路2种状态下分别进行了10天的测试，采样时间间隔是10 s。图4是两组光强稳定度测试结果的比较。

图4 光强稳定度测试曲线

由图4可以看出，激励电路在加上控制电路之后，所测得光强稳定度曲线要好于未加控制环路之前所测得的曲线。表1是2种状态下所测得一些指标的比较。

表1 铷光谱灯光强测试指标比较

从表1中可以看到，加上控制电路所测得铷灯光强的性能指标均优于未加控制电路所测指标，根据所用的物理部分测得的光频移系数是2×10-11/%推算，铷光谱灯输出光强的变化对万秒稳定度、天漂移率的贡献分别为8.84×10-14、2.3×10-14。这说明，通过对铷光谱灯激励电路增加控制电路，提高了铷光谱灯光强的稳定性，这将有助于提高铷原子频标的长期稳定度。

5 结论

作者设计了具有反馈控制的铷光谱灯激励电路，并进行了实验研究。通过实验数据可以看出，激励电路在增加控制电路后，铷光谱灯输出光强的万秒稳定度、天漂移率分别较未加控制的激励电路均有所提高，说明控制电路在一定程度上提高了铷光谱灯光强的稳定性，达到了改进的目的。

[1]涂建辉,李冠斌,达道安,等.铷光谱灯老化过程分析[J].真空与低温,2006,12(3):173～174.

[2]RILEYWJ.A rubidium clock for gps[C].Proceeding of the thirteen annual precise time and interval applications and planning meeting,1981,11.

[3]RILEYWJ.Hamilton.Power supplycircuit for an alkali vapor spectral lamp[P].U.S.Patent No.4,721,890,1988-01-26.