氢脉泽调制技术和研究*

王国瑞，杜 燕，李锡瑞

(1. 中国科学院上海天文台，上海 200030；2. 中国科学院大学，北京 100049；3. 北京卫星导航中心，北京 100094)

随着现代科技的发展，高精度的时频测量有了广泛的应用，如航空航天、卫星发射及监控、地质测绘、导航通信、电力传输、通信同步网的构建等方面[1]，原子钟作为一种精确且稳定的时间标准应运而生。目前，氢原子钟是应用较多的原子钟之一。氢原子频标具有优良的频率稳定度和准确度，但是，该频标也有其固有的缺点，由于使用高有载品质因数的微波谐振腔，其振荡频率随着腔谐振频率的变化而变化，即所谓的腔牵引效应。另外，输出回路效应以及外界环境因素的改变等都影响谐振腔的振荡频率[2]。

腔自动调谐技术最早由Peters于1982年提出[3]。目前，应用较广的腔自动调谐系统实现方式包括3种：外部探测信号调谐方式、微波腔频率开关调谐方式和Qa调制方式。接下来结合上海天文台SOHM-4型主动氢原子钟和俄罗斯VCH-1003M型主动氢原子钟对外部探测信号调谐方式和微波腔频率开关调谐方式进行介绍和分析。

1 腔牵引效应

当谐振腔的谐振频率与原子的跃迁频率不一致时，原子的跃迁频率随着谐振腔振荡频率的变化而变化，产生腔牵引效应。腔牵引效应的公式如下[2]：

Δf0=ΔfcQc/Ql，

(1)

其中，Δf0为氢原子钟输出频率的变化；Δfc为谐振腔的腔频变化；Qc为谐振腔的有载品质因数；Ql为氢原子的谱线品质因数。

主动型氢原子钟典型的Qc=46 000，Ql=1.1 × 109。根据公式：

(2)

其中，f0为1.4 GHz。由(2)式可以得出，如果使氢原子钟的长期频率稳定度保持在10-14量级，那么谐振腔的频率变化范围要控制在1 Hz以内，这对谐振腔的调谐精度提出了较高的要求。

虽然腔牵引效应影响比较小，但是它使得氢原子钟的长期频率稳定度变差，导致氢原子钟的性能无法满足实际工程需求。因此，高效实用的腔自动调谐系统显得尤为重要。

2 长期频率稳定度

主动型氢原子钟的频率稳定度表示为[4]

(3)

其中，Qa为氢原子谱线品质因数；τ为测量时间；k为玻尔兹曼常数(1.38 × 10-23J/K)；T为氢脉泽绝对温度；Pa为氢原子提供给谐振腔的功率。

表1 物理因素对氢脉泽频率的影响Table 1 Effects of physical factors on hydrogen maser frequency

3 外部探测信号调谐

外部探测信号调谐是指利用外部信号，它由法国人Audoin于1981年提出[5]。在该调谐方式中，一个外部信号被注入谐振腔，这个信号会被调谐，调谐后的信号通过谐振腔后被解调出来。目前该技术主要应用于上海天文台的氢原子钟，代表是SOHM-4型主动氢原子钟。

SOHM-4型原子钟采用的外部探测信号为方波信号，其自动调谐原理如图1，自动调谐系统方框图如图2。使用混频器将20.405 ±fmMHz信号与1.4 GHz的微波信号混频形成一个调制信号，其中fm为方波探测信号。将该调制信号注入谐振腔，当谐振腔的频率和探测信号频率的平均值不相等时，经过谐振腔耦合环输出的信号被调幅，调幅后的信号同步检波出误差信号，将误差信号通过积分电路产生压控电压来调谐谐振腔内的变容二极管，将谐振腔响应曲线由图1中虚线响应拉回至实线响应，以此稳定谐振腔的频率，从而实现自动调谐。

图1 方波探测调谐原理图
Fig.1 Schematic diagram of square detection tuning

该方波信号探测自动调谐方式得到了较好的信噪比，但由于载波信号可能干扰脉泽信号，影响脉泽信号的固有短期频率稳定度，这是方波探测信号调谐方法的难点。与此同时，通过电路板产生射频信号，产生的射频信号可能受环境等因素的干扰，这些因素在某种程度上对氢脉泽的频率稳定度产生影响。频率稳定度测试表明：注入谐振腔的方波探测信号使得氢原子钟的短期频率稳定度受到了一定的影响，而它的长期频率稳定度得到了一定的改善。

图2 方波探测调谐框图
Fig.2 Block diagram of square detection tuning

4 微波腔频率开关调谐

4.1 原理分析

微波腔频率开关调谐方式是使用某个微波腔频率开关的方式，在两个与跃迁频率等间距的腔频间切换。该种调谐技术主要应用于美国和俄罗斯的主动型氢原子钟[6-8]，典型代表有VCH-1003M和MHM-2010。VCH-1003M的腔频自适应原理如图3，腔频调谐框图如图4。

图3 微波腔频率开关调谐原理图

Fig.3 Schematic diagram of microwave cavity frequency switch tuning

图4 VCH-1003M微波腔频率开关调谐框图
Fig.4 VCH-1003M Block diagram of microwave cavity frequency switch tuning

经过运算放大电路和低通电路后的87.2 Hz方波信号作为失谐信号作用于同步检波器。另一路87.2 Hz方波信号通过移相等电路消除信号传播时延后送至同步检波器。同步检波器产生 “+” 和 “-” 脉冲控制模数转换器1，调节作用于变容二极管的输出电压UC，从而实现自动调谐。腔频切换的频率比较快，维持每个腔频的时间在0.01 s量级。这个调制时间大于谐振腔对电磁信号的响应时间(约为10-5s)，小于原子的弛豫时间(约为1 s)，使得整个腔频切换过程对氢脉泽信号的振荡状态不产生任何影响，即不影响氢脉泽信号固有的频率稳定度，这是该调谐方式的一大优点。

频率稳定度测试表明VCH-1003M的长期频率稳定度得到了改善，已经达到10-16量级，且没有影响氢脉泽信号的短期频率稳定度和氢脉泽输出信号的相位噪声。

4.2 实验结果

当通过信号发生器向谐振腔注入87 Hz的方波信号后，从耦合环取出1.4 GHz的射频信号，经过隔离放大器、混频器、中频放大器以及积分器等作用于变容二极管，实现调谐，其中变容二极管的调节范围为0～9 V。实验表明，手动调节加在变容二极管上的电压时，当注入变容二极管的电压为1 V，5 V，9 V时，与参照原子钟的频差如图5。根据(4)式，即腔牵引公式和变容二极管灵敏度公式，将频差转换为电压信号，可以得出，在0～9 V范围内的某个电压值，能够将某个电压加在变容二极管上时，实现调谐的目的。

(4)

图5 频差图
Fig.5 Frequency difference

微波腔频率开关调谐方式的实现框图如图6。由于输出的脉泽信号为射频信号，需要通过混频器将射频信号转换为中频信号，同时通过中频放大器放大微弱的中频信号。将中频放大信号送至幅度检波器进行检波，检波产生的半波信号送至模数转换器(Analog to Digital Converter, ADC)进行采样，数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP)对模数转换器转换后的数字信号进行处理，再将处理后的数字信号送至数模转换器(Digital to Analog Converter, DAC)，从而转换为电压信号，作用于变容二极管，最终实现对谐振腔的自动调谐。

图6 微波腔频率开关调谐框图
Fig.6 Block diagram of microwave cavity frequency switch tuning

5 结 语

关于主动型氢原子钟相关技术的研究已经进行了半个多世纪，其技术理论日趋成熟。近些年主动型氢原子钟的研究主要集中在技术的优化提升上，从而达到更高的频率稳定度。其中，技术优化的一个方向是研究新的调谐方式，以高效地实现自动调谐。目前采用微波腔频率开关调谐或外部探测信号调谐方式进行调谐的主动型氢原子钟的频率稳定度指标如表2。

表2 主动型氢原子钟频率稳定度指标Table 2 Indexes of frequency stability of active hydrogen atomic clock

从表2可以看出，采用微波腔频率开关调谐方式的VCH-1003M等氢原子钟的长期频率稳定度要优于采用外部探测信号调谐方式的SOHM-4型氢原子钟。产生这种结果的部分原因可能是微波腔频率开关调谐方式的辅助电子学系统设计比外部探测信号调谐方式简单，引入了较少的电子噪声，提高了电子学系统的性能，从而提升长期频率稳定度。

在接下来的研究中，将进一步在上海天文台SOHM-4型氢原子钟的自动调谐系统的基础上，采用微波腔频率开关调谐方式实现腔自动调谐，以提高氢原子钟的长期频率稳定度。