一种超小型汽泡铷原子频标

高伟，睢建平，陈智勇，余钫，盛荣武

（中国科学院武汉物理与数学研究所，武汉 430071）

一种超小型汽泡铷原子频标

高伟，睢建平，陈智勇，余钫，盛荣武

（中国科学院武汉物理与数学研究所，武汉 430071）

为满足对小型化铷原子频标的需求，设计了一种超小型汽泡铷原子频率标准。介绍了该超小型汽泡铷原子频标的设计。通过全新设计的小型光谱灯和集成腔泡系统，配合优化设计的电路部分，成功地将整机体积减小至140 cm3，重量仅为250 g，稳态功耗7 W。测试结果表明其短期稳定度优于1.5×10-11/（1 s≤τ≤100 s）。

超小型；铷原子频标；热结构；电磁兼容

作为目前应用最为广泛的原子频标，汽泡型铷原子频标一直朝着2个方向不断改进：高性能和小型化。随着铷原子频标在卫星导航、深空探测、电力、通信等领域的普及应用，对铷原子频标小型化的要求越来越高，不仅要求重量轻、体积小、功耗低，还要求性能高和环境适应性强。超小型铷原子频标的研制成功，势必进一步拓展铷原子频标的应用范围，尤其是对1 in厚度的高精度小型化铷频标的需求具有重要意义[1]。

1 超小型汽泡铷原子频标的设计

图1给出了超小型汽泡铷原子频标的简要原理框图。整机由2大部分组成：物理系统和电路部分。物理系统作为量子鉴频器给出误差信号，电路部分与物理系统构成一个频率控制锁定环路，用以将压控晶体振荡器（VCXO）的输出频率锁定在物理系统的原子跃迁频率上[2]。

虽然超小型汽泡铷原子频标的原理与传统汽泡铷原子频标相同，但压缩体积的要求致使设计时必须重点考虑以下3个方面：小型化物理系统的设计、热结构设计和电磁兼容。

1.1 小型化物理系统的设计

物理系统的小型化设计包括光谱灯设计和腔泡系统设计，是整机设计成败的关键所在。

光谱灯作为系统中的核心部件之一，其性能直接影响整机的短期、长期频率稳定度和漂移指标[3]。光谱灯的结构一般有分离型和紧凑型2种，在早期研制的214 cm3铷原子频标中，我们采用的是紧凑型设计，将灯泡、线圈和激励电路全部置于金属灯室内，用单功率管对金属灯室进行恒温控制[4]。但在超小型铷原子频标中，金属灯室不可能占用较大的空间，必须采用将光谱灯头与激励电路分置的分离型结构。在射频激励电路方面，我们选择振荡频率和幅度都具有高稳定度的克拉泼（Clapp）振荡电路，并通过温度补偿电路将灯激励电流随温度的变化减至最小。此外，在机械结构设计方面，必须考虑机械尺寸尽可能地小，同时还应具有一定的机械强度及规避一定的机械谐振频率，以保障整机能适应较恶劣的力学环境，如在振动、冲击等条件下能正常工作。

图1 超小型汽泡铷原子频标简要原理框图

对腔泡系统，我们采用小型铷频标常用的集成腔泡系统技术[5]，其关键是微波谐振腔的设计。在设计微波谐振腔时，首先应保证合适的腔Q。若腔Q过低，腔的损耗过大，要求输入的射频功率大，电路工作难度增大，且不利于微波倍频混频的边带抑制；其次应保证腔填充因子足够大。填充因子越高，腔内微波能量被用于激励原子跃迁的比例就越高，所需的微波功率就越小，这对缓解微波倍频链的压力、减小微波功率频移和提高系统的信噪比均有很大贡献[6]。最后，应保证腔的谐振频率与铷原子跃迁频率匹配，并实现腔频可调。由于微波谐振腔的机械加工公差及手工制作泡胚产生的误差，腔频往往会有偏差，因此，实现腔频可调就显得很重要。图2是设计微波腔时的腔频仿真图。

图2 微波腔的腔频仿真图

从图2知，腔频在6 835 MHz附近，腔Q大约是450。通过大量仿真和实验，我们成功设计了用于超小型铷原子频标的微波谐振腔，使得整个腔泡系统的体积压缩至8.5 cm3。

图3是腔泡系统和光谱灯的实物图。

图3 腔泡系统和光谱灯的实物图

1.2 热结构设计

在超小型铷原子频标中，众多发热部件集成在一个狭小空间内，因此，热结构成为整机设计的重点和难点。良好的热结构设计不仅可以极大地提高整机的温度适应性，还能有效改善整机温度系数。

光谱灯是整机中最大的热源，其热结构设计至关重要。合理的冷端设置和泡形设计可使灯泡自身形成较好的温度梯度，从而降低光谱灯的工作温度；有效的保温措施可最大限度地增大光谱灯的热阻，减小对整机热量的贡献。通过多次实验与改进，我们成功设计出一款小型光谱灯，其体积小于4 cm3，工作温度和功耗与前期相比均得到较大幅度的降低，其性能与前期设计的光谱灯的性能比较如表1所示。

表1 前期设计与现在设计的光谱灯性能比较

腔泡系统作为整机中的另一个主要热源，其热结构的设计也很关键。一般来说，腔泡系统的恒温点要比光谱灯的低很多，因此，在其热设计中，需综合考虑光谱灯的工作温度和系统的零光强频移温度这2个因素；此外，由于系统VCXO中的晶体需要借助腔体实现恒温，因此，腔泡系统的热设计还需考虑晶体的拐点温度。

对于超小型铷原子频标而言，其正常工作时系统各个不同区域的温度场强度差异极大，为了提高整机的高温适应性，器件的合理布局显得十分重要，原则上对高温敏感的器件应尽量远离系统的高温工作区。当然，器件的布局除了考虑温度效应外，还需综合考虑电磁兼容效应。

1.3 电磁兼容

在任何电子设备中，当各类电路单元拥挤在无屏蔽隔离的狭小空间中时，其系统内的电磁兼容问题就会显得格外突出，铷原子频标也不例外。

在超小型铷原子频标中，光谱灯是一种靠射频激励而发光的无极放电灯，具有较高的激励频率和功率，设计不当易于干扰其他电路的正常工作，尤其是分离型的光谱灯结构更是如此。为了减小光谱灯信号的串扰，除了用磁屏材料将灯头罩住以外，还需仔细考虑激励线圈的射频场与灯泡的耦合问题。良好的耦合可以降低灯激励电路对外的电磁辐射，从而从源头上缓解了光谱灯射频场引起的电磁兼容问题。

随着铷原子频标体积的缩小，电路中各个功能模块以及各种信号之间的走线距离变短，相互串扰明显增大，处理不当会恶化整机短期稳定度指标。因此，PCB（印制电路板）设计十分重要。通过在PCB上进行模块划分，同时将射频部分与数字部分分别布在不同的PCB上[7]，可以明显地减小电路间的相互干扰，提高整机的相噪指标。

2 整机指标

2.1 基本特征

我们实现的超小型汽泡铷原子频标的体积达到了140 cm3（75 mm×75 mm×25 mm），重量为250 g，稳态功耗约7 W，可以在-20℃～60℃的温度范围内工作。图4是整机实物图。

图4 超小型铷原子频标实物图

表2给出了该超小型汽泡铷原子频标与国内外主流同类型铷原子频标的部分性能比较。

表2 国内外主流同类型铷原子频标的部分性能比较

2.2 性能指标

图5为实测的相噪指标图。

图5 超小型铷原子频标相噪指标图

短期频率稳定度测试结果如图6所示。

图6 短期频率稳定度测试结果

3 结语

分析了实现超小型铷原子频标的技术难点和重点，介绍了研制过程中采取的相应措施。通过大量的仿真优化和实际改进，成功研制出一种超小型汽泡铷原子频标。其体积由原来的212 cm3压缩至140 cm3，短期稳定度指标优于1.5×10-11/（1 s≤τ≤100 s），重量仅为250 g，并具有较好的环境适应性。

[1] 李超, 高伟, 睢建平, 等. 2009年全国时间频率学术会议论文集[C] // 成都: 2009年全国时间频率学术会议组委会, 2009.

[2] 王义遒, 王庆吉, 傅济时, 等. 量子频标原理[M]. 北京: 科学出版社, 1986: 239-241.

[3] CAMPARO J. Frequency Equilibration and the Light-shift Effect for Block IIR GPS Rubidium Clocks[C] // Proceedings of the 36th Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Meeting. Washington D.C.: [s.n.], 2004.

[4] 余钫, 金鑫, 管妮娜, 等. 一种小型化铷光谱灯的设计[J]. 宇航计测技术, 2008, 28(1): 13-16.

[5] VANIER J, KUNSKI R, PAULIN P, et al. On the Light Shift in Optical-pumping of Rubidium 87- the Techniques of Separated and Integrated Hyperfine Filtering[J]. Canadian Journal of Physics(S 0008-4204), 1982, 60(10): 1396-1403.

[6] WANG Yan, YU Fang, CHEN Zhi-yong, et al. A Downsized Microwave Cavity for the Rubidium Vapor Cell Frequency Standard[C] // Proceedings of the IEEE International Frequency Control Symposium Joint with the 21st European Frequency and Time Forum. Geneva, Switzerland: [s.n.], 2007.

[7] 刘燕竹, 戴文. 数模混合电路的PCB设计[J]. 印制电路信息, 2007, (2): 43-45.

An Ultra-miniature Vapor Cell Frequency Standard

GAO Wei, SUI Jian-ping, CHEN Zhi-yong, YU Fang, SHENG Rong-wu

(Wuhan Institute of Physics and Mathematics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China)

In order to meet the requirements to miniature rubidium frequency standard, an ultra-miniature rubidium vapor cell frequency standard has been designed. The design of this ultra-miniature rubidium vapor cell frequency standard is introduced in this paper. With the new-designed miniature lamp, integrated filter technique (IFT) and optimized electronic circuits, the volume of this frequency standard is successfully downsized to 140 cm3, and the weight is 250 g. In steady state, the power dissipation is only 7 W, and the short-term stability is superior to 1.5×10-11/(1 s≤τ≤100 s).

ultra-miniature; rubidium atomic frequency standard; thermal structure; electromagnetic compatibility

TM935.115

A

1674-0637(2010)02-0092-06

2010-03-31

高伟，男，博士研究生，主要从事铷原子频标方面的研究。