国内外频率标准发展现状

杨 军 毛新凯 卢心竹

（1.北京无线电计量测试研究所，北京100039；2.计量与校准技术国家重点实验室，北京100039）

1 引 言

导航定位、网络通信、交通运输、航空航天以及工农业生产各个方面都离不开时间频率，特别是现代高技术战争中，时间频率的精准性至关重要。在所有物理量的测量中，时间频率是7 个基本量中准确度最高的物理量，其他基本量通过基本常数和时间频率建立物理关系，从而得到准确的结果，例如处于超导状态下的约瑟夫森结，在微波信号辐照下，结的两端产生准确的直流电压Vn，约瑟夫结电压Vn与频率的关系为

式中:KJ-90——约瑟夫森常数483 597. 9GHz/V；N——约瑟夫森结电压台阶数［1，2］；f——频率，可溯源到铯原子频率标准。

长度单位米被定义为光在真空中在（1/299 792 458）s 的时间间隔内所经路径的长度［3］。频率标准经历了从晶体振荡器、原子频率标准到光钟的长期发展历程。频率标准主要包括高稳晶振、微型CPT原子频标、铷原子频率标准、氢原子频率标准、铯原子频率标准，新型原子频率标准和光钟等。随着科学技术的进步，频率标准向高准确、高稳定、微型化方向发展。

2 高稳晶振性能差距较大，在空间科学研究和武器装备大量应用

1921年，Walter Guyton Cady 发明了第一个石英晶体振荡器（简称晶振）。至此开始，晶振广泛应用于电子设备，成为电子设备的心脏，尤其是二战期间军事无线电设备的需求刺激了精确频率控制晶体的制造产业的快速发展。晶振分为压控晶振VCXO、温补晶振TCXO、恒温晶振OCXO，频率稳定度最高的晶振是恒温晶振。瑞士OSA 公司的恒温晶振8607 采用先进的SC 切割BVA 石英晶体技术和双恒温槽设计［4］。这种独特的切割技术消除了电极和石英晶片之间的表面接触，消除了石英晶片表面离子扩散引起的问题，消除了石英晶片支撑结构间的表面应力。由于这种独特的设计，使得8607具有非常优秀的短期频率稳定度和高纯频谱，频率稳定度比普通晶振优10 倍以上，频率稳定度达到8E-14/s，相位噪声为-133dBc/Hz（载波频率5MHz，傅里叶频率1Hz）。8607 的双恒温槽结构和5MHZ 输出的相位噪声如图1 所示。之后，新西兰Rakon 公司和美国Microsemi 也相继推出了基于SC切割BVA 晶体的高稳晶振。Rakon 公司高稳晶振HSO14 和美国Microsemi 高稳晶振1000C 的频率稳定度分别达到了8E-14/s 和2E-13/s，相位噪声均为-130dBc/Hz（载波频率5MHz，傅里叶频率1Hz）［5，6］。目前国内高稳晶振的频率稳定度仅能达到5E-13/s，与国外存在较大的差距，国内航天产品研制单位大量采用国外先进的高稳晶振。

图1 8607 双恒温槽和5MHz 输出的相位噪声图Fig.1 The double constant temperature structure and phase noise curve of OCXO 8607

3 高精度铷原子钟日趋成熟，打破国外垄断

经过近60年的发展，光抽运汽泡型铷原子频率标准因其体积小、价格低、寿命长、可靠性高备受欢迎［6，7］，广泛应用于电力、通信、金融、气象、导航等领域，尤其是在导航领域的应用，GPS和北斗卫星导航系统（BDS）均采用铷原子频率标准作为星载时基，为全球提供高精度的定位和时间服务。

美国GPS 卫星经历了BLOCK I 卫星、BLOCK II/IIA 卫星、BLOCK IIR 卫星、BLOCK IIR-M 卫星、BLOCK IIF 卫星等，各阶段的卫星都搭载铷原子频率标准。不同时期的GPS 卫星所携带的星载铷原子频率标准性能也存在差异。通过对GPS 星载铷原子频率标准在轨性能分析可知，星载铷原子频率标准的相对频率偏差在E-12 量级；大部分日频率漂移率在E-15 量级，但是有8 ～9 颗卫星的星载铷原子频率标准日频率漂移率较大，处于E-14量级，个别卫星在个别月份出现了比较明显的异常值现象；大部分日频率稳定度处于在E-14 量级，其中G03，G08 卫星日频率稳定度较差，在E-13 量级，G01、G02、G06、G15、G23、G25、G27、G30 几颗卫星日频率稳定度很好，达到了E-15 量级［8-11］。GPS 星载铷原子频率标准在轨性能的年平均值见表1。

表1 GPS 星载铷原子频率标准在轨性能Tab.1 The performances of GPS rubidium atomic frequency standard on orbit

上世纪90年代，中国制定北斗卫星导航系统“三步走”发展战略，作为其中关键技术的星载原子频率标准，在当时的中国属于技术空白。在从国外引进星载铷钟遭拒后，中国开始自主研制之路。经过20 多年科研工作者的励精图治，星载原子钟完全实现了国产化，并且在国民经济建设钟也发挥重要作用，如我国海洋二号卫星首次使用高准确度低漂移率的铷原子频率标准代替晶振，保障海洋二号卫星具备在全天时、全天候、全球连续高精度探测海洋动力环境信息的能力。通过对BDS 星载铷原子频率标准在轨性能分析可知，BDS 系统整体星载原子钟性能基本处于一个数量级。BDS 星载铷原子频率标准的相对频率偏差为E-11 量级，日频率漂移率基本在E-14 量级，其中C02、C08、C14 这三颗卫星日频率漂移率较其他卫星相比大了一个数量级；日频率稳定度在E-14 量级，其中C02、C04、C06 三颗卫星的日频率稳定度较其他卫星相比大一个数量级。总体而言，地球同步轨道卫星星载铷原子频率标准性能低于倾斜同步轨道与中地球轨道卫星［8，9，11-14］。BDS 星载铷原子频率标准在轨性能见表2［15］。

表2 BDS 星载铷原子频率标准在轨性能Tab.2 The performances of BDS rubidium atomic frequency standard on orbit

铷原子频率标准是商品化成度最高的原子频率标准，铷原子频率标准向小型化、高稳低噪声方向发展。美国SRS 公司和FEI 公司代表了国外的最高水平，SRS 公司的PRS10 和FEI 公司的FE-5680A 是两款最常用的铷原子频率标准，技术指标各有所长，PRS10 的相位噪声低，优于FE-5680A10dB 左右，具有1PPS 输入驯服功能，可接收外部标准1PPS 信号，如GPS/BDS 接收机输出1PPS，实现外部标准时间信号对铷原子频率标准的驯服功能，提高铷原子频率标准的准确度，非常适合精密的频率测量［16］；FE-5680A 的短期频率稳定度低，优于PRS10 一个数量级左右［17］。国内以航天203 所和成都天奥为代表生产的商品型铷原子频率标准，技术指标已达到国际领先水平，国内研制和生产的商品铷原子频率标准技术性能已全面超越国外同类产品，BM2102-06 是目前全世界技术指标最高的商品型铷原子频率标准，其整合了最先进的分离滤光技术和低噪声电路技术，具有极优的频率稳定度、相位噪声和漂移特性。国内外商品性铷原子频率标准性能比较见表3。

在铷原子频率标准小型化研制方面，国内技术发展也处于国际领先水平，203 所研制了全世界最薄的高精度铷原子频率标准BM2102-05，体积为76mm×76mm×17mm，频率稳定度达到1E-11/s、3E-12/10s、1E-12/100s。BM2102-05 铷原子频率标准实物图和测量曲线如图2 所示［18］。

表3 国内外商品型铷原子频率标准性能比较Tab.3 The performance comparison of rubidium atomic frequency standard at home and abroad

图2 BM2102-05 铷原子频率标准实物图和测量曲线Fig.2 Rubidium atomic frequency standard BM2102-05 and measurement curves

4 守时型铯、氢原子频率标准急需迈上新的台阶

铯原子频率标准和氢原子频率标准是常用的计量标准和守时用频率标准。国际计量局BIPM 保持的协调世界时UTC 是由全世界597 台原子钟综合得到自由原子时，在通过喷泉钟驾驭和UT1 协调得到国际标准时间，是全世界共同维持的一个标准时间，国际上参与国际原子时计算的实验室分布图如图3 所示。在597 台原子频率标准中，商品铯原子频率标准占65%，氢原子频率标准站30%，实验室铯喷泉频率标准占3%，实验室铷喷泉标准占2%，统计2018年BIPM 发布的参加国际原子时计算的各种原子频率标准的数量和种类如图4 所示［19］。

图3 参与国际原子时计算的实验室分布图Fig.3 The laboratory distributions participating TAI computation

图4 2018年参加国际原子时计算的原子频率标准数量和种类分布Fig.4 The quantities and types of atomic frequency standards participating TAI computation in 2018

目前，高性能的铯原子频率标准和氢原子频率标准被国外垄断。美国Microsemi 公司生产的5071A 占据铯原子频率标准市场的90%以上，它是目前世界上性能最优可靠性最高铯原子频率标准，其最大允许频率偏差为±5E-13，国内计量部门、电信、电力、金融等行业都在使用5071A 作为频率标准或守时设备。国内多家单位开展了铯原子频率标准关键技术研究。多年来，困扰我国铯原子频率标准的关键技术之一就是磁控溅射法电子倍增器技术，电子倍增器增益衰减过快，导致其寿命只有半年到1年。针对电子倍增器技术造成的铯原子频率标准寿命较短的难题，各单位都提出了不同的解决方案。航天科技510 所依靠多年真空技术的研究和积累，坚持传统工作方式的磁选态-电子倍增器方案；航天科工203 所突破了MCP 电子倍增器技术，采用磁选态—磁控溅射打拿极电子倍增器、MCP电子倍增器和微电流放大器三位一体设计方案；北京大学采用光抽运-光检测方案；成都天奥采用光抽运—光检测的方案。各单位都完成研制，部分产品在某些领域得到应用。国内外铯原子频率标准的技术性能比较见表4，从技术性能分析来看，国内铯原子频率标准的水平与国外相当，在实际测试中有些指标超越了国外同类产品，但国内铯原子频率标准还存在频率复现性和日频率漂移率差，且寿命也没有得到长时间考核验证［18，20，21］。

表4 国内外铯原子频率标准主要技术性能比较Tab.4 The performance comparison of cesium atomic frequency standard at home and abroad

美国Microsemi 公司，俄罗斯VCH 公司和瑞士T4S 公司几乎垄断了国内外守时实验的氢原子频率标准的市场，Micorsemi 公司的MHM2010 占有较大的市场份额，但随着俄罗斯VCH 公司的技术和工艺不断提升， 技术指标和可靠性已超越了MHM2010，VCH-1003M 已成为市场的新宠，国内许多守时实验室都在采购其产品。面对巨大的市场竞争，Microsemi 公司推出了最新产品MHM2020，技术指标与VCH-1003M 相当。瑞士T4S 与VCH 公司合作，结合VCH 公司物理部分研制的优势和T4S在电路研制方面的优势，研制了iMaser3000，也正在积极推出iMaser4000 新产品。国内在二十世纪60年代就开始了氢原子频率标准的研制，目前只有航天203 所和上海天文台研制和生产氢原子频率标准，203 所采用蓝宝石介质加载谐振腔，有效地减小了谐振腔和储存泡的体积，从而缩小氢原子频率标准的磁屏蔽、真空、恒温等外围结构，实现了小型化的主动型氢原子频率标准；上海天文天采用传统的微波谐振腔。国内研制的两种类型的氢原子频率标准技术指标相当，但与国外相比，日频率稳定度相差一个数量级。国内外主动型氢原子频率标准性能比较见表5［12-24］。

表5 国内外主动型氢原子频率标准技术性能比较Tab.5 The performance comparison of active hydrogen atomic frequency standard at home and abroad

5 微型化CPT 原子频率标准方兴未艾

CPT 原子频率标准（ Coherent Population Trapping）是基于量子的相干布局囚禁机理而设计的新型原子频标，它的量子系统不需要微波谐振腔，工作原理不同与传统的氢、铷、铯原子频率标准。CPT原子频率标准可大量应用于远程通信系统、时间同步网络等领域，可代替恒温晶振作为频率源。美国Microsemi 公司已实现CPT 原子频率标准的工程化和量产，而国内多家单位也完成了相关研制工作，技术指标超过国外同类产品，但由于激光管等关键元器件为进口元器件，且激光管的可用率极低，产品成本极高，目前的制造成熟度很低，难以实现规模化量产。国内外CPT 原子频率标准性能比较见表6［18，25］。

表6 国内外CPT 原子频率标准性能比较Tab.6 The performance comparison of CPT atomic frequency standard at home and abroad

6 低温蓝宝石微波频率源和激光超稳微波源将成为下一代频率稳定度标准

短期频率稳定度极好的微波源不仅可作为时间频率计量的标准，也可以作为铯原子喷泉频率标准和光学频率标准的本地振荡器，同时也可以应用于雷达、通信、深空探测和基础物理学研究等方面，具有非常重要的应用价值。超导微波谐振腔和蓝宝石腔的结合，超稳激光技术和光频梳技术的结合，可分别实现频率稳定度极好的低温蓝宝石微波频率源（CSO）和激光超稳微波源。

低温蓝宝石微波频率源是利用低温蓝宝石微波腔在回音壁模式下具有极高Q 值的特点而研制的。蓝宝石谐振器微波频率源的电路原理如图5所示，这种电路结构与被动型原子频标的电路结构非常像，蓝宝石谐振器只是起鉴相器的作用，鉴相器的原理也是基于Pound 电路。鉴相器的输出信号用来控制一个压控振荡器，把压控振荡器锁定在蓝宝石谐振器上，压控振荡器的输出就是微波信号源的输出。

图5 蓝宝石谐振器微波频率源的电路原理框图Fig.5 The principle diagram of sapphire oscillator

低温蓝宝石微波频率源涉及的关键技术有蓝宝石谐振器的设计、低温系统设计、电路系统设计等。蓝宝石谐振器是蓝宝石谐振器是整个微波频率源的核心。蓝宝石谐振器的内部结构图如图6所示，它由两部分构成:第一部分是一块圆柱形的蓝宝石单晶；第二部分是一个外腔。整个谐振器固定在低温系统中。外腔上有两个耦合器，实现外部电路和蓝宝石晶体的相互作用。

图6 低温蓝宝石谐振器的结构图Fig.6 Structure of sapphire resonator

低温蓝宝石微波频率源的研究方向可分为三类，第一类关心的指标是短期频率稳定度，主要研究内容有低温系统的稳定性、蓝宝石谐振器的温度补偿、频率锁定控制电路；第二类关心的是相位噪声，主要研究内容有提高蓝宝石谐振器的Q 值、低噪声电路；第三类关心的是低温蓝宝石微波频率源的实用性，主要研究内容是提高低温蓝宝石微波频率源的工作温度。

澳大利亚、美国、法国（与欧空局合作）和日本等国都在开展相关的研究工作。国际上，西澳大利亚大学和法国在低温蓝宝石微波源研究一直处于领先地位，西澳大利亚大学发布其两台比对的结果，其频率稳定度为5.8E-16（τ=1s）。法国ULISS公司的商品化可搬运低温蓝宝石微波源，频率稳定度达到3E-15（τ=1s ～1d），已经在欧洲深空探测VLBI 工程、计量实验室、欧空局PHARAO 项目的法国图卢兹站点等，ULISS 公司的低温蓝宝石微波源如图7 所示［26-28］。

近年来，在超稳激光和飞秒光梳方面的技术进步，使得利用飞秒光梳将超稳激光传递到微波频率成为可能。在光频段，由于低吸收和散射作用，在室温下谐振腔的品质因数可以达到1E11，将激光锁定到谐振腔上，可以使其在（1 ～10）s 间的频率稳定度达到约2E-16 的水平，将这种超稳激光信号利用飞秒光梳传递到微波波段，便可以得到稳定度性能极好的微波信号。激光超稳微波信号产生原理如图8 所示。2011年，美国NIST 利用518THz 和282THz 的两个频率稳定度为7E-16/s 的超稳激光信号与锁模飞秒激光频率梳进行拍频，分别得到10GHz 微波信号，对两个10GHz 信号进行频率稳定度和相位噪声测量，如图9 所示。

图7 ULISS 公司的低温蓝宝石微波源实物图Fig.7 The sapphire oscillator of ULISS company

图8 激光超稳微波信号产生原理图Fig.8 The principle of ultra stable optical-cavity-based microwave source

测量得到两个10GHz 信号的频率稳定度为8E-16/s，相位噪声达到-104dBc/Hz@1Hz，远端相位噪声达到-157dBc/Hz，比目前性能最好的晶振经无损耗变频至10GHz 后的信号质量提升60dB，如图10 所示［29］。

德国MenloSystems 公司与英国国家物理实验室NPL 合作研制了商品化的紧凑型光学参考系统ORS-Cubic，光学腔由超低膨胀系数（ULE）的玻璃制成，采用恒温隔振设计，将真空腔、激光器、控制电路等集成在19 英寸机柜中，输出超窄线宽、超高稳定性的单色连续光，频率稳定度可达8E-16（τ=1s），通过飞秒光梳进行光学-微波频率下转换，可以将超稳激光的频率稳定性完美传递到超稳微波。MenloSystems公司ORS-Cubic 超稳激光源如图11 所示［30］。

图9 激光超稳微波信号测量试验图Fig.9 The measurement of ultra stable optical-cavitybased microwave source

图10 激光超稳微波信号频率稳定度测量结果图Fig.10 The measurement results of ultra stable opticalcavity-based microwave source

图11 超稳激光源实物图Fig.11 Ultra stable optical-cavity-based microwave source

7 喷泉基准钟性能进入实用化阶段

随着激光冷却技术的发展，1995年法国计量局LPTF 首次实现了激光冷却铯原子喷泉钟，使原子钟的工作原理发生了革命性的变化，准确度提高到1.5E-15 ～2E-15。经过二十多年的发展，喷泉钟作为各国的频率计量基准，已经广泛应用，美国国家标准技术研究院（NIST）、德国物理研究院（PTB）和中国计量院（NIM）都已将喷泉基准钟作为守时系统的基准钟，激光冷却原子原理和NIST-F1 铯喷泉钟如图12 所示。美国海军天文台（USNO）已经建成了四台铷喷泉钟并加入其守时钟组中，并正在新研三台用于其备份守时系统，USNO 的铷喷泉钟如图13 所示。

图12 激光冷却原子原理和NIST-F1 频率基准Fig.12 The principle of laser cooling atom and NIST-F1

美国NIST-F1 的频率不确定度达到3E-16，巴黎天文台SYRTE-FO2 喷泉钟频率不确定度已经达到2.1E-16，英国物理实验室的NPL-CsF2 的频率不确定度降低到2.3E-16，中国计量院NIM5 的频率不确定度为1.6E-15［31-34］。2018年对国际原子时TAI 有贡献的铯喷泉频率标准的不确定度见表7［35］。

喷泉钟在世界主要计量实验室已实用化，但是喷泉钟的性能指标仍然在应用中不断进步，可以预见在未来几年，随着人们对物理现象认识的加深，喷泉钟的指标将进一步提升，达到微波钟所能实现的极限，同时随着喷泉钟设计技术的不断娴熟，喷泉钟的工程化应用将会越来越广泛。

图13 美国海军天文台铷喷泉钟组实物图Fig.13 The ensemble of rubidium atomic fountain clock in UNSO

表7 2018 对TAI 贡献的铯喷泉钟频率不确定度Tab.7 The uncertainty of cesium atomic fountain clock contributing TAI in 2018

8 结束语

我国在频率标准的研究方面经过几十年的持续投入，传统的氢、铷、铯原子频率标准取得了引人注目的成绩，尤其是铷原子频率标准的发展，打破国外垄断，为北斗导航系统提供高精度的时间基准，地面实用性铷原子频率标准技术指标实现全面超越。但铯原子频率标准的可靠性稳定性、氢原子频率标准的技术性能有待进一步提高。铯喷泉钟基准方面已接近国际先进水平。时间频率关系国家的安全，频率标准是整个时间频率的基石，加强时间频率基础建设，特别是原子物理、关键工艺、低噪声核心器件等基础研究，进一步推动我国时间频率的发展。