铷原子频标温度系数补偿技术研究

张文玺，崔敬忠，廉吉庆，刘志栋，王 宽，张金海

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

关键字：铷原子频标；温度系数；补偿电路；频率稳定度；相位噪声

0 引言

铷原子频标因结构简单、可靠性高、短期频率稳定度好等优点[1]，被广泛应用于导航、遥感等航天领域以及通信装备、雷达系统、电力和网络系统等地面军用和民用时频系统中。铷原子频标主要由物理部分、锁频电路以及晶振三部分构成[2]。铷原子频标通常对工作环境温度的变化比较敏感[3-10]，当工作环境温度发生变化时，其输出频率也会随之发生改变。这是制约铷原子频标应用的一个重要因素。因此，对铷原子频标频率温度特性的优化是铷原子频标技术研究的重要课题之一。

目前常见的对铷原子频标频率温度特性的优化方法包括：优化物理部分的温度系数[6-10]、采用数字化频标电路降低电路温度系数[11]以及利用数字补偿电路对温度系数进行补偿[12-13]等。文献[12]和文献[13]均采用在铷原子频标输出端外接DDS（直接数字频率合成器），将DDS的输出作为铷原子频标的输出对铷原子频标的温度系数进行了补偿。利用该方法虽然能够实现温度系数补偿，但也增大了补偿后铷原子频标输出频率信号的相位噪声[13]。为此，本文采用另一种补偿方案，即通过补偿铷原子频标频率综合单元中的微波信号来对铷原子频标的温度系数进行补偿。本方案可以在保证铷原子频标相位噪声和短期频率稳定度不受影响的条件下，获得良好的温度系数补偿效果。

1 铷原子频标工作原理与温度频移的产生

铷原子频标的工作原理如图1所示，压控晶振输出的10 MHz信号经过倍频综合后产生接近87Rb原子基态超精细能级跃迁频率的信号，并耦合到物理部分的微波腔内部，铷灯泡发出的光经滤光泡滤除部分不利于光抽运的光后入射到吸收泡，用于原子态制备和信号探测。当微波信号频率等于87Rb原子基态超精细能级跃迁频率时，吸收泡内的铷原子在磁共振的作用下对光强的吸收增强，产生鉴频信号，伺服电路根据鉴频信号锁定压控晶振，输出精准的10 MHz频率信号。

图1 铷原子频标工作原理图Fig.1 The principle diagram of Rubidium atomic frequency standards

温度频移是指当铷原子频标工作环境温度发生变化时其输出频率随之发生的变化，工程中通常用温度系数表征。温度系数KT如式（1）所示：

式中：ΔT为铷原子频标工作环境的温度变化量；Δf是由ΔT所引起的铷原子频标输出频率的变化量；f0为铷原子频标输出的标称频率。

根据铷原子频标的工作原理，产生温度频移的原因是多样的。如图1所示，当铷原子频标工作温度发生变化时，物理部分内部的铷泡和电路系统的温度敏感器件均会受温度变化的影响，产生碰撞频移、光频移、微波功率频移和元器件参数温漂等。这些变化对铷原子频标输出频率的影响很难通过理论分析和实验将其完全定量地分离开，它们同时存在，共同作用，宏观表现为铷原子频标的温度敏感性。

2 温度系数补偿方案设计

考虑到仅通过优化设计无法将铷原子频标的温度系数降至可忽略的程度，本设计采用了频率补偿的方案。首先通过实验得到铷原子频标补偿前的温度系数，然后利用温度传感器测出其工作的环境温度变化量，再由单片机根据之前测得的温度系数计算出由环境温度变化所引起的铷原子频标输出频率的变化量，计算出此时87Rb原子基态超精细能级跃迁频率的变化量，根据该变化量通过调整DDS输出的5.3125 MHz频率使微波模块的输出频率始终与87Rb原子基态超精细能级的跃迁频率保持一致，从而完成对铷原子频标温度系数的补偿。由于铷原子频标的物理部分可以等效为一个高Q值的带通滤波器，所以本文所采用的频率补偿方案可以有效地滤除DDS输出信号中的噪声干扰，避免像文献[12]和文献[13]中由于DDS频率变换过程中噪声的引入使得铷原子频标最终输出频率信号的相位噪声增大。温度系数补偿原理框图如图2所示。

图2 温度系数补偿原理框图Fig.2 Principle block diagram of temperature coefficient compensation

3 补偿前温度系数的测定

在未加入补偿电路的条件下，通过改变被测铷原子频标工作底板的温度，使其从25℃变化至39℃，温度变化步长约为2℃，每个温度点稳定2 h左右。取每个温度点所测频率准确度的后1 000个点的平均值作为该温度点的频率准确度，便可得到被测铷原子频标补偿前的频率温度特性曲线，如图3所示。通过线性拟合可得被测铷原子频标补偿前的温度系数约为2.43×10-11/℃。

图3 补偿前的频率温度特性曲线Fig.3 Frequency-temperature characteristic curve before compensation

根据文献[14]，铷原子频标也是一个气压敏感部件，其工作环境的气压变化也会使其频率准确度发生变化。在温度系数测定期间，被测铷原子频标所处环境的大气压力是不断变化的，最大变化率约为90 Pa/h。经测量，被测铷原子频标的压力频移系数约为5.0×10-16/Pa，所以在每个温度点由环境气压变化所引起的最大相对频移量在10-14量级，而由温度变化所引起的相对频移量在10-11量级，可见，环境气压变化对温度系数的影响此处可忽略不计。

4 补偿电路设计

4.1 硬件电路设计

温度系数补偿电路硬件结构框图如图4所示。该补偿电路采用STM32F103C8T6单片机作为主控单元，该单片机与SPL06-001型温度气压传感器之间通过I2C总线进行通信，与直接数字频率合成器AD9852之间采用并口通信。由于DDS数模转换器的有限分辨率和非线性特性，其输出的模拟信号是阶梯信号且具有较大的杂散，为了平滑DDS数模转换器输出的阶梯波并滤除杂散，需要在DDS的数模转换器后级接一个低通滤波器。由于AD9852自身不带低通滤波器，而本设计中AD9852需要输出的中心频率约为5.3125 MHz，所以在AD9852的输出端加入了7 MHz的7阶椭圆型低通滤波器[15-16]。所用低通滤波器的Multisim10仿真结果如图5所示。

图4 补偿电路硬件结构框图Fig.4 Block diagram of compensation circuit hardware structure

图5 低通滤波器的Multisim10仿真结果Fig.5 Simulation result of Multisim10 for low pass filter

从图5可以看出，本文所设计的低通滤波器具有良好的幅频特性和截止特性，可以满足实际补偿电路设计的需要。

本文所用AD9852的系统时钟频率为40 MHz，采用FSK工作模式，调制频率为55 Hz，调制深度为110 Hz，输出频率的分辨率为：

用AD9852可调整的铷原子频标压控晶振10 MHz频率信号的最小相对变化量为：

已知被测铷原子频标补偿前的温度系数为10-11量级，经过补偿预期能达到的温度系数为10-13量级，因此AD9852的输出分辨率可以满足温度系数补偿的需要。

4.2 软件设计

在对温度系数进行补偿时，取铷原子频标开机2 h后整机工作状态稳定时的工作底板温度Tstd作为补偿的基准温度，然后根据温度传感器的测量值T得到温度变化量ΔT：

再由所测得温度系数KT得到需要补偿的频移量Δf：

则补偿时AD9852需要输出的频率为：

式中：fdesired为补偿时AD9852需要输出的频率；fb为补偿前AD9852的输出频率。此时AD9852所需的频率控制字K为：

式中：fs为AD9852的系统时钟频率。其补偿流程如图6所示。

图6 温度系数补偿流程图Fig.6 Temperature coefficient compensation flow chart

5 实验结果与分析

5.1 补偿前后温度系数对比

加入补偿电路后，按第3节所述测试方法，重新测试了被测铷原子频标的温度系数，并与补偿前的测试结果进行了对比，对比结果如图7所示。

图7 补偿前后的频率温度特性曲线对比图Fig.7 The comparison of frequency-temperature characteristic curve before and after compensation

在实验温度范围内，通过线性拟合得到被测铷原子频标补偿后的温度系数约为3.83×10-13/℃，较补偿前明显减小，表明本文设计的温度系数补偿电路具有较好的补偿效果。

5.2 补偿前后相位噪声对比

表1中列出了被测铷原子频标分别在未补偿、采用本文设计的微波激励频率补偿以及采用文献[12]和文献[13]设计的利用DDS对铷原子频标输出信号直接补偿的情况下输出信号相位噪声测试对比情况。

表1 补偿前后铷原子频标输出信号的相位噪声Tab.1 Phase noise of output signal of Rubidium atomic frequency standards before and after compensation

从表1可以看出，利用DDS对铷原子频标输出10 MHz频率信号直接进行补偿会使补偿后输出频率信号的相位噪声在频率偏移10 Hz以后明显增大。而用微波激励频率补偿对铷原子频标输出频率信号的相位噪声不会产生明显影响，补偿后铷原子频标输出频率信号的相位噪声仍能够保持原有水平。

5.3 补偿前后频率稳定度对比

补偿前后铷原子频标频率稳定度测试曲线如图8所示。

图8 补偿前后铷原子频标频率稳定度测试曲线Fig.8 Frequency stability test curve of Rubidium atomic frequency standards before and after compensation

图8给出了被测铷原子频标采用本文设计的微波激励频率补偿电路进行温度系数补偿前后的频率稳定度对比情况。从图中可以看出，本文所采用的补偿方案对铷原子频标取样时间200 s内的频率稳定度未产生明显影响，但由于温度补偿对铷原子频标频率温度特性的修正，使铷原子频标取样时间200 s后的频率稳定度有所改善。

6 结论

本文利用温度传感器、单片机和直接数字频率合成器AD9852设计了一种基于铷原子基态超精细能级跃迁的微波激励频率补偿电路，并且通过实验对比了补偿前后铷原子频标的温度系数、相位噪声和频率稳定度。实验结果表明：在保证铷原子频标相位噪声和短期频率稳定度指标不受影响的条件下，本文所设计的补偿电路可以有效地减小铷原子频标的温度系数。