一种基于双泡式起振系统的制作方法

本实用新型属于原子钟技术领域，尤其涉及一种基于双泡式起振系统。

背景技术：

随着现代时间校准科技技术与制造工艺的加速提升，使得时间校准的应用更加民用化、普及化，而且性能指标也得到提升。对于运行于卫星上的时间校准而言，我们还关心它的一个性能参数，即寿命。用于空间站或卫星上的时间校准因为承担了长期的跟精密时间相关的工作，如果由于时间校准内部物理系统部分的碱金属原子消耗待尽而继续无法服役，就需要从地面上重新换一台时间校准上天才能维持它所承担工作的延续性，这显然对连续精密时间任务是非常不利的，而且会给我们带来换钟的麻烦。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种用于时间校准的备份式长寿命的起振系统。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种基于双泡式起振系统，包括综合模块，综合模块分别连接的微波射频源、高稳晶振、第一同步鉴相模块、第二同步鉴相模块，高稳晶振连接的第一温控模块和增益调节模块，微波射频源连接的第二温控模块，第一同步鉴相模块、第二同步鉴相模块共同连接的中央处理器，第一同步鉴相模块连接的第二光电池，第二同步鉴相模块连接的第一光电池；高稳晶振与微波射频源连接，中央处理器与增益调节模块连接；还包括双泡式物理系统，双泡式物理系统包括第一集成滤光共振泡、第二集成滤光共振泡和金属屏蔽层，金属屏蔽层设置于第一集成滤光共振泡和第一集成滤光共振泡之间；双泡式物理系统分别与第一光电池、第二光电池及微 波射频源连接。

在上述的基于双泡式起振系统中，第一集成滤光共振泡、第二集成滤光共振泡性能相同。

在上述的基于双泡式起振系统中，第一光电池包含两块型号相同的光电池A1、B1；第二光电池为一块光电池，型号与光电池A1、B1相同。

在上述的基于双泡式起振系统中，第一温控模块和第二温控模块相同，均包括电压源、温度采集模块、差分放大器A、负反馈电阻Rw和加热线圈环路；温度采集模块分别连接电压源和差分放大器A，差分放大器A分别连接负反馈电阻Rw、加热线圈环路和电压源。

在上述的基于双泡式起振系统中，电阻Rk为热敏电阻，且贴于温度控制模块的表面，用于感知实际工作环境温度；电阻Rw采用数字电位计。

在上述的基于双泡式起振系统中，第一温控模块置于高稳晶振中；第二温控模块置于微波射频源中。

在上述的基于双泡式起振系统中，增益调节模块包括压控控制模块和增益控制模块。

在上述的基于双泡式起振系统中，压控控制模块包括电桥测温模块、电压跟随器A1、A2，差分放大器A3；电桥测温模块包括两个电阻R4、电阻R₀和电阻Rk1组成电桥，两个电阻R4以及电阻R₀为具有相同温度系数的电阻，其阻值与电阻Rk1相当。

在上述的基于双泡式起振系统中，增益控制模块为增益线性调节电路A4；与差分放大器A3的输出端连接。

在上述的基于双泡式起振系统中，电阻Rk1为热敏电阻，电阻R₀为热敏电 阻传感器。

本实用新型的有益效果是：设置两个性能完全一致的集成滤光共振泡，相当于在一个体系中提供了两个完全一样的时间校准，从而延长了时间校准的寿命，有效避免了经常更换空间站或卫星上的时间校准带来的麻烦。

附图说明

图1为本实用新型一个实施例时间校准系统原理图；

图2为本实用新型一个实施例双泡式物理系统结构示意图；

图3为本实用新型一个实施例改进的迟滞伺服系统原理图；

图4为本实用新型一个实施例温度控制模块电路原理图；

图5为本实用新型一个实施例压控控制模块电路原理图；

其中，1-恒温1、2-光谱灯、3-磁屏、4-恒温2、5-第二集成滤光共振泡、6-腔、7-C场、8-第二光电池、9-第二耦合环、10-⁸⁷Rb原子跃迁频率6834.6875MHz、11-第一光电池、12-第二耦合环、13-第一集成滤光共振泡。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方式进行详细描述。

所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本 身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本实用新型提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其它工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“相连”“连接"应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于相关领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本实施例是采用以下技术方案来实现的，一种基于双泡式起振系统，包括综合模块，综合模块分别连接的微波射频源、高稳晶振、第一同步鉴相模块、第二同步鉴相模块，高稳晶振连接的第一温控模块和增益调节模块，微波射频源连接的第二温控模块，第一同步鉴相模块、第二同步鉴相模块共同连接的中央处理器，第一同步鉴相模块连接的第二光电池，第二同步鉴相模块连接的第一光电池；高稳晶振与微波射频源连接，中央处理器与增益调节模块连接；还包括双泡式物理系统，双泡式物理系统包括第一集成滤光共振泡、第二集成滤光共振泡和金属屏蔽层，金属屏蔽层设置于第一集成滤光共振泡和第一集成滤光共振泡之间；双泡式物理系统分别与第一光电池、第二光电池及微波射频源连接。

进一步，第一集成滤光共振泡、第二集成滤光共振泡性能相同。

进一步，第一光电池包含两块型号相同的光电池A1、B1；第二光电池为一 块光电池，型号与光电池A1、B1相同。

进一步，第一温控模块和第二温控模块相同，均包括电压源、温度采集模块、差分放大器A、负反馈电阻Rw和加热线圈环路；温度采集模块分别连接电压源和差分放大器A，差分放大器A分别连接负反馈电阻Rw、加热线圈环路和电压源。

进一步，电阻Rk为热敏电阻，且贴于温度控制模块的表面，用于感知实际工作环境温度；电阻Rw采用数字电位计。

进一步，第一温控模块置于高稳晶振中；第二温控模块置于微波射频源中。

进一步，增益调节模块包括压控控制模块和增益控制模块。

进一步，压控控制模块包括电桥测温模块、电压跟随器A1、A2，差分放大器A3；电桥测温模块包括两个电阻R4、电阻R₀和电阻Rk1组成电桥，两个电阻R4以及电阻R₀为具有相同温度系数的电阻，其阻值与电阻Rk1相当。

进一步，增益控制模块为增益线性调节电路A4；与差分放大器A3的输出端连接。

更进一步，电阻Rk1为热敏电阻，电阻R₀为热敏电阻传感器。

具体实施时，一种基于双泡式起振系统，包括双泡式物理系统和外围电子线路。

如图1所示，光抽运谱灯是一个无极放电的铷灯，灯泡内除了充有铷外，还充有激发电位低的惰性启辉气体。常用的启辉气体为Kr或Ar。整个灯由射频源激励发光。

共振探测部分由微波腔、C场、集成滤光共振泡、光电池等组成。

微波腔的主要作用是为原子的微波共振提供合适的微波场，通过耦合环将 外部电子线路的微波引入腔体中。同时受恒温控制，为集成滤光共振泡提供温度恒定的工作环境。

C场线圈的作用是产生一个和微波磁场方向相平行的弱静磁场，使原子基态超精细结构发生塞曼分裂，并为原子跃迁提供量子化轴，同时通过调节C场电流的大小，改变磁场的强度，微调系统的输出频率。

选择在800nm处有较好灵敏度的硅光电池，作为集成滤光共振泡透射光的探测器。

在被动型铷时间校准中，电子线路的主要作用是产生源于石英晶体振荡器的微波探询信号，并将本振的输出频率锁定在铷原子的基态超精细0－0跃迁频率上。

压控晶体振荡器VCXO是激励微波场的初始信号源，并提供标准频率输出，其振荡频率受伺服纠偏电压控制，对时间校准而言，它的相位噪声决定了伺服环路带宽以外的输出信号的相噪特性。

时间校准中⁸⁷Rb原子跃迁频率为6834.687××××MHz，为了实现共振探询和同步检测，必须通过将微波探询信号调到原子共振跃迁频率中心频率上，同时通过综合给微波信号加上一个低频小调制。

伺服电路将物理系统输出的量子鉴频信号转变为直流纠偏电压，来控制压控晶体振荡器的输出频率，从而完成环路的锁定。

集成滤光共振泡是整个物理系统的关键部件，在集成滤光共振泡中为进行滤光和原子共振，除需要充入适量的⁸⁷Rb及⁸⁵Rb外，还需充入适当压力的混合缓冲气体，以进行荧光焠灭、能级混杂和减小多谱勒频移。集成滤光共振泡中的⁸⁷Rb原子的基态超精细跃迁频率即是铷时间校准的量子鉴频参考频率。

本实施例采用两个集成滤光共振泡，中间用金属屏蔽层隔离微波辐射干扰。在物理系统中设置了两个性能完全一致的集成滤光共振泡，并构建了两组微波激励结构，结合外围两组电路实现整个时间校准系统的闭环锁定。这相当于在一个体系中提供了两个完全一样的时间校准。所以当外界环境变化，诸如温度的变化，电磁辐射干扰等这两个系统都应该得到一样的反映。我们正是利用这一点，来完成一台时间校准的长寿命工作备份。如图2所示，平时左边的集成滤光共振泡1按照传统时间校准原理参与正常的光抽运、光检测，即有微波信号通过耦合环1作用到系统中，而此时右边的集成滤光共振泡2并没有微波场能量的馈入，随着时间的流逝，左边集成滤光共振泡1中的碱金属元素将逐渐消耗，而右边的由于没有消耗，比如说在5年后中，左边的泡将成为废泡，这时系统将启用右边的集成滤光共振泡2进行长寿命的工作延续，此时微波信号通过耦合环2馈入到右边的腔泡系统中。

针对双泡式物理系统改进的迟滞伺服系统如图3所示，光电池1包含两块同一厂商、同一型号的两块光电池1A、1B，并分别服务于同步鉴相1和同步鉴相2模块。而光电池2处只含有一个光电池，选择上与上述1A、1B一致。

温控模块1和温控模块2为相同的结构，均里含有温控芯片，用于控温，以及热敏电阻，用于测温。受中央处理器控制可以设定温度值T，由于温控模块1置于高稳晶振VCXO中，温控模块2置于微波射频源中，所以中央处理器可以设置对应的工作环境温度、以及获得实际的工作环境温度信息。其原理如图4所示；

其中两个R以及R1为具有相同温度系数的电阻，其阻值应该选择与Rk相当。这里R1的值反映了实际工作环境温度T。Rk为一个热敏电阻，它贴于温 控模块的表面，用以感知实际的工作环境温度T。故当工作环境温度T无变化时，图4中电桥处于平衡，输送至加热线圈环路的温度补偿电压值为0。一旦工作环境温度T升高，则热敏电阻Rk的阻值将变小；工作环境温度T降低，则热敏电阻Rk的阻值将变大。那么电桥两端存在电压差，经运算放大器A差分放大后变为温度补偿电压输送至电压源，同时输出给传统加热丝线圈环路。整个电路的放大增益由运算放大器的负反馈电阻Rw调节，Rw为一数字电位计，通过调节Rw的阻值以达到上述电路补偿因子改变功能。

增益调节模块包括压控控制模块和增益控制模块。

如图5所示，压控控制模块中的桥路测温由两个阻值相同的R4，一个预设温度值热敏电阻传感器Ro及测温热敏电阻Rk组成。Ro决定了VCXO的工作环境温度，当VCXO工作环境温度恒定时，即热敏电阻Rk1测量值与预设值Ro相等，此时电阻桥路A、B端输出电压差将为0，整个压控模块输出端Uout输出为0。当VCXO工作环境温度发生改变时，则桥路的A、B端形成一定的电压差，通过电压跟随器A1及A2的传递送至A3进行差分放大，考虑到放大后的电压差能够有效得采集，所以在差分放大A3的输出端增加了一个增益线性调节电路A4。得到的压控控制模块电压差Uout与微处理器产生的压控电压求和后送至高稳晶振。

本实施例基于双泡式起振系统前3-5年的工作模示如图3所示。

综合模块产生的调制信号与同步1、同步2信号是相干的三路信号，即频率与相位均相同。

1、系统首先分别启动同步鉴相1、同步鉴相2按照传统伺服原理完成如图1所示的整个物理系统中原子吸收谱线的扫频，并同时获得相应的频率f1、f2 处对应的电压值V1、V2，对于同步鉴相1而言记为V11、V12，而对于同步鉴相2而言我们记为V21、V22，并同时存储于中央处理器中。

2、然后，图3所示的改进的迟滞伺服系统进入闭环工作时，我们以同步鉴相1模块作为传统的同步鉴相主模块，而同步鉴相2模块用于辅助判断。按照传统的方案，ΔV1＝V11-V12将作为整个物理系统是否闭环锁定的判断依据，这个依据已经由中央处理器存储并由它来判断，即现在如果不使能同步鉴相2工作，系统将以同步鉴相1工作在某一时刻，获得的同步鉴相误差信号ΔW1传递至中央处理器，中央处理器将做如下运算：ΔW1-ΔV1，如果为负数，中央处理器将输出相应的量子纠偏信号作用于高稳晶振，使其输出频率值上升；同样，如果为正数，中央处理器将输出相应的量子纠偏信号作用于高稳晶振，使其输出频率值下降。最终动态的ΔW1-ΔV1＝0。

3、跟传统技术相比，我们引入了辅助模块同步鉴相2。由于进入同步鉴相1、同步鉴相2的量子鉴频信号均是来自于如图2所示的物理系统中的左边集成滤光共振泡1中的光电池1A、1B。在这里我们希望获得的两路量子鉴频信号能够反映一致的信息，故对于用TE111形式的谐振腔而言，微波磁场的纵向分量的强度在耦合环两侧最强，所以在工作状态下原子共振跃迁信号最强的地方在腔体两边，故将光电池1A与光电池1B对称地安装在中心轴线的两侧。这样它们获得的信号最强并且能够一致的反映物理系统的量频情况。

按照上述2的方法，中央处理器将分别判断ΔW1-ΔV1、ΔW2-ΔV2，如果它们同时为正或负，说明系统由于物理系统部分原因需要纠偏，那么中央处理器将按照上述2的方式利用同步鉴相1完成整个闭环锁定。

如果中央处理器将分别判断ΔW1-ΔV1、ΔW2-ΔV2，它们出现(正、负)或 (负、正)，说明系统可能是由于外围电路的干扰出现了不同的纠偏需求，此时，中央处理器将不进行纠偏操作，即不改变高稳晶振的频率。

如果中央处理器将分别判断ΔW1-ΔV1、ΔW2-ΔV2，它们出现(0，正或负)，那么由于同步鉴相1为主同步鉴相模块，所以中央处理器认为此时已锁定，将不进行纠偏操作，即不改变高稳晶振的频率。

如果中央处理器将分别判断ΔW1-ΔV1、ΔW2-ΔV2，它们出现(正或负，0)，那么由于同步鉴相1为主同步鉴相模块，所以中央处理器认为此时并未锁定，将进行纠偏操作，即改变高稳晶振的频率。

对于以上的各种情况，中央处理器分别进行相应的操作，直至ΔW1-ΔV1＝0实现整个系统的闭环锁定。

以上采用同步鉴相1和同步鉴相2同时工作模示，是为了进一步提高系统的短期稳定度及避免因外围干扰或内部工作造成的干扰而设置的。

3-5年过后，图3所示的工作模式如下：

综合模块产生的调制信号与同步1信号是相干的二路信号，即频率与相位均相同，但不再产生同步2信号，因为，3-5年后的系统已经进入非常稳定工作运行状态，不需要考虑系统的短稳，更多的是考虑时间校准的寿命。所以此时我们关闭了同步鉴相2的辅助判断模块。

按照传统的方案，ΔV1＝V11-V12将作为整个物理系统是否闭环锁定的判断依据，这个依据已经由中央处理器存储并由它来判断，系统将以同步鉴相1工作在某一时刻，获得的同步鉴相误差信号ΔW1传递至中央处理器，中央处理器将做如下运算：ΔW1-ΔV1，如果为负数，中央处理器将输出相应的量子纠偏信号作用于高稳定晶振，使其输出频率值上升；同样，如果为正数，中央处理器 将输出相应的量子纠偏信号作用于高稳定晶振，使其输出频率值下降。最终动态使ΔW1-ΔV1＝0。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本实用新型的原理和实质。本实用新型的范围仅由所附权利要求书限定。