一種CPT銫原子鐘控制系統(tǒng)的設(shè)計
2020年電子技術(shù)應(yīng)用第12期
王淼兒，姚 燕
中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院，浙江 杭州310018
摘要： 實(shí)現(xiàn)微型化、低功耗的相干布居囚禁(CPT)原子鐘對于其在通信、定位等精密測量領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。而外圍控制電路控制頻率和激光精準(zhǔn)輸出是實(shí)現(xiàn)相干布居囚禁原子鐘的關(guān)鍵技術(shù)。設(shè)計了一種CPT銫原子鐘外圍控制電路系統(tǒng)。系統(tǒng)利用微調(diào)和粗調(diào)兩級電流調(diào)節(jié)共同驅(qū)動VCSEL激光器工作，相對于單一電流調(diào)節(jié)，輸出更加精準(zhǔn)；采用鎖相環(huán)電路產(chǎn)生可調(diào)制的微波信號；為實(shí)現(xiàn)微波功率可以調(diào)節(jié)，采用PIN二極管調(diào)節(jié)微波功率衰減；同時采用軟件調(diào)制解調(diào)方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)硬件調(diào)制解調(diào)電路，節(jié)約電路邏輯資源。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，微波調(diào)制激光器產(chǎn)生相干調(diào)頻多色光，微波頻率為4.596 267 GHz時，微波輸出功率達(dá)到-3.33 dBm。微波射頻電路在1 kHz頻率偏移量下，相位噪聲低于-80 dBc/Hz，具有較好的性能。
中圖分類號： TB939
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200805
中文引用格式： 王淼兒，姚燕. 一種CPT銫原子鐘控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2020，46(12)：57-60，66.
英文引用格式： Wang Miaoer，Yao Yan. Design of control system for a CPT Cesium atomic clock[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(12)：57-60，66.
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200805
中文引用格式： 王淼兒，姚燕. 一種CPT銫原子鐘控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2020，46(12)：57-60，66.
英文引用格式： Wang Miaoer，Yao Yan. Design of control system for a CPT Cesium atomic clock[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(12)：57-60，66.
Design of control system for a CPT Cesium atomic clock
Wang Miaoer，Yao Yan
Collage of Metrology and Testing Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China
Abstract： The realization of coherent population trapping(CPT) atomic clock with miniaturized, low-power is of great significance for its applications in the fields of precision measurement such as communication and position. The peripheral circuit controlling accurate frequency and laser output is the key technology to achieve coherent population trapping atomic clock. A peripheral control system of CPT Cesium atomic clock is developed in this paper. The system uses two levels for fine-tuning and coarse-tuning to drive the VCSEL laser to work, which is more accurate than single current adjustment and uses phase-locked loop circuit to generate modulated microwave signal. PIN diodes are used to adjust the microwave power attenuation in order to realize the adjustment of microwave power. In the meanwhile, software modulation and demodulation methods is applied to replace traditional hardware modulation and demodulation circuits, which saves circuit logic resources.The testing results show that the output of the microwave power reaches -3.33 dBm when the microwave frequency is 4.596 267 GHz. The phase noise of the radio frequency circuit is better than -80 dBc/Hz under the frequency offset of 1 kHz which has better capability.
Key words : coherent population trapping；atomic clock；control system；modulation and demodulation；phase noise
0 引言
1967年國際計量大會將時間單位秒定義為原子秒，時間秒是基于銫原子(133Cs)在其基態(tài)的超精細(xì)能級間躍遷頻率(9 192 631 770 Hz)[1]。傳統(tǒng)原子鐘精確度很高，但由于其體積很大，應(yīng)用范圍較小，1976年ALZETTA C等人發(fā)現(xiàn)粒子數(shù)相干布居囚禁(Coherent Population Trapping，CPT)現(xiàn)象[2]，這使原子鐘系統(tǒng)向微型化發(fā)展成為可能[3]。隨著科技發(fā)展，精確定時在水下石油勘探、移動網(wǎng)絡(luò)通信和全球定位系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用，推動了緊湊型、高性能原子鐘的發(fā)展[4]，所以研制具備小型化、低相位噪聲、低功耗、高頻率穩(wěn)定度的原子鐘具有重要意義。而原子鐘外圍控制電路作為原子鐘系統(tǒng)重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)頻率輸出的關(guān)鍵。
本文基于相干布居數(shù)囚禁(CPT)原理，設(shè)計并研發(fā)了銫原子鐘外圍控制系統(tǒng)，包括硬件電路主要模塊設(shè)計方案和軟件調(diào)制解調(diào)算法等，并對電路主要模塊進(jìn)行相關(guān)參數(shù)測試。
本文詳細(xì)內(nèi)容請下載:http://m.jysgc.com/resource/share/2000003254
作者信息:
王淼兒，姚 燕
(中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院，浙江 杭州310018)
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