铷原子频率标准 频率标准源 标准频率源

时间频率计量常见仪器校准及高端仪器设备标准广电计量杜亚俊广电计量配备了铯原子频标、铷原子频标、GPS接收机、频标比对器、相位噪声测试系统等时间频率计量标准，频率范围从直流到40GHz，准确度达到1×10-13，直接溯源至中国计量科学研究院（NIM），可对时间频率类仪器进行校准。

常见仪器计量校准：频率标准、高稳晶振、频率合成器：频率标准仪、频率合成器、频率交换器、石英频率标准等。

频率计、计数器、秒表：频率计、通用计数器、数字电子毫秒仪、微波频率计、时间间隔测量仪、机械秒表、电子秒表等各类计时器等。

调制域分析仪频稳对比器石英分析仪、时钟分析仪高端仪器设备标准：名称型号实图功能指标铯原子频率标准3235B 校准频率：准确度、频率稳定度、相位噪声、秒信号频率准确度：5×10-13频率稳定度：σ（y）（10s）：1.7×10-11σ（y）（1s）：2.7×10-14相对噪声：ξ（1Hz）≤-100dBc/Hz ξ（100kHz）≤-154dBc/Hz铷原子频率标准DH1001 校准频率：准确度、频率稳定度频率准确度：1×10-10频率稳定度：σ（y）（1s）：1×10-11σ（y）（10s）：3.2×10-12σ（y）（100s）：1×10-12 频率漂移K(d)：2×10-12频标比对器 PO7D-2校准频率：稳定度、准确度比对不确定度：u c=1×10-10/0.01su c=1×10-11/0.1su c=1×10-12/1s u c=2×10-13/10su c=3×10-14/100s。

百度文库- 让每个人平等地提升自我！常见计量校准标准及计量校准仪器广电计量杜亚俊综述 (1)无线电计量 (2)电磁计量 (4)时间频率计量 (6)长度计量 (7)力学计量 (8)热学计量 (11)理化计量 (12)光学计量 (13)声学计量 (14)综述我们拥有电子、长度、力学、热学、理化五大计量校准实验室，覆盖全国16个检测基地，建立了105项企业最高计量标准及108 项次级标准，拥有国际国内先进的精密标准装置和仪器9000 多台（套）。

目前通过中国合格评定国家认可委（CNAS）的计量校准项目546项，涵盖了无线电、时间频率、电磁、长度、力学、热学、物理化学、光学、声学等九大计量领域，能为工业企业和军工企业提供专业的仪器计量校准服务，特别在无线电、时间频率、电磁等领域的计量标准和技术处于国内领先水平。

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可开展校准项目（87项）序号项目名称序号项目名称序号项目名称1 毫伏表31TDMA-GSM数字移动通信综合测试仪61阻尼正弦瞬变/振铃信号发生器2 驻极体传声器测试仪32 动态信号分析仪62 静电放电模拟器3 示波器校准仪33 电磁骚扰测量接收机63电快速瞬变脉冲群发生器4 模拟示波器34 音准仪64 电浪涌发生器5 网络分析仪35 人工电源网络65 谐波和闪烁分析仪6 射频阻抗/材料分析仪36 抖晃仪66 电压暂降、短时中断和电压变化发生器7 Q表37 示波器高压探头67 数字示波器8 低频信号发生器38 功率吸收钳68 网络线缆分析仪9 信号发生器39 天线69 连续波干扰模拟器10 脉冲信号发生器40 示波器电流探头70 LTE数字移动通信综合测试仪11 函数信号发生器41 示波器差分探头71 噪声源12 数字信号发生器42 天馈线分析仪72 逻辑分析仪13 矢量信号分析仪43 话路特性分析仪73 射频/微波开关14 射频通信测试仪44 CDMA数字移动通信综合测试仪74 矢量示波器15 调制度测量仪45 TD-SCDMA数字移动通信综合测试仪75射频同轴阻抗标准器/校准件16 频谱分析仪46 TD-SCDMA信号发生器76 电场测量仪/场强探头17 噪声系数分析仪47 TD-SCDMA分析仪77 数据网络性能测试仪18 误码测试仪48 功率指示器78 失真度校准仪19 功率放大器49宽带码分多址接入（WCDMA）数字移动通信综合测试仪79 时序噪声分析仪20 中功率计50 蓝牙测试仪80 三环天线系统21 电视场强电平检测仪51 无线局域网测试仪81 电流探头/电流钳22 电视信号发生器52 无源互调测试仪82 电磁耦合钳23 电话分析仪53 晶体阻抗计/晶体分析仪83 电流注入钳24 失真度测量仪54 选频电平表84 耦合去耦网络25 音频分析仪55 电平振荡器85 汽车电瞬态传导骚扰模拟器26 衰减器56 杂音计86 微波元器件27 轻型仿真线57 噪声信号发生器87 电波暗室/电磁屏蔽室28 滤波器58 扬声器测试仪29 小功率座59 高频噪声模拟器30 数字传输分析仪60 微波辐射与泄漏测量仪电磁计量我们配备了标准电感、标准电容、0.005 级标准电阻、耐电压测试校验仪、5700A 多功能校准仪、8508A数字多用表、高精度电压互感器、电阻分压器、分流器、交流电桥、LCR 数字电桥、高阻计、EMC 等计量标准，直流电压的不确定度达百万分之七，标准电容的不确定度达百万分之五十，可开展交直流电压、电流、功率、直流电阻、接地电阻、交流阻抗、电磁兼容等参数的校准。

铷原子频标鉴频信号信噪比相关问题分析祁峰;赵峰;王芳;康松柏;梅刚华【摘要】频率稳定度是铷原子频标最重要的性能指标. 铷频标频率稳定度主要由原子鉴频信号的信噪比决定. 本文分析了微波腔的结构、铷光谱灯的光谱纯度和同位素滤光方案对信噪比的影响, 指出采用模式优越、微波填充因子大的微波腔, 光谱纯度高的铷光谱灯, 用分离滤光方法进行同位素滤光, 可以提高铷原子鉴频信号的信噪比, 从而使铷频标的稳定度指标得到进一步改善.【期刊名称】《波谱学杂志》【年(卷),期】2009(026)003【总页数】6页(P369-374)【关键词】铷原子频标;信噪比;微波腔;铷光谱灯;同位素滤光【作者】祁峰;赵峰;王芳;康松柏;梅刚华【作者单位】波谱与原子分子物理国家重点实验室(中国科学院,武汉物理与数学研究所),湖北,武汉,430071;中国科学院,研究生院,北京100080;波谱与原子分子物理国家重点实验室(中国科学院,武汉物理与数学研究所),湖北,武汉,430071;波谱与原子分子物理国家重点实验室(中国科学院,武汉物理与数学研究所),湖北,武汉,430071;波谱与原子分子物理国家重点实验室(中国科学院,武汉物理与数学研究所),湖北,武汉,430071;中国科学院,研究生院,北京100080;波谱与原子分子物理国家重点实验室(中国科学院,武汉物理与数学研究所),湖北,武汉,430071【正文语种】中文【中图分类】O455.1引言铷原子频标已经出现了50多年. 在铷频标出现后的前30多年时间里,其短期稳定度一直在量级徘徊,长期稳定度在10-13量级. 近20年来,由于卫星导航等应用需求的驱动,铷频标的性能指标得到大幅度提升. 最近,T.Dass等人报道,他们为下一代GPS系统研制的铷频标短稳达到天稳达到1×10-14 [1]. 这个结果超出了当初人们对铷原子频标稳定度的预期,也引发了铷频标频率稳定度还能否进一步提高的思考. 物理系统是铷原子频标的核心,铷原子频标整机的稳定度在很大程度上依赖于物理系统的特性. 物理系统提供的原子跃迁信号的信噪比,是决定铷频标稳定度潜力的基础. 因此,弄清与原子跃迁信号信噪比相关的物理问题,在物理系统设计层面保证高信噪比,对于铷原子频标性能指标的进一步改善具有重要意义.1 铷频标物理系统铷原子频标可以大致上分为物理系统和电路2部分. 物理系统产生铷原子跃迁信号,在铷频标中起鉴频器的作用,电路部分的作用则是将晶体振荡器的输出频率锁定在原子跃迁频率上,使其具有和原子跃迁信号一样稳定的频率特性.图1 铷频标物理系统结构示意图 Fig.1 Structure of the physics package本实验室研制的铷频标物理系统结构示于图1,它主要由铷光谱灯、腔泡组件、 C 场线圈、光电池和磁屏组成. 铷频标的钟跃迁谱线为87Rb原子基态2个超精细Zeeman子能级(F=2,mF=0)和(F=1,mF=0)之间的跃迁,又称为(0,0)跃迁. 铷光谱灯发出的光对87Rb原子进行光抽运,以实现(0,0)跃迁两能级间粒子数反转. 物理系统采用分离滤光设计方案. 铷光谱灯发出的光通过腔泡组件中的滤光泡进行同位素滤光,滤除光谱灯的87Rb光谱中对粒子数反转不利的光成分,保留对粒子数反转有利的光成分,然后进入吸收泡,对其中的87Rb原子进行光抽运,使(0,0)跃迁两能之间发生粒子数反转. 外部的微波信号通过耦合环进入微波谐振腔,当微波频率接近(0,0)跃迁频率(约为6 834.7 MHz)时,就会激发(0,0)跃迁,即87Rb原子会从高能级(F=2,mF=0)跃迁到低能级(F=1,mF=0),这时吸收泡中87Rb的原子会吸收更多的光子,造成光电池探测到的透射光强减弱. 所以当微波频率扫过原子(0,0)跃迁频率时,光电池探测到的光强信号会出现一个凹陷,这就是所谓光检信号. 显然,光检信号对进入腔内的微波频率敏感,因而被用作铷频标的鉴频信号. 在微波腔的外部缠绕着一层线圈(即C场),在其内部通入一较小的恒定电流以产生一个恒定的外加磁场,为吸收泡内的87Rb 原子提供一个量子化轴,并且可以对原子跃迁频率进行微调. 为消除外界杂散磁场对原子谱线的影响,整个微波腔外还包裹着一层磁屏材料.在图1所示的方案中采用了我们自行研制的开槽管式微波腔. 关于这种腔的特性,在文献[2]中有详细描述,此处不予赘述.2 频率稳定度与原子跃迁信号信噪比的关系用Allan方差表征的铷频标频率稳定度表达为：(1)(1)式中ν0/Δν为原子跃迁谱线Q值,ν0和Δν分别为谱线频率和线宽； S/N为原子跃迁信号的信噪比；τ为取样时间. 由式(1)可知,谱线Q值越大,信噪比越高,则σy越小,即频率稳定度越高. 采取充入缓冲气体等措施后,原子的一级Doppler频移得到有效抑制,原子跃迁谱线线宽Δν被压缩到500 Hz左右[3],如果不采取激光减速等措施,很难再进一步压窄. ν0为常量6 834.7 MHz. 所以,利用提高谱线Q值的办法来提高频率稳定度潜力不大. 因此,提高频率稳定度指标的主要途径是提高原子鉴频信号信噪比. 一方面是增大原子跃迁信号强度,另一方面是降低系统噪声.3 改善信噪比的主要途径铷频标鉴频信号的强度,决定于原子的(0,0)跃迁信号强度. 而原子的(0,0)跃迁信号强度则决定于参与(0,0)跃迁的原子数目. 因此,增大原子鉴频信号的强度,应从增加参与(0,0)跃迁的原子数目入手. 铷原子频标鉴频信号的噪声则主要来自原子鉴频器,是铷光谱灯发出的光在光探测器上产生的散弹噪声. 与光子的散弹噪声相比,电路系统引入的噪声可以忽略不计. 因此,降低原子鉴频信号的噪声,应该从降低光探测器的光子散弹噪声入手.3.1 微波腔铷原子的(0,0)跃迁是由高频电磁场激励的磁偶极跃迁. 高频电磁场信号由外部通过耦合环馈入到微波腔,微波腔内的场强度和场型分布由微波腔的结构决定. 因此,要保证参与(0,0)跃迁的原子数目足够多,微波腔的设计必须合理.首先,微波场的模式要有利于激发(0,0)跃迁. 由量子力学原理可知,要激发原子的磁偶极跃迁,微波场磁力线方向要与C场平行. 一般地,C场方向就是微波腔轴方向. 所以,腔内微波场磁力线方向应平行于腔轴方向. 由于磁力线是闭合曲线,要求所有的磁力线方向都与腔轴平行是不现实的,但应要求微波场磁力线主要呈轴向分布. 第二,用于激励原子跃迁的高频场强度要足够高,也就是要求在微波-原子作用区(吸收泡所占的区域)微波场磁力线尽可能分布密集. 第三,微波填充因子要大. 有时我们面临这样的情况,由于微波腔边界条件的限制,吸收泡不能占据腔内微波场所在的全部区域,这使得吸收泡内一部分原子不能处于微波场中,这部分原子就不能发生跃迁,从而影响信噪比. 微波填充因子可以大致上定义为微波场对吸收泡体积分与微波场对微波腔体积分的比值,其极限值为1. 在微波腔设计时,应尽可能使微波填充因子接近于1.上述3个因素都取决于微波腔结构. 因此,设计一个结构合理的微波腔,是保证信噪比的先决条件. 早期的铷原子频标微波腔一般为TE011和TE111标准腔,后来又出现了一些非标准腔. 下面我们分别比较几种常用微波腔的特性.TE011腔是一种标准圆柱形谐振腔,其内部磁力线分布如图2所示. 由图2可知,TE011腔中电磁场的磁场分量在腔体轴线附近即吸收泡所在的区域与腔轴向(Z 方向)平行且密集分布,这种场模式非常有利于激发87Rb原子(0,0)跃迁,可以实现较高的信噪比.TE011腔虽然具有场模式好的优点,但却存在体积太大的缺点,在实际工程中并不实用. 由于这些原因,TE011腔很快被TE111腔取代. TE111腔的内部磁场分布示于图3. 可以看到,在腔轴线附近,磁力线方向有的平行于轴线,有的垂直于轴线,前者可以激发(0,0)跃迁,后者不能激发(0,0)跃迁；平行于轴线的磁力线在轴线附近分布不如TE011腔密集. 所以,这种腔的信噪比也较TE011腔低,但由于其体积可大大减小,且该模式实现较容易,仍然得到广泛采用.无论是TE011腔还是TE111腔,都存在一个共同的缺点,就是腔体尾部的通光孔不可能开很大——过大则会破坏微波腔的工作模式——这样就限制了抽运光束的直径. 而只有处于抽运光束内的原子对信号有贡献,所以即便吸收泡填充整个微波腔的体积,但真正能够利用的原子只有一小部分,这对提高信噪比是不利的. 而在通光孔径相同的情况下,TE011腔的信噪比比TE111腔要高,原因是前者轴线附近区域的磁力线更密集(比较图2和图3).图2 TE011腔的磁力线分布Fig.2 Magnetic field in the TE011 cavity图3 TE111腔微波场分布Fig.3 Magnetic field in the TE111 cavity鉴于TE011腔和TE111腔各自的缺点,近年来人们一直在试图发展体积小、模式优越的非标准腔. 这方面的代表性工作,一个是瑞士天文台使用的用于Galileo系统铷钟的磁控管腔[4],另一个是本实验室发明的开槽管腔[5]. 这2种微波腔的特点是场型接近于TE011模式、微波填充因子大、体积小等. 用这种非标准腔制作的物理系统,能够将高信噪比和小型化统一起来.3.2 铷光谱灯铷光谱灯的主要作用是对吸收泡中的87Rb原子进行光抽运,使其基态2个mF=0能级间产生粒子数反转. 抽运效果越好,两能级间反转粒子数差越大,信噪比越高. 抽运效果直接与铷光谱灯的特性有关.(1)光强光强越强,则抽运效果越好. 所以,要保证高信噪比,光强要足够强. 这里主要是指光谱中铷原子发光产生的光功率要足够强. 光强与谱灯激励电路的激励频率、激励功率、谱灯灯泡的制作工艺以及工作温度有很大关系. 在实际设计中,为了使谱灯的光强足够强并且稳定,这些参数应进行优化.(2)光谱纯度光子的散弹噪声可以表达为：NPC=(2qIPC)1/2 ，(2)(2)式中q为电子电量,IPC为光电池探测到的直流光电流,也就是由谱灯发出的穿过滤光泡和吸收泡的光强信号. 谱灯光强中含有2种成分,一种是可以用来对铷原子进行光抽运的对信号有贡献的有效光成分,一种是不能用作抽运光的无效光成分,这部分光仅仅对噪声有贡献.为了分析这个问题,图4给出我们用光谱仪得到的以Kr作为起辉气体的铷光谱灯的光谱[6]. 图4中,有标记符号的是铷原子发光,其余未标记的是起辉气体发光. 而在铷原子发光中,只有标记为⑤、⑥(波长分别为780 nm和794 nm)成分对光抽运有贡献,标记①～④的成分对光抽运没有贡献. 所以,⑤、⑥为有效光,①～④以及起辉气体发光成分为无效光.图4 充有Kr作为起辉气体的谱灯光谱Fig.4 Lamp spectrum with Kr as thebuffer gas为了获得高信噪比,显然应最大限度地保留有效光,抑制无效光. 定义光谱纯度为有效光在总光强中所占比例,就是要求谱灯的光谱纯度要高. 实验表明,谱灯的光谱纯度与灯泡内充入的缓冲气体种类有关,常用的起辉气体有Ar、 Kr和Xe 3种,用Xe 作为起辉气体的谱灯光谱纯度最高[7]. T. Dass等人采用Xe灯作为抽运光源,并采取光学滤光方法进一步滤除无用光,这是他们设计的铷频标稳定度能够达到水平的重要原因.3.3 同位素滤光方案同位素滤光方案也与信噪比相关. 滤光方案一般分2种,一种是分离滤光,一种是集成滤光. 分离滤光的特点是谱灯发出的光先通过充有85Rb同位素的滤光泡进行滤光,再照射到充有87Rb同位素的吸收泡,对吸收泡中的87Rb原子进行光抽运. 集成滤光的特点是谱灯发出的光直接照射到按一定比例充入87Rb和85Rb 2种同位素的吸收泡,对其中的87Rb原子进行光抽运,吸收泡中的85Rb原子起滤光作用. 分离滤光方案的滤光效果比集成滤光好,光抽运得到的反转粒子数差大,所以信噪比更高. 故高稳铷钟多采用分离滤光方案. 集成滤光的信噪比不及分离滤光,但由于少了一个铷泡,结构更简单,成本也更低,多为一般商用铷钟采用. 分离滤光的另一个好处是比较容易通过参数优化减小光频移和改善温度系数[8],这对改善铷频标的长期稳定度是有利的.4 讨论和结论决定铷原子频标频率稳定度的主要因素是原子鉴频信号的信噪比和谱线Q值. 谱线Q值进一步提高的潜力不大,所以提高铷频标频率稳定度的主要途径是提高信噪比. 信噪比可以通过以下几种方法得到改善. 第一是开发模式优越、微波填充因子大的微波腔,以增加参与跃迁的原子数量；第二是采用合适的起辉气体充制铷光谱灯灯泡,提高谱灯光谱纯度,以减小光子散弹噪声的影响；第三是在物理系统设计中采用分离滤光方案. 最近,我们研制出一个高信噪比的铷频标物理系统,秒采样的频率稳定度约为8×10-13. 该物理系统采用分离滤光方案设计,采用了开槽管式微波腔和以Xe为起辉气体的铷光谱灯. 有理由相信,铷原子频标的短期稳定度突破是可能的. 参考文献:【相关文献】[1] Dass T, Freed G, Petzinger J, et al. GPS Clocks in Space: Current Performance and Plans for the Future. Proceedings of the 34th Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Systems and Applications Meeting[C]. 2002. 175-192.[2] Xia B H, Zhong D, An S F, et al. Characteristics of a novel kind of miniaturized cavity-cell assembly for rubidium frequency standards[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2006, 55(3): 1 000-1 006.[3] Wang Yi-qiu(王义遒),Wang Qing-ji(王庆吉),Fu Ji-shi(傅济时),et al. Quantum Frequency Standard Theory(量子频标原理)[M]. Bei-jing(北京)： Scienc Press(科学出版社),1986. 378. [4] Couplet C and Rochat P. Proceedings of the Annual Symposium on Frequency Control[C]. 1995. 124.[5] Mei G H, Zhong D, An S F, et al. Miniatured microwave cavity for atomic frequency standard [P]. U S: 6 225 870 B1, 2001.[6] Wang Fang(王芳),Zhao Feng(赵峰),Qi Feng(祁峰),et al. Spectroscopy study of rubidium spectrum lamps(铷光谱灯的光谱研究)[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis(光谱学与光谱分析), 2009, 29(5): (in press).[7] Epstein M, Freed G, Rajan J. GPS IIR rubidium clocks: In-orbit performance aspects[A]. Proc of 35th PTTI Meeting[C]. San Diego, California, USA: NASA, 2003. 117-134.[8] Vanier J,Claude A. The quantum physics of atomic frequency standards[J]. Published Under the Adam Hilger, 1989, 1: 1 318.。

TR 2000系列铷原子频率标准简介本书的内容涵盖下述5个型号的TR2000铷原子频率标准：TR2001、TR2001A、TR2002T、TR2004D、SF3910ATR2000系列铷原子频率标准,是用铷同位素Rｂ87原子基态超精细结构（0—0）跃迁微波谱线的中心频率，去控制晶体振荡器的频率而得到高稳定的标准频率源。

TR2000系列铷原子频率标准内装DATUM公司生产的铷振荡器，再利用GPS卫星定位系统产生的标准时标对铷原子频标的准确度进行校正，使铷原子频标不但具有很高的频率稳定度，还具有很高的频率准确度。

它被广泛应用在无线电导航、航空、通信、天文、物理研究、计测等领域。

下面的介绍体现了该系列铷原子频率标准优异的技术指标和强大功能特性的完美结合。

●频率漂移率≤3×10-12/日（三天后）●短期稳定度：≤1.5×10-11/1s ≤3.5×10-12/10s ≤3×10-12/100s●频率调节范围：≤2×10-9●频率再现性： 2.5×10-11●电磁效应：±4×10-11/GAUSS●频率准确度：5×10-11（出厂的设置）●GPS校准精度优于1.0×10-11●VFD显示，可显示时间，GPS卫星状态、频率偏差等●两种工作方式，可以选择GPS锁定或人工保持工作模式●校准数据可存储在非易失存储器中，GPS无效时可在一定时间维持校准精度●配有RS232接口可以通过计算机对其进行控制和数据处理●随机软件，可以显示、保存、打印GPS信息、铷钟校准数据等TR2000系列铷原子频率标准及附件（代装箱单）●TR200××铷原子频率标准1台●电源线1根●用户使用指南1本●仪器保修单1份●0.5A保险丝管2个●测试电缆1根(两头BNC) ●GPS有源天线1付●R232串行接口线1条(带232接口)本书概要用户指南：第一章对铷原子频率标准的功能和操作进行了详细的介绍。

铷检测标准-概述说明以及解释1.引言1.1 概述引言部分主要对整篇文章进行概括和介绍。

在本文中，我们将探讨铷检测标准的重要性、需求以及现有标准的不足。

通过对铷检测标准的制定必要性、制定原则以及建议内容的讨论，旨在为铷检测提供一个更加科学、准确和可靠的标准。

铷作为一种重要的化学元素，广泛应用于各个领域。

在工业生产中，铷在材料科学、电子工业、催化剂制备等方面扮演着重要的角色。

同时，铷的检测对于环境保护、食品安全以及医疗检测也具有重要意义。

然而，当前铷检测领域存在一些问题，如检测方法不统一、检测结果不准确等，这些问题制约着铷检测技术的发展和应用。

针对目前铷检测领域的问题，制定一套科学合理的铷检测标准显得尤为重要。

首先，铷检测标准的制定将有助于规范铷检测行为，提高检测的准确性和可靠性。

其次，铷检测标准的制定原则需要充分考虑不同领域的需求，尊重科学的客观性和严谨性。

最后，铷检测标准的建议内容应囊括各个环节，如样品采集、检测方法、结果评估等，以保证整个检测过程的科学可靠性和可操作性。

通过本文对铷检测标准的研究和讨论，希望能够为铷检测领域的专业人士和相关机构提供参考，推动铷检测标准的制定和应用。

只有建立科学合理的铷检测标准，才能更好地推动铷检测技术的发展，促进相关领域的研究和应用水平的提升。

1.2文章结构1.2 文章结构本文将按照以下结构进行叙述和讨论：第一部分为引言部分。

首先概述了本文的主题，即关于铷检测标准的讨论。

接着介绍了文章的结构，方便读者了解整个文章的布局和内容。

最后明确了本文的目的，即探讨铷检测标准的制定与需求。

第二部分为正文部分。

首先，详细阐述了铷的重要性，强调了其在某些领域中的广泛应用和意义。

然后，探讨了铷检测的需求，包括为什么需要开展铷检测以及相关行业的实际需求。

最后，分析了现有铷检测标准的不足之处，指出了其存在的问题和亟待解决的挑战。

第三部分为结论部分。

首先，阐述了制定铷检测标准的必要性，强调了规范和统一铷检测流程的重要性。

一种铷原子频标频率综合器新方案的设计与实现黄争;阎世栋;梅刚华;钟达【摘要】数字化和小型化是铷原子频标(RAFS)发展的重要方向.在传统铷原子频标电路中,6840 MHz微波信号与频率综合器产生的5.3125 MHz信号进行混频,得到用于激励铷原子跃迁的6834.6875 MHz微波探寻信号.早期铷频标的频率综合器大量使用了分立的模拟器件,数字化程度低、参数优化工作繁杂、电路体积较大.目前常用直接数字频率合成器(DDS)方案直接产生5.3125 MHz信号,但这种数字电路方案通常需要对10 MHz信号进行倍频,它存在频谱纯度较低、相位噪声高等缺点.本文介绍一种产生5.3125 MHz信号的频率综合器解决方案,这种设计方案在应用DDS器件时无需使用10 MHz倍频电路,它具有频谱纯度较高、相位噪声低、输出频率和相位可调等优点.%Progresses have been made in the development of digitalized and miniaturized rubidium atomic frequency standard (RAFS). In the traditional RAFS circuits, the 6840 MHz microwave signal is mixed with the 5.3125 MHz signal generated by the frequency synthesizer to obtain 6834.6875 MHz microwave signal, which is used to excite rubidium atom transition. Early RAFS frequency synthesizer used a large number of discrete analog devices, and showed disadvantages such as low degree of digitization, complicated parameter optimization and large physical size. The direct digital synthesizer (DDS) scheme used currently generates the 5.3125 MHz signal directly, but often needs to multiply the 10 MHz signal. It has the disadvantages of low spectral purity and high phase noise. This paper introduces a digital frequency synthesizer solution that generates the 5.3125 MHz signal. The design eliminates theneed for a 10 MHz multiplier circuit when using a DDS device. It has the advantages of high spectral purity, low phase noise and adjustable output frequency/phase.【期刊名称】《波谱学杂志》【年(卷),期】2017(034)004【总页数】8页(P481-488)【关键词】铷原子频标(RAFS);频率综合器;直接数字频率合成器(DDS);倍频【作者】黄争;阎世栋;梅刚华;钟达【作者单位】中国科学院原子频标重点实验室,中国科学院武汉物理与数学研究所,湖北武汉 430071;中国科学院大学,北京 100049;中国科学院原子频标重点实验室,中国科学院武汉物理与数学研究所,湖北武汉 430071;中国科学院原子频标重点实验室,中国科学院武汉物理与数学研究所,湖北武汉 430071;中国科学院原子频标重点实验室,中国科学院武汉物理与数学研究所,湖北武汉 430071【正文语种】中文【中图分类】O482.53铷原子频标（RAFS）具有体积小、重量轻、功耗低的特点，是目前使用最广泛的原子频标[1]．铷原子频标可以简单地分为物理系统和电路系统两部分．电路系统一般由射频倍频器、频率综合器、调制器和同步检波器组成．已有文献报道实现10 MHz信号经过频率综合器产生5.312 5 MHz信号方案，通常的做法是通过现场可编程门阵列（FPGA）+直接数字频率合成器（DDS）实现，在该方案中，5.312 5 MHz信号是由参考信号经过高次倍频后经DDS器件直接合成产生．DDS器件可以精确预置输出频率和相位，应用灵活、易于集成，但受常用DDS器件（AD9852）自身的技术要求所限，存在功耗高、发热量大（5 V/1 A，器件外部必须装有散热片）、杂散大等缺点．最重要的是，根据Nyquist采样定理，DDS的最高输出频率应小于输入时钟的一半（fc/2），实际应用中一般只能达到40% fc．也就是说，上述方案中为直接获得5.312 5 MHz信号，通常情况下10 MHz参考信号必须经过多次倍频后才能作为AD9852器件的输入时钟．从理论上讲，倍频器将信号频率提高N倍，会让相噪抬高20lgN（单位为dB），类似的N分频会让相噪降低20lgN（单位为dB）．那么经过计算，由5次倍频电路所引入的附加相噪为14 dB，不容忽视．经过分析发现，5.312 5 MHz信号既可以由较高频率信号经DDS器件直接生成，又可以通过 5 MHz和0.312 5 MHz信号混频后获取．其中0.312 5 MHz信号属于低频信号，10 MHz信号为 0.312 5 MHz信号的32倍频，按照Nyquist采样定理，10 MHz信号完全可以直接作为DDS器件的输入时钟，经过直接数字频率合成后得到0.312 5 MHz信号．按照上述设计思想，只需利用DDS器件产生0.312 5 MHz信号即可．由于设计需求简化，选用AD9852/AD9854之类功能复杂的DDS器件并不适合．而另一款DDS器件AD9956，既能够以10 MHz直接作为输入时钟，又具有功耗低（无需散热片）、调试简便等优点，通过编程可精确预置输出频率和输出相位，完全能够满足上述设计需求．以下将具体介绍采用AD9956器件设计并实现的铷原子频标5.312 5 MHz频率综合器新方案．DDS的工作原理如图1所示．它利用采样定理，通过查表法产生波形．其内部结构由相位累加器与累加寄存器级联构成．每来一个输入时钟，相位累加器将控制字K与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送到累加寄存器的数据输入端，以使加法器在下一个输入时钟的作用下继续与频率控制字相加．这样，相位累加器在时钟作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加．由此可以看出，相位累加器在每一个时钟脉冲输入时，把频率控制字累加1次，相位累加器输出的数据就是合成信号的相位，相位累加器的输出频率就是DDS输出的信号频率．用相位累加器输出的数据作为波形存储器（ROM）的相位取样地址．这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值（二进制编码）经查找表查出，完成相位到幅值转换．波形存储器的输出送到数模转换器（DAC），DAC将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量形式信号[2]．低通滤波器用于滤除生成的阶梯形正弦波中的高频成分，以便输出光滑、频谱纯净的正弦波信号．本设计方案选用的器件为AD9956，它是一款功能先进、性价比很高、应用广泛的DDS芯片，该芯片由美国Analog Devices公司生产，内部集成一个采用相位累加器的数字控制振荡器、一个正弦查找表和一个14位数模转换器，它最高支持400 MHz输入时钟，48位分辨能力使频率控制精度可达40亿分之一[3]．AD9956具有80 dB无杂散动态范围（SFDR），能实现快速的跳频．调频和控制字通过串行I/O接口加载进入AD9956，器件的写入速度为25 MbPs．器件的DDS模块还支持用户定义的线性扫描模式．AD9956中DDS的3种工作模式通过控制单元写入数据和地址，来配置DDS的工作模式，通过控制寄存器（CFR）的模式比特位，选择相应的工作模式．AD9956的工作温度范围为-40~125 ℃．其输出频率FOUT=REFCLK×N/248．本文中REFCLK为10 MHz参考时钟，N为FOUT输出0.312 5 MHz时，由单片机STC89C52控制器写入AD9956频率控制寄存器中的48位控制字．将10 MHz信号经过2分频后与AD9956芯片输出的0.312 5 MHz信号混频相加后即得到5.312 5 MHz信号．为了能够满足谐波、相位噪声、稳定度等技术要求，还需增加滤波、匹配、功率放大、隔离输出等电路．本文频率综合器设计方案工作原理如图2所示．按图2的设计原理，频率综合器包含有单片机STC89C52主控单元电路、AD9956单元电路、混频电路、两级滤波电路、匹配、放大以及隔离输出电路．限于篇幅，本文仅给出AD9956单元电路、3阶椭圆低通0.312 5 MHz滤波电路以及混频电路的设计，其余部分从略．图3所示为AD9956单元电路．REFCLK即为输入时钟管脚，接10 MHz参考源信号．AD9956输出的0.312 5 MHz由于含有丰富谐波成分，正弦信号呈阶梯波状，必须经过低通滤波器“提纯”、滤除带外杂散后方可使用．椭圆函数滤波器由于其过渡带很窄、下降迅速，相比其他函数滤波器性能更好[4]．结合设计需求，本设计方案选择3阶椭圆低通滤波器，截止频率为0.34 MHz，配合软件仿真计算，该电路设计图如图4所示．经滤波后0.312 5 MHz信号与5 MHz信号（由10 MHz经过2分频电路产生）的混频是通过54HC86异或门（等同于作加法）得到，该电路的设计原理图如图5所示．其输出为方波，再经过高Q值、窄带通晶体滤波电路和选频放大后最终可获得5.312 5 MHz正弦波信号．单片机通过串行口实现对AD9956内部寄存器的读写，读写操作受到引脚SCLK上时钟信号的控制，在每个SCLK上升沿写1位数据，如图6所示．在AD9956中串行操作是在寄存器级执行的，而不是在字节级执行．AD9956与单片机的通信周期分两个阶段：第1个阶段是指令周期，在这个阶段把指令字节写入AD9956，指令字节除了指出读写操作和寄存器地址外，还同时给出了第2个阶段所要传送数据的字节数；第2个阶段为数据传送周期，传送信号参数的控制字[5]．对AD9956软件控制流程图如图7所示．为了对本设计方案实现的频率综合器电路性能进行评估，我们对新、旧两种数字化方案频率综合器输出信号的谐波、相噪等主要性能指标进行了测试和分析．图8为使用频谱仪对采用旧综合器方案（10 MHz经5次倍频+AD9852）所测量输出5.312 5 MHz频率信号的2次和3次谐波频谱图．图9为使用频谱仪对采用新频率综合器方案（10 MHz无需倍频+AD9956）所测量输出5.312 5 MHz信号的2次和3次谐波频谱图．从图8和图9可以看出，采用新方案频率综合器输出的5.312 5 MHz频率信号的谐、杂波指标明显优于旧方案频率综合器．另外，我们使用频谱仪在SPAN为1 MHz范围内对新方案综合器的5.312 5 MHz信号进行了更细致的测试，获得的频谱如图10所示．测试结果表明，该综合器输出的5.312 5 MHz信号频谱纯度较高、杂散噪声得到了充分抑制．我们用PN9000相噪分析仪对新、旧两种方案频率综合器输出信号的相位噪声进行了测试，相噪测试结果如图11所示．从图11可以看出，采用无倍频设计的新频率综合器方案相位噪声优于采用倍频电路的旧频率综合器方案．将采用新、旧两种频率综合器方案在同样的测试环境下产生的5.312 5 MHz信号的技术指标进行分析对比，如表1所示．分析对比结果表明，采用0.312 5 MHz信号与5 MHz信号混频的无倍频设计新方案，不仅可以产生精确的5.312 5 MHz信号，并且谐波、相噪指标均优于采用倍频电路的旧方案．新频率综合器方案产生的5.312 5 MHz信号经过滤波、功率放大后，与6 840 MHz信号混频即可得到满足铷原子频标工作需求的683 4.687 5 MHz微波探寻信号．本文针对铷原子频标5.312 5 MHz频率综合器展开研究和优化设计，在不使用内部或外部倍频电路的情况下，直接利用铷原子频标10 MHz基准信号作为DDS器件的输入时钟，实现了5.312 5 MHz信号的频率合成及产生．该频率综合器设计方案具有结构简单、频谱纯度较高、相位噪声低等优点，采用该综合器设计方案有利于提高铷原子频标整机的性能指标并降低成本．【相关文献】[1] 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.[2] 自居宪. 低噪声频率合成器[M]. 西安: 西安交通大学出版社, 1994.[3] WEN S J, QIAN C. PLL reference source design based on AD9956[J]. Modern Radar, 2007, 29(12): 1-3.温慎洁, 钱澄. 基于AD9956的锁相参考源设计[J]. 现代雷达, 2007,29(12): 1-3.[4] JIA X B, LIU S X, JIA H L, et al. Design of low-pass elliptic filter based on DDS[J]. Electronic Design Engineering, 2010, 18(9): 171-173 .贾晓斌, 刘四新, 贾海亮, 等. 基于DDS的椭圆函数低通滤波器的设计[J]. 电子设计工程, 2010, 18(9): 171-173.[5] JIANG Y H, LI Z. One realization method of DDS techonology based on chipAD9956[J]. J Astronautic Metrology and Measurement, 2005, 25(3): 6-9.姜永华, 李峥. 一种基于AD9956芯片的DDS技术实现方法[J]. 宇航计测技术, 2005, 25(3): 6-9.。

铷原子频率标准检定规程一、概述铷频标是一种被动型原子频标，是利用铷同位素Rb87原子基态超精细结构中（O－O）能级间跃迁微波谱线的中心频率6834.68…MHz，去锁定控制晶体振荡器频率，从而输出准确稳定的标准频率。

它属于频率准确度需要定期校准的二级标准频率源，广泛应用于工程、科研及计量等领域。

二、技术要求1输出频率：1MHz,5MHz,10(或0.1)MHz；2频率漂移率2.1日漂移率Dd：1×10-11~6×10-133.2月漂移率Dm：1×10-10~1×10-114时域频率稳定度δy(t)如表1取样时间tδy(t)1s5×10-11~5×10-1210s2×10-12~2×10-12100s5×10-12~5×10-131d1×10-11~1×10-12表15频域频率稳定度ψ(f)如表2傅里叶频率ψ(f)/(dBc·Hz)100-70~-90101-100~-120102-110~-125103-125~-140表26频率复现性R：(5~2)×10-117开机特性V：开机t a小时后，优于5×10-11；t a及进入稳定的工作时间t w按产品说明书规定8谐波及非谐波分量8.1谐波分量：-(20~40)dBc;8.2非谐波分量：-(50~70)dBc;9频率准确度A：2×10-10~5×10-11注：检定时以被检铷频标产品说明书为准。

三、检定条件10环境条件10.1环境温度：可在(18~15)℃范围内任选一点，在检定过程中铷频标周围的环境温度的变化不超过±1℃；10.2相对湿度：小于80%；10.3电源电压：220（1±5%）V；50（1±5%）Hz；10.4负载：在检定过程中，负载应固定不变。

WR-1011铷原子频率标准技术说明书目 录1、概述2、技术指标3、结构特征4、连接端口及通信协议5、/A抗振加固型说明1、概述1.1 主要特性☆ 宽温度范围☆ 短期稳定度好☆ 低漂移率☆ 低功耗☆ 快速启动☆ 小体积☆ 长使用寿命☆ 标准接口输出☆ RS232通讯接口☆ 抗振动（/A选项）1.2 主要应用☆ 同步光网络☆ 移动通信、有线数字通信☆ 供电网运行监测系统、广播电视系统☆ 舰载、车载、机载及其他振动环境（/A选项）2、技术指标指标项技术要求/T、/D选项电气特征输出频率10MHz（5MHz、20 MHz可选）输出路数1路（**2路可选）频率稳定度3×10-11/1s（**1.5×10-11/1s）1×10-11/10s（**5×10-12/10s）3×10-12/100s（**1.5×10-12/100s）相位噪声（10MHz）-70dBc/Hz at 1Hz（**-80dBc/Hz at 1Hz）-80dBc/Hz at 10Hz（**-100dBc/Hz at 10Hz）-115dBc/Hz at 100Hz（**-130dBc/Hz at 100Hz）-135dBc/Hz at 1KHz（**-140dBc/Hz at 1KHz）-140dBc/Hz at10KHz（**-145dBc/Hz at 10KHz）频率漂移率（无秒脉冲同步）±1.2×10-11/天（通电1天后）±5×10-11/月（通电1月后）±5×10-10/年（通电1年后）频率数字调节范围细调1.27×10-9（±10%）粗调1.27×10-7（±10%）频率数字调节精度细调1×10-11（±10%）粗调1×10-9（±10%）精细调节6.8×10-13（±10%）频率模拟调节范围＞±1×10-9（依客户要求有此功能）/频率同步精度/ ＜5×10-12（秒脉冲同步12小时后）1PPS同步精度/ ±50ns（秒脉冲同步8小时后）1PPS波形/ 正极性脉冲，宽度：10ms±20ns 1PPS上升沿宽度/ ≤10ns1PPS输出方式/ 3.3V TTL输入PPS电平/ 3.3V TTL输入PPS占空比/ ≤0.6时间保持能力（无秒脉冲同步时）/ ＜1 us/天（通电1天后）频率复现性±5×10-11锁定/预热特性＜10分钟锁定（常温）15分钟＜5×10-10（常温）出厂准确度±1×10-10输出波形正弦波输出幅度＞+5dBm|50Ω谐波抑制＞40dBc杂波抑制（f0±100k）＞100dBc锁定指示信号 3.3V TTL——Lo：未锁Hi：锁定（电平提升方法见4.3）供电电源单直流+24V（±5%） 可选单直流+12V（11～17V）启动功率≤36W稳态功率≤12W（常温）环境特性地磁场敏感度±2×10-11(X、Y、Z三个方向)储存温度[1]-40～+80℃（**-55～+85℃[2]可选）工作温度[1]-25～+60℃（**-45～+70℃[2]可选）频率温度特性＜5×10-10|工作温度范围力学环境符合GJB367A-2001有关条款物理特征主体尺寸77×75.5×36.5mm3（±0.5）重量＜350g体积0.212L（±5%）对外接口DB9(9针)＋SMA可选**DB9(9针)＋2×SMA可靠性MTB F：100,000小时注：[1]环境温度，空气对流；[2]特殊订制；**项目为优选或特制型，将产生额外费用。

铷原子频率标准装置不确定度的评定作者：王文庆来源：《科技信息·下旬刊》2017年第01期摘要：时间、频率是科学范畴中的重要物理量，在各个应用领域中都是一项关键的技术指标。

铷原子频率标准装置通常作为参考频标对下一级频标（如晶振）进行量值传递，为确保产品质量，给科研生产及测试提供准确的时频类测试仪器，就必须保证该仪器的性能符合指标要求。

本文主要介绍铷原子标准装置的工作原理和测量方法，数学模型，系统地分析了铷原子标准装置测量不确定度来源。

关键词：铷原子频率；短期频率稳定度；频率准确度；标准装置；合成标准不确定度；扩展不确定度1.工作原理、测量方法和测量依据铷原子频率标准装置由铷原子频率标准及频稳测试仪组成。

铷原子频标由高性能铷原子振荡器送出一个10MHz的基准信号，经过隔离放大，由分频器分别产生1MHz和10MHz两种信号，最后由调谐放大器输出高稳定性、高负载能力、谐波抑制性能高的频率标准信号。

频稳测试仪的参考信号由外部输入，被测信号经过输入通道放大、倍频到10MHz送时间计数器完成数据采集、处理。

铷钟提供长稳标准信号，频稳测试仪给出稳定度及准确度测试结果。

该标准装置为直接测频法。

由于被测频标和参考频标的输出信号的幅度已经足够大，从而消除了信号幅度对频率测量值的影响。

因此通过对频率的测量来评定此装置的测量不确定度。

测量依据JJG180-2002电子测量仪器内石英晶体振荡器检定规程。

2.数学模型3.标准不确定度分量的评定3.1短期频率稳定度测量不确定度的评定短期频率稳定度不确定度的来源有三个方面：测量重复性引入的不确定度分量，采用A类标准不确定度评定；铷原子频标的短期频率稳定度引入的不确定度分量，采用B类标准不确定度评定；频稳测试仪频率稳定度引入的标准不确定度分量，采用B类方法进行评定。

其它如环境、温度、湿度和振动等可忽略。

3.1.1来源于被测源测量重复性引入的标准不确定度分量，可通过连续测量得到测量列，采用A类方法进行评定。