原子頻標作為精密基準頻率源和頻率標準

精密基準頻率一般都會選擇原子頻標，原子頻標目前使用最為廣泛的有銣原子頻率標準、銫原子頻率標準和氫原子頻率標準，當然銣原子頻率標準是應用最廣泛，價格也是相對便宜的，一般的銣原子頻標價格在1萬-3萬之間，相比較于銫原子頻標和氫原子頻標動輒幾十萬甚至上百萬的價格就實惠很多。另外恒溫晶振也可以作為精密頻率標準，主要是短穩和相噪比較好。

1、晶振頻率基準

石英晶體振蕩器與原子鐘有很大的區別。將石英沿著其特殊晶軸切割以作成具有優良溫度特性的薄片,薄片實際上在振蕩器頻率下作機械振動。對於約高于30MHz(AT切割)或50MHz(BT切割)的頻率,都使用諧波晶體,這是因為用作高頻基波振蕩器時晶片會變得過于單薄和脆弱。調諧振蕩槽路可使電路在典型三倍、五倍或七倍的晶體基波頻率下振蕩。最穩定的石英晶體振蕩器將晶體置于小型恒溫箱中以保持其溫度恒定。

頻率基準對于測量意義重大，比如校準振蕩器或者延遲線,一臺計數器/計時器就能夠滿足需要,除非你要求更加好的精確度。例如,如果你在制造計數器/計時器,并需要比1×10-10精確度至少好10X或者100X的基準源,你將怎么辦呢解決此問題的答案是采用精確度和穩定性較之恒溫石英晶體振蕩器都更好的時基,如像稱為原子鐘的銣或銫振蕩器。

西安同步電子科技有限公司研發生產的高精度低相噪恒溫晶振，可以作為測量設備的高短穩頻率標準或者低相噪頻率標準使用，也可以作為普通計數器的外部參考使用。

2、原子頻標

原子從一個能量狀態躍遷至另一能量狀態乃是銣和銫振蕩器所基于的物理過程。銣時基依賴于氣態銣在6.834682612GHz的頻率下受激發時光學特性的微小變化。在此頻率下經微波輻射,銣原子吸收能量,而通過該氣體的光傳輸減弱約0.1%。反饋環對微波振蕩器進行調諧以使光輸出最小。在銫時基中,較高能量原子與較低能量原子是分離的。較高能量原子的計數充作反饋信號,驅動一個振蕩器至9.192631770GHz。

標準秒定義為銫原子自然周期(1/f)的9192631770倍。Agilent公司的銫原子一次頻率標準507IA是業界中最準確、最穩定可靠的實驗室和外場使用的儀器,它的短期和長期穩定度**,自動設置簡單和無需調節,容易維修和使用,廣泛用于先進的跟蹤系統,它的主要特性如下:輸出頻率:5MHz,10MHz頻率準確度:5×10-13長期穩定度:1×10-14平均故障時間(MTBF):10萬小時。

西安同步電子科技有限公司生產的銣原子頻率標準，內置進口高精度銣原子鐘，輸出多路10mhz正弦信號，具有精度高，低相噪等特點，滿足計量用戶的需求。

3、GPS馴服頻率標準

人們還需要GPS能夠應用于精確計時。對于汽車跟蹤和通信應用,我們需要較目前GPS體積更小、功能更低和采集更快的新技術?；贕PS定時接收機的最新發展是GPS規范振蕩器(GPSDO)。正如其名稱所表露的那樣,此儀器包含有一個單獨的、非常穩定的振蕩器,它能被操縱得緊緊追蹤GPS所導出的頻率。

GPSDO的優越處在于其相對價廉而具有高精確度。GPS定時接收機可以同時追蹤幾顆衛星,提供出時間和頻率信號的平均值。在一天或更長的周期里,GPSDO的精確度可以是10-14或更好。周期短時GPSDO的精確會降低,其短期精確度類似于內部恒溫石英或者銣振蕩器的水平。

Fluke公司910/910RGPS馴服頻率標準將追蹤能力加至GPSDO中,此追蹤能力是靠將一個計時器/計數器集成到頻率基準電路中而獲得的。它能連續測量誤差,并在長達兩年的時期內保持住頻率偏移的內部數據庫。

Fluke公司的910/910RGPS受控頻率標準內裝恒溫可控晶體振蕩器或銣頻標,它具有如下特性:輸出頻率:5MHz,10MHz;輸出電壓:0.5V(50Ψ);老化率:5×10-11/月(910R),3×10-9/月;穩定度-短期:5×10-11/ls(910R),5×10-12/ls(910);中期:1×10-12/1000s(910R),5×10-11/1000s(910);工作方式—強制方式:受GPS信號連續調節,保持方式:不受外部信號調節。

西安同步電子科技有限公司研發生產的GPS北斗馴服晶振/原子鐘種類齊全，產品輸出接口豐富，功能多樣，滿足一般用戶的絕大多數需求，還可以根據用戶特殊要求進行定制。

4、GPS共視頻率標準

所謂共同觀察技術可以消除與單接收機GPS測量系統相關聯的大部分誤差來改善精確度。兩臺相隔不超過數千英里的接收機對一顆或多顆同樣的衛星進行跟蹤,確定時間和頻率,然后比較它們的結果。由于這兩臺接收機遭受由電離層和對流層引起的誤差相類似,同時它們采用相同的衛星數據,它們的時間和頻率之間所保持的差別十分小。

作為一個即將進入市場的頻率精確度的實例,請看最近在NIST建造的樣機系統。它將一臺多通道共同觀察接收機與PC集成在一起,并接入至互聯網。一個類似的系統可以被送至遠距離的地點,并連接至當地的GPS頻率標準。數據從遠處的接收機以及NIST基的基準接收機上載至中央萬維網服務器。軟件能夠自動處理數據組以提供遠處的頻率相對于UTC的當前不穩定性。只要所采用的數據是前10分鐘以內的,對UTC(NIST)的聯機跟蹤能力就差不多與采用實時數據一樣好。

5、基準頻率源發展應用

利用互聯網獲得GPS的精確頻率顯然是簡單易行的辦法。但是,以銫原子固有振動作為頻率標準不覺已經五十年的歷史,精確性達到1500年誤差1秒,人們期待更精確的頻率標準的出現。

2001年美國NIST的研究人員開發成功基于光原子固有振動的光子頻率標準,由于光波具有比微波更短的波長,新的光子鐘精確性達到150億年誤差1秒,比現有的銫原子鐘準確1000倍。天文學家認為宇宙的壽命約150億年,故光子鐘在宇宙壽命期內誤差只有1秒。

光子鐘的光源是來自低溫冷卻的失去一個電子的汞離子,它的固有振動光波耦合到激光振蕩器上,再測量出它的兩個能級轉換周期的1.064×1024倍就是1秒。這種光子頻率標準已在實驗室內運行,10年后將有產品問世,到時科學界將可用于研究有關宇宙的基本問題,例如,愛因斯坦相對論的正確性、萬有引力對電磁場的影響。

時間/頻率計量技術的發展必然促進其它技術的進步,隨著光子鐘的普及,科技人員可創造出更多的應用,從高科技的衛星軌道精確控制、深太空導航,到日常生活的互聯網電子郵件收發、同步電視、銀行電子結帳都有深遠的影響。同時,測量儀器的時頻測量及頻率基準源將更為精確,并將出現更多、更好的測量儀器和原子頻率標準。