一种用于铷原子钟的低相位噪声压控振荡器

咿魅怂测磐发２．４ＧＨｚ低相位误差低相位噪声ＣＭＯＳＱＶＣＯ设计高慧，吕志强，来逢昌（哈尔滨工业大学微电子中心，哈尔滨１５０００１）摘要：提出了一种新型的适用于锁相环频率夸成器的正交压控振荡器（Ｑｖｃ０）结构，分析了ＯｖｃＯ的工作原理及其相位噪声性能。

ＡＤｓ仿真结果表明，电路工作在２．４ＧＨｚ、偏离中心频率６００ｋＨｚ的情况下相位噪声为一１１５．４ｄＢｃ／Ｈｚ，在１．８ｖ电源下功耗仪为２．９ｍｗ，输出信号的相位误差小于Ｏ．１９。

结果还表明相对于目前流行的Ｏｖｃ０结构，提出的结构实现了低相位误差、低功耗、高，０Ｍ值。

关键词：正交压控振荡器；相位噪声；相位误差；品质因数中图分类号：ＴＮ７５２文献标识码：Ａ文章编号：１００３．３５３ｘ（２００７）１１－０９８８—０４Ｄｅｓｉｇｎｏｆ２．４ＧＨｚＬｏｗ－Ｐｈａｓｅ－ＥｒｒｏｒＬｏｗ－Ｐｈａｓｅ－ＮｏｉｓｅＣＭｏＳＱＶＣ０ＧＡ０Ｈｕｉ，ＬＯＺｈｉ－ｑｉａｎｇ，ＬＡＩＦｅｎｇ—ｃｈ锄ｇ（肼ｂ捌跏豳ｃ咖，肼缸ｋ血妇矿７‰缸影，黝缸１５０００１，ｃＭＭ）Ａｂｓｎ譬ｃｔ．ＡｎｏｖｅｌＬｃｑＩｌａｄｒ砒Ｉ珊ｖｏｌｔａｇｅ－ｃｏｎⅡ柚ｌｅｄ０８ｃｉｌｈｔｏｒ（ＱＶｃＯ）ｗ鹅ｄｅＢｉ印ｅｄｆｏｒＰｈ船ｅ—ｌｏｃｋｅｄ１００ｐ雠ｑｕｅⅡｃｙｓｙｍｈｅｓｉ北ｒ．Ｔｈ８叩ｅｍｔｉｏｎｐｄｎｃｉｐｌｅ且ｎｄｐｈａ８ｅｎｏｉｓｅｏｆｔｈｅＱＶｃＯｗｅｒｅ粕嘶ｚｅｄ，ＡＤｓＢｉ圳１“ｏｎｒｅＢｕｌｔｓ８ｈｏｗｔ｝ｌａｌｔｈｅｃｉ工ｃｕ“ａｃｈｉｅｖｅｓｔｈｅｐｈ踟ｎｏｉ∞０ｆ一１１５．４ｄＢｃ／｝Ｉｚａｔ６００ｋ№ｏｆｆｓｅｔ，ａ１１ｄｐｏｗｅｒｄｉｓｓｉｐ砒ｉｏｎｏｎｌｙ２．９ｍｗｆｈｔｈｅｗｈｏｌｅＱＶｃ０ａｔｔｌｌｅｖｏｌｔ８９ｅＢ“ｐｐｌｙ０ｆ１．８Ｖ．ｎｅｐｈａ跎ｅｍｒｂｅｆｗｅｅｎＩａｎｄＱｓｉｇＩ“ｓｉＢ且ｔｍ０８ｔＯ．１９。

．Ｔｈｅ唧ａｄＢｏｎｏｆＡＤｓｒｅＢｕｌｔｓａＩｌｄｒｅｃｅⅡｔＰｕｂｌｉｓｈｅｄｄｅｓｉ印ｓ８ｈｏ啪ｔｈａｔｔｈｅａｄｖａＩｌｔａｇ骼０ｆｔｈｅＱＶｃ０ｓｔｎｌｃｔＩｌｒｅａｒｅｔｌｌｅｃｈａｒａｃⅫｓｔｉｃｓ０ｆｍｔ｝Ｉｅｒ１０ｗｐｈａ舱ｅｒｍｒ，１０ｗｐｏｗｅｒｃｏＩｌｓｕｍｐ６０ｎ蛐ｄｈｉｇｈｎｇＬＩｒｅ－ｏｆ．ｍｅｄｔ．Ｋｅｙ啪ｒ凼：Ｑｖｃｏ；ｐｈａ８ｅｎｏｉ∞；ｐｈ踟ｅｒｍｒ；６９Ｉｌｒｅ—ｏｆ－ｍｅｒｉｔ（ＦｏＭ）１引言近年来，随着无线通信的广泛需求和迅速发展，直接变频收发器由于其低功耗、低造价、高集成度已成为Ｉｃ设计中大量研究的课题。

铷原子钟的工作原理一、引言铷原子钟是一种高精度的时间测量设备，它基于铷原子的特性来进行精确的频率测量。

在本文中，我们将深入探讨铷原子钟的工作原理。

二、铷原子钟的基本原理铷原子钟的基本原理是利用铷原子的能级结构和自旋磁矩来实现时间测量。

铷原子具有两个稳定的能级：基态和激发态。

这两个能级之间的跃迁频率是非常稳定的，可以作为时间单位。

三、核心组成部分铷原子钟主要由以下几个核心组成部分构成：1. 蒸发器蒸发器用于将铷金属转化为铷蒸汽。

铷金属经过加热后，变成气体状态，准备用于后续的操作。

2. 紧凑石英腔紧凑石英腔是一个封闭的空间，用于容纳铷原子的蒸汽。

石英腔具有高度稳定的温度环境，可以保证铷原子的稳定性。

3. 激光系统激光系统包括激光发生器和激光调制器。

激光发生器产生出稳定的激光束，并通过激光调制器对激光进行调制，以控制铷原子的跃迁过程。

4. 探测器探测器用于检测激光束经过铷原子后的变化。

通过测量激光束的干涉信号，可以获得铷原子的跃迁频率信息。

四、工作过程铷原子钟的工作过程可以分为以下几个步骤：1. 蒸发铷原子铷金属经过加热后转化为铷蒸汽，填充到紧凑石英腔中。

2. 激光激发激光束通过激光调制器，对铷原子进行激发。

激光的频率等于铷原子的跃迁频率。

3. 跃迁检测探测器检测激光束经过铷蒸汽后的干涉信号，并将其转化为电信号。

4. 频率测量通过对探测器输出的电信号进行处理，可以得到铷原子跃迁的精确频率。

5. 输出时间信号根据铷原子的跃迁频率，输出稳定精确的时间信号。

五、优势和应用铷原子钟具有以下几个优势：•精度高：铷原子钟的频率稳定性非常高，可以达到纳秒级。

•可靠性强：铷原子钟的工作稳定性高，长时间运行不会出现明显的漂移。

•应用广泛：铷原子钟在卫星导航、无线通信、科学研究等领域有着广泛的应用。

六、总结铷原子钟是一种基于铷原子能级结构的高精度时间测量设备。

它通过蒸发铷原子、激光激发、跃迁检测等步骤来实现精确的频率测量。

铷原子频标基于铷原子能级跃迁结合光抽运技术形成的铷原子振荡器。

由晶体振荡器(VCO)输出的信号经过倍频综合后得到铷原子谐振器相关的微波激励信号。

谐振器将该信号相关处理(铷原子跃迁判定)后产生误差信号，再经伺服电路反馈给压控晶体振荡器，使压控晶振频率锁定在铷谐振器的中心频率，从而实现以铷原子跃迁为参考的晶体振荡器。

铷原子钟溯源同步到GPS卫星铯原子钟上，输出频率几乎没有漂移，所以不需送上级计量部门进行周期校准，性能接近铯钟，但却远远低于铯钟的价格，而且不存在铯钟那样铯束管寿命短需要高成本更换的问题。

铷原子钟非常适合应用于SDH数字同步网的1，2级节点时钟，为电力、电信、广电、时统、计量校准、雷达设备等提供高精度的时间和频率基准。

主要特点1内置铷振荡器2.日平均频率准确度<2×10P-12P3.时间实时显示4.驯服、保持自动切换5.GPS失锁后依靠铷钟高精度守时6.低相噪频率信号输出7.测频精度<2×10P-12P/天8.具备TRAIM算法的GPS接收机铷频率标准不需要真空系统、致偏磁铁和原子束，因而体积小、质量小、预热时间短、价格便宜，但准确度差、频率漂移比较大，仅能用作二级标准。

铷频率标准可通过GPS进行快速驯服和外秒同步，克服铷振荡器本身的漂移，可被看作是一个基本的同步时钟单元。

通过设计和工艺的改进，产品的可靠性和批量生产也得到保证，现已具备产业化的条件。

可以预计，这种带外秒驯服的高性能小型化铷钟将应用于无人值守等苛刻环境，将大大拓展铷钟的应用领域。

铷原子频率标准常常被分为普通型、军用型、航天型。

SYN3102型铷原子频率标准产品概述SYN3102型铷原子频率标准是是西安同步电子科技有限公司研发生产的一款高性能铷原子频率标准源，选用国外进口的高精度铷原子振荡器，提供精确的频率（量值）信号，能够为计量、通信、国防等部门提供高精度频率标准信号。

产品功能1)提供一路标准的10MHz正弦信号；产品特点Arraya)锁定快；b)低相噪；c)高可靠性；d)可长期连续稳定工作。

一种微型化铷原子钟曹远洪;杨林;何庆;杜伦宇;项骏骐;蒲晓华【摘要】报道了一种微型化铷原子钟,它采用一种新型陶瓷填充微波腔来减小物理部分体积,其铷光谱灯采用升压电路以实现快速点亮,整机电子线路采用低电压技术,在国内首次对这类铷钟实现12 V直流供电,并且首次对这类铷钟加入与外秒同步的功能.该铷原子钟体积为190 mL,开机3 min后可实现锁定,锁定后频率稳定度为1.5×10~(-11)/(√τ)(τ:1～1 000 s),稳态功耗为5.5 W.【期刊名称】《时间频率学报》【年(卷),期】2009(032)002【总页数】4页(P92-95)【关键词】铷原子钟;陶瓷微波腔;微型化;低功耗【作者】曹远洪;杨林;何庆;杜伦宇;项骏骐;蒲晓华【作者单位】四川天奥星华时频技术有限公司,成都,611731;四川天奥星华时频技术有限公司,成都,611731;中国西南电子设备研究所,成都,610036;四川天奥星华时频技术有限公司,成都,611731;四川天奥星华时频技术有限公司,成都,611731;四川天奥星华时频技术有限公司,成都,611731【正文语种】中文【中图分类】TM935.115铷原子钟，又称铷原子频标，简称铷钟，具有体积小、重量轻和功耗低的特点，应用领域广泛。

近年来，随着数字通信技术的飞速发展，越来越多的通信设备需要内置频率精度更高的铷原子钟，促使铷原子钟小型化成为铷原子钟的重要发展方向[1]。

国外几家著名的铷原子钟厂家已经研制出了多款小型化铷原子钟产品，包括板块插槽式的小型化铷原子钟[2]。

铷原子钟的小型化设计主要在于减小物理系统和电子线路的体积，其中，物理系统体积的减小对小型化问题的解决更为有效[3]。

本文涉及的工作则通过引入一种小型化微波腔以及优化铷光谱灯结构而设计出小型化的物理系统，同时辅以新型电子线路，最终实现了一种微型化铷原子钟。

铷原子钟的腔泡系统占据铷钟的大部分体积，主要包括微波腔、吸收泡、光电组件以及附属加热部分。

RF集成电路中低相位噪声下变频VCO的研究与设计摘要低相位噪声压控振荡器（Low-Phase-Noise V oltage-Controlled Oscillators, 简称低噪声VCO）的设计是实现高性能射频（Radio-Frequency, 简称RF）通信系统的关键。

根据Leeson相位噪声理论，人们普遍认识到设计低相位噪声LC-VCO的关键是高品质因数（Q）振荡回路的实现。

振荡回路的Q值主要由电感的Q值决定，因此设计低噪声VCO的最直接也是最有效的方法就是设计高Q 值的电感。

而且人们也认识到LC-VCO的拓扑结构及偏置电路对VCO的相位噪声也有很大的影响。

最近有的文献提出了Leeson相位噪声模型噪声系数F的表达式（适用于交叉耦合LC振荡器）。

此表达式表明VCO的相位噪声不但与VCO的偏置电路有很大的关系，而且与交叉耦合管的沟道噪声系数γ有关，但此表达式并没有表明VCO的相位噪声与交叉耦合管的宽度有关。

基于这个理论出现了许多有关偏置电路滤波技术的文章，而有关交叉耦合管优化的文章却很少见。

本文对交叉耦合LC-VCO的相位噪声与交叉耦合管沟道宽度的关系做了一定的研究，在理论上作了尝试性的推导，得出了一般情况下交叉耦合管的沟道宽度越大VCO的相位噪声越低的结论，并设计了两个交叉耦合LC-VCO，用EDA软件的仿真结果验证了这一结论。

本文的主要目标就是实现一个能满足数字电视（DTV）前端调谐芯片设计要求的下变频VCO（基于Charter-RF工艺库）。

VCO的具体设计指标如下，中心频率：1.18GHz；调谐范围：11％；相位噪声：<-85dBc/Hz@10kHz。

论文的工作就是围绕这一目标展开的。

本文首先介绍了VCO的基本工作原理，然后总结了VCO 的相位噪声理论并对之进行了研究，得出了一般情况下交叉耦合管的沟道宽度越大VCO的相位噪声越低的结论，并提出了负载限制区的概念，接下来利用这些理论进行了低噪声VCO的设计（包括版图设计），VCO交叉耦合管设计的仿真结果验证了本文观点的正确性，最后对VCO的仿真结果进行了分析和解释。

摘要压控振荡器作为无线收发机的重要模块，它不仅为收发机提供稳定的本振信号，还可以倍频产生整个电路所需的时钟信号。

它的相位噪声、调节范围、调节灵敏度对无线收发机的性能有很大影响。

文章首先介绍了振荡器的两种基本理论:负反馈理论和负阻振荡理论。

分别从起振、平衡、稳定三个方面讨论了振荡器工作所要满足的条件，并对这些条件以公式的形式加以描述。

接着介绍了两种类型的压控振荡器:环形振荡器和LC振荡器。

对这两种振荡器的结构、噪声性能和电源的敏感性方面做出了分析和比较，通过分析可以看出LC压控振荡器更加适合于应用在射频领域。

紧接着介绍了CMOS工艺可变电容和电感的物理模型，以及从时变和非时变两个方面对相位噪声进行了分析。

最后本文采用csm25Rf工艺并使用Cadence SpectreRF仿真器进行仿真分析，设计了一个COMS LC压控振荡器，频率变化范围为2.34GHz-2.49GHz，振荡的中心频2.4GHz，输出振幅为 480mV，相噪声为100kHz 频率偏移下-91.44dBc/Hz ，1MHz频率偏移下-116.7dBc/Hz， 2.5V电源电压下功耗为18mW。

关键词：LC压控振荡器；片上螺旋电感；可变电容；相位噪声，调谐范围。

ABSTRACTV oltage-control-oscillator is the crucial components of wireless transceiver , it provides local signal and clock for the whole circuit, its performance parameter, such as: phase noise, tuning range, power consumption, have great effect on wireless transceivers.Firstly, two oscillator theorems: negative-feedback theorem and negative-resistance theorem , are presented and the conditions of startup, equilibrium, stabilization required for oscillator are discussed respectively.Secondly , we introduce two types of VCO : ring VCO and LC VCO ,and made a comparison between them , it is obvious that LC VCO are suit for RF application. The physical model for MOS varactor and planar spiral inductor are present.At last, a COMS LC VCO with csm25rf technology is presented , the VCO operates at 2.34GHz to 2.49 GHz, and its oscillation frequency is 2.4GHz. The amplitude is 480 mV. The phase noise at 100 kHz offset is –91.48dBc/Hz, and -116.7dBc/Hz at 1MHz. The power consumption of the core is 18mW with 2.5V power supply.Key Words：LC VCO；on-chip spiral inductor；MOS-varactor；phase noise；turning range.目录第一章绪论 (1)1.1 研究背景 (1)1.2 LC压控振荡器的研究现状 (2)1.2.1 片上电感和可变电容 (2)1.2.2 相位噪声理论和降噪技术 (2)1.3 论文研究的主要内容 (3)第二章 LC振荡器的基本原理 (5)2.1 振荡器概述 (5)2.2反馈理论 (5)2.2.1巴克豪森准则 (5)2.2.2平衡条件 (6)2.2.3 稳定条件 (7)2.3 负阻理论 (8)2.3.1 起振条件 (8)2.3.2 平衡条件 (8)2.3.3 稳定条件 (9)2.4 常见的振荡器 (11)2.4.1 环形振荡器 (11)2.4.2 LC振荡器 (11)第三章压控振荡器的实现 (13)3.1 环形振荡器 (13)3.2 LC压控振荡器 (14)3.2.1 COMS变容管的实现 (14)3.2.2 COMS工艺中的电感 (17)3.3 LC压控振荡器的实现 (21)3.3.1 LC交叉耦合振荡器 (21)3.3.2 压控振荡器的数学模型 (22)3.3.3 LC压控振荡器的实现 (23)3.4 振荡器的相位噪声 (24)3.4.1 相位噪声的知识 (24)3.4.2 非时变模型 (26)3.4.3时变模型 (28)3.4.4 降低相位噪声的方法 (32)第四章 2.4GHz LC压控振荡器设计方案 (34)4.1 电路结构的选择 (34)4.2 谐振器的设计 (34)4.2.1 片上电感 (34)4.2.2 MIM电容 (35)4.2.3 压控变容器(Varactor) (35)4.2.4 谐振器电路设计 (35)4.3 负电阻产生电路设计 (36)4.4 外围电路 (36)4.5 电源电路 (38)第五章仿真结果分析 (39)5.1 电路模拟结果 (39)5.1.1 LC压控振荡器V-f曲线 (39)5.1.2 瞬态仿真曲线 (40)5.1.3 频谱分析曲线 (40)5.1.4 相位噪声仿真曲线 (41)5.2 VCO的性能总结 (42)结束语 (43)致谢 (44)参考文献 (45)第一章绪论1.1 研究背景随着集成电路技术的发展，电路的集成度逐渐提高，功耗变的越来越大，于是低功耗的CMOS技术优越性日益显著。

压控振荡器设计要求压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator, VCO)是一种电子设备，用于产生特定频率的振荡信号。

它由振荡电路和电压控制电路组成，通过控制输入电压的大小来调节振荡频率。

压控振荡器广泛应用于通信系统、无线电、雷达、测量设备等领域。

1.频率范围和稳定性：压控振荡器的频率范围取决于应用需求，不同领域的应用有不同的要求。

例如，无线电通信系统常用的频率范围是几百兆赫兹至几千兆赫兹，而雷达系统的频率范围可能更高。

此外，振荡器的频率稳定性也是非常重要的，它与振荡器的质量因数和环境条件等因素有关。

2.相位噪声：相位噪声是压控振荡器的重要性能指标之一、它与振荡器输出信号的相位偏移和频率偏移有关。

相位噪声对于无线通信系统和雷达等应用非常关键，因为它直接影响到系统的信号质量和数据传输速率。

3.频率调谐范围：压控振荡器的频率调谐范围是指通过改变输入电压来调节振荡器频率的范围。

频率调谐范围越大，振荡器的应用范围就越广。

通常，频率调谐范围与振荡器的设计和实现方式有关。

4.输出功率：压控振荡器的输出功率是指振荡器输出信号的功率级别。

输出功率与应用需求相关，不同应用场景需要不同的功率级别。

对于通信系统而言，输出功率越高，传输距离越远。

5.频率响应：压控振荡器的频率响应是指振荡器输出频率随输入电压变化的程度。

频率响应的线性度越好，压控振荡器的性能表现越好。

线性度差的振荡器容易产生非线性失真，导致信号质量下降。

6.直流电压和功耗：压控振荡器工作所需的直流电压和功耗取决于应用需求和设计要求。

低功耗和低电源电压的振荡器在移动设备和无线传感器网络等领域应用广泛。

7.尺寸和集成度：在现代电子设备中，尺寸和集成度是非常关键的设计要求。

振荡器的尺寸越小，集成度越高，可以更好地适应小型化和集成化的电子设备。

综上所述，压控振荡器的设计要求包括频率范围和稳定性、相位噪声、频率调谐范围、输出功率、频率响应、直流电压和功耗以及尺寸和集成度等方面。

一种气泡型热铷原子钟光钟的制作方法随着科技的不断发展，精密测量技术的需求不断增加，原子钟的研究也得到了广泛的应用。

然而，传统的原子钟在体积、功耗等方面存在着一定的缺陷，研制一种高性能、轻量化的原子钟成为了科研工作者的目标之一。

本文将介绍一种气泡型热铷原子钟光钟的制作方法。

一、研究背景当前，气泡型热铷原子钟光钟以其高灵敏度、低功耗、小体积等优势在物理学、地球物理学、航空航天等领域表现出了广阔的应用前景。

由于气泡型热铷原子钟光钟具有高分辨率、高灵敏度、快速响应和较稳定的性能，不仅在科学研究中具有良好的应用前景，对于高精度测量也将会有重大的影响。

因此，对于这种新型原子钟的研究具有非常重要的意义。

二、气泡型热铷原子钟光钟的原理气泡型热铷原子钟光钟主要利用一个气泡中的铷原子状态来测量时间。

具体来说，该钟利用铷原子中两个能级之间的跃迁在一个微小的气泡中进行精密测量。

气泡型热铷原子钟光钟的结构由两部分组成：粒子器和时钟。

其中，粒子器中包含气泡样品室，排气模组和粘度传感器，时钟部分则包括激光器、热控制模块和漂移传感器。

两部分之间通过磁感线连接，组成了一个闭合系统。

在气泡样品室中，通过引入高压氚，使铷原子和氚分子在光束的作用下形成一个气泡，随着时间的推移，铷原子的激发状态会发生改变，这种改变将会被粘度传感器检测到并反馈到漂移传感器中，最终实现了时钟的精准测量。

三、气泡型热铷原子钟光钟的制作方法1. 粒子器制作(1)气泡样品室的制作气泡样品室的制作需要采用微机电系统（MEMS）工艺。

首先，在硅膜上进行光刻，并在硅膜上高温扩散出铁、银片，形成夹杂夹在硅膜上的Mn合金膜。

随后，在Mn膜和银片之间利用再生熟铚(Er-Tm)进行高温扩散，形成含铷银合金膜，从而实现气泡样品室制作。

(2)粘度传感器的制作粘度传感器的制作需要采用薄膜转移技术，首先将铁磁薄膜在高温下生长在硅衬底上，然后在其表面掺杂原子，使其成为非铁磁薄膜。

之后，在非铁磁薄膜上生长两层铁磁薄膜，并在两层铁磁薄膜之间的非铁磁薄膜上形成铷原子膜，最终形成粘度传感器。

铷原子时钟基准介绍在科技的快速发展下，时频设备也在不断进步，来满足各领域的需要。

时频设备已经不只是简单的计时了，还有着安全防护、继电器报警、统一时间等作用。

在一些授时要求相对简单的行业，普通的时频设备就可以满足，但在军事、电力、科研机构、航空、航天等领域，就需要高精度时钟设备，内置铷原子时钟进行守时，并且以铷原子时钟提供的时间信息为基准。

铷原子钟守时精度较高，铷原子钟是由铷量子部分和压控晶体振荡器组成，误差信号送回到压控晶体振荡器，对频率进行调节使频率锁定在铷原子特有的能级，跃迁到所对应的频率上。

铷原子钟是由单片机电路、伺服电路、微波倍频电路、频率调制、倍频综合电路几个模块组成。

铷钟的基本工作原理与铯钟相似，均利用能级跃迁的谐振频率作为基准。

原子是围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的，当原子从一个高“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波。

这种电磁波特征频率是固定的，这也就是人们所说的共振频率。

通过以这种共振频率为节拍器，原子钟可以来测定时间。

在时频设备使用过程中，需要接收卫星信号并进行实时对时以保证时间准确，但是有些时频设备在使用中，因使用场所的限制不能一直接收卫星信号，但如果接收不到卫星信号，随着时间的推移设备就会存在一定误差，从而导致时间不准确，所以在这种情况下时频设备内部会配置温补晶振、恒温晶振、铷原子钟等，在没有接收卫星信号时给设备进行守时以铷原子时钟提供的信息为基准。

随着科技的发展铷原子时钟已经在一些高精度设备中广泛应用，为满足市场需求我国在20世纪70年代就开始研制铷原子频标，以前的铷原子钟体积较大，90年代以后在信息技术的快速发展下，对铷原子频标提出了小型化需求，所以我国将重点开始研制小型铷原子振荡器。

近年来随着国防建设的需要，铷原子钟需要满足航空、航天、军事装备、雷达、等领域的条件和要求，这对铷原子钟性能、精度等提出了很高求，同时也有利于我国推动和发展铷原子钟的进步，使我们拥有自己的技术，不在依赖国外进口不再受限制。

用于承载铷原子钟滤光泡的高品质微腔体制备王婷婷;曾毅波;王盛贵;魏秀燕;毕瑞可;郭航【期刊名称】《传感器与微系统》【年(卷),期】2014(33)5【摘要】在芯片级铷原子钟中,需要微腔体来承载Rb-87滤光泡,为此,提出了一种用于制作高品质微腔体的新技术.为了获得光滑的腔体侧面和避免腐蚀过程中凸角处产生削角现象,研究中采用了超声腐蚀技术和凸角补偿技术.首先,分别在纯KOH 溶液,并结合搅拌和超声等方法,对(100)硅片进行湿法腐蚀,并运用激光共聚焦扫描显微镜对腐蚀后的{111}表面进行粗糙度测量,表明运用超声腐蚀技术可以获得光滑的{111}腔体侧面.在此基础上,引入条形掩模凸角补偿方法进行微腔体腐蚀.实验结果表明:在80℃、质量分数为30％ KOH、超声频率和功率分别为59 kHz和160W的溶液中腐蚀,其{111}腐蚀表面粗糙度为0.117 μm,同时条形的长度取1200 μm时,可以获得平滑规整的微腔体.【总页数】5页(P106-110)【作者】王婷婷;曾毅波;王盛贵;魏秀燕;毕瑞可;郭航【作者单位】厦门大学物理与机电工程学院,福建厦门361005;厦门大学萨本栋微米纳米技术研究院,福建厦门361005;厦门大学萨本栋微米纳米技术研究院,福建厦门361005;厦门大学物理与机电工程学院,福建厦门361005;厦门大学物理与机电工程学院,福建厦门361005;厦门大学萨本栋微米纳米技术研究院,福建厦门361005;厦门大学物理与机电工程学院,福建厦门361005;厦门大学萨本栋微米纳米技术研究院,福建厦门361005;厦门大学物理与机电工程学院,福建厦门361005;厦门大学萨本栋微米纳米技术研究院,福建厦门361005;厦门大学萨本栋微米纳米技术研究院,福建厦门361005;厦门大学物理与机电工程学院,福建厦门361005【正文语种】中文【中图分类】TH742.64【相关文献】1.一种用于铷原子钟的低相位噪声压控振荡器 [J], 鞠青云;汤亮;栗新伟;乔东海;季磊2.用于微小型化铷原子钟的MEMS Rb-85滤光泡的研究 [J], 郭航;王盛贵3.用于彩色滤光片的共聚型红色硅树脂的制备与性能研究 [J], 孟庆华;汪国庆;郑少瑜;汪培庆4.用于POP铷原子钟的DFB激光器自动稳频技术研究 [J], 鱼志健;薛文祥;赵文宇;李孝峰;陈江;阮军;杜志静;张首刚5.用于小型铷原子钟中介质谐振腔激励分析 [J], 魏秀燕因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

长期稳定度2.6×10 ^(-16) 的工程化高可靠铷原子喷泉钟陈伟亮;刘昆;郑发松;戴少阳;房芳
【期刊名称】《仪器仪表学报》
【年(卷),期】2024(45)2
【摘要】随着喷泉钟运行可靠性的提升和激光技术的日趋成熟,喷泉钟不仅可以作为基准钟驾驭原子时标,提升原子时标的长期稳定度和准确度指标,还可以紧驾驭氢钟作为复合守时钟使用。

铷原子的基态超精细能级跃迁作为次级秒定义,具有碰撞截面小,冷却激光运行可靠性高的优势,更加适合工程化。

中国计量科学研究院研制的工程化铷原子喷泉钟采用双金属微波真空一体腔提升系统温度适应性,采用小型化光学系统和笼式结构探测光系统提升了运行可靠性,实现了铷喷泉钟长期准连续运行,年运行率达到97.5%。

通过1年的比对测试,铷喷泉钟与NIM5铯喷泉钟频率比对的长期稳定度优于3.7×10^(-16),单台喷泉钟的长期频率稳定度优于
2.6×10^(-16)。

【总页数】8页(P79-86)
【作者】陈伟亮;刘昆;郑发松;戴少阳;房芳
【作者单位】中国计量科学研究院;国家市场监管重点实验室(时间频率与重力计量基准)
【正文语种】中文
【中图分类】TH714
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铷原子时钟源
是一种基于铷原子振荡器的高精度、高稳定度时钟源。

铷原子振荡器利用铷原子的固有频率进行振荡，具有较高的精确性和稳定性，广泛应用于各种计时和频率控制系统中。

铷原子时钟源的工作原理如下：
1. 铷原子在特定的光学激发条件下，会跃迁到高能态。

2. 当铷原子从高能态跃迁回低能态时，会辐射出特定波长的光子。

3. 利用光电倍增管等光传感器检测到光子辐射，并将其转换为电信号。

4. 对电信号进行放大、滤波和整形处理，得到稳定的矩形波信号。

5. 将矩形波信号输入到分频器或倍频器，得到所需频率的时钟信号。

铷原子时钟源具有以下优点：
1. 高的精度：铷原子振荡器的频率稳定性较高，可以实现毫秒级别的精度。

2. 高的稳定性：铷原子振荡器不受外界环境因素（如温度、磁场、振动等）的影响，具有很高的稳定性。

3. 抗干扰能力强：相较于其他类型的时钟源，铷原子时钟源对电磁干扰和射频干扰具有较高的抗干扰能力。

4. 小型化、低功耗：随着技术的发展，铷原子时钟源逐渐实现
小型化和低功耗，便于集成和应用。

铷原子时钟源在通信、导航、科学研究、精密测量等领域具有广泛的应用前景。

例如，在通信系统中，它可以作为基准时钟用于频率同步和时间戳记录；在导航系统中，它可以为卫星导航信号提供高精度的时间参考；在科学研究中，它可以用于精密测量实验中的时间基准等。

HJ5410A铷原子频率标准概述HJ5410A我公司精心设计、自行研制开发的一款高性能铷原子频率标准源，采用进口优质铷振荡器和精密控频电路设计，具有锁定快、低相噪、输出信号丰富等优点，能够为计量、通信、国防等部门提供高精度频率标准信号。

铷原子频标基于铷原子能级跃迁结合光抽运技术形成的铷原子振荡器。

由晶体振荡器(VCO)输出的信号经过倍频综合后得到铷原子谐振器相关的微波激励信号。

谐振器将该信号相关处理(铷原子跃迁判定)后产生误差信号，再经伺服电路反馈给压控晶体振荡器，使压控晶振频率锁定在铷谐振器的中心频率，从而实现以铷原子跃迁为参考的晶体振荡器。

锁定晶体振荡器频率为10MHz，幅度为7dBm，经分配器变两路。

其中一路经驱动放大后输出。

另一路10MHz信号经整形、分频、驱动放大为5MHz正弦波。

分频末级为1MHz，经选频放大后输出。

HJ5410A同时内置隔离分配放大器，能将适用于DC-160MHz任意波形（正弦波、方波、1PPS）输入扩展为4路输出，极大的方便了野外及实验室应用。

特点z时频计量标准器具z锁定快、低相噪、低漂移z1/5/10 MHz输出z内置一入四出分配放大器z选件支持1pps外同步，内置可外同步的分频秒输出，提供高精度秒脉冲z进口优质铷振荡器，高可靠性，工业级元器件，MTBF>80000小时----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------技术指标输出信号z10MHz 1路，BNC接口正弦波，12dBm±1dB，50Ω驱动漂移：≤1E-12/日 ≤3E-11/月开机特性：5E-10 （开机5分钟）稳定度：＜6 E -10/1ms＜1 E -10/10ms＜6 E -11/100ms＜1 E -11/1s＜3 E -12/10s＜1 E -12/100s相位噪声：≤ -80dBc/Hz @1Hz≤ -100dBc/Hz @10Hz≤ -130dBc/Hz @100Hz≤ -150dBc/Hz @1kHz≤ -160dBc/Hz ≥10kHz失真谐波: ≤-50dBc非谐波: ≤-100dBc频率重现性＜5 E -11 (断电24小时后)z5MHz，1MHz各1路指标同10MHz隔离分配放大器接口输 入：1路，BNC，阻抗：50Ω幅度：≤4V（峰值）：≤5V/TTL 波形：任意带宽：DC---160MHz输 出：4路，BNC，阻抗：50Ω增益：1隔离：≥ 40dB频率调节z前面板手动频率微调（多圈电位器）z频率调节灵敏度：（2~3）E-12/格z频率调节最大范围：±2 E -9磁场灵敏度z＜2 E -11/高斯(水平面或X.Y轴)z＜1 E -10/高斯(三维或Z轴) 显示z指示灯显示电源、锁定物理及环境参数z尺寸： 19”标准 1U标准机箱宽444mm，深350mm，高44 mmz重量： <2Kgz电源： 220V±20% 47Hz ～63Hzz工作温度：-10℃―+55℃z存贮温度：-30℃―+60℃z湿度： 95％无冷凝z功耗： 50Wz符合GJB2242-94《时统设备通用规范》3.9.1中关于电磁兼容的规定标准配置z主机1台z1米电源线1根z中文说明书1本可选型号：z Opt B：IRIG-B（DC、AC）码输出z Opt E：电信E1信号输出z Opt F：DCF77码输出z Opt G：GPS接收机驯服功能z Opt N：NTP模块输出z Opt P：增加同步分频秒接口同步入：1路，BNC，TTL电平，将外同步1pps信号接入同步触发（按钮）：按下此按钮，持续1秒，即输出1PPS前沿与输入1PPS（持续1秒内出现的）前沿对齐。

低相噪措施1. 简介低相噪措施是指通过各种方法，降低电路中的相位噪声，以提高电路的性能和减少噪声的影响。

相位噪声是一种重要的电路性能指标，尤其在高频或射频应用中更为关键。

本文将介绍一些常用的低相噪措施，包括选择合适的器件、采用合理的布局和细致的耦合控制。

下面将详细介绍这些措施。

2. 选择合适的器件选择适合的器件是降低相位噪声的关键一步。

以下是一些常用的器件选择方案：2.1 低相位噪声振荡器在需要高稳定性和低相位噪声的应用中，选择低相位噪声振荡器是至关重要的。

常见的低相位噪声振荡器包括载波振荡器和超导振荡器等。

在选择器件时，应对其相位噪声特性进行详细的评估和比较。

2.2 低噪声放大器低噪声放大器在信号处理电路中起到重要作用。

在选择低噪声放大器时，应关注其输入噪声系数和增益平坦度等性能指标。

同时，还需要根据具体应用场景选择合适的放大器类型，如低噪声MOS放大器、高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor, HEMT)等。

2.3 低噪声时钟源在数字系统中，时钟源的相位噪声对系统性能和稳定性有着重要影响。

选择低噪声时钟源是关键一步。

常见的低噪声时钟源包括基于铌酸锂压控振荡器和铌酸锂压控降噪振荡器。

3. 采用合理的布局电路的布局对相位噪声有着重要的影响。

下面介绍一些常用的布局技巧以降低相位噪声：3.1 降低环形震荡电路的噪声耦合环形震荡电路常用于高频振荡器中。

为降低环形震荡电路的噪声耦合，可以采用以下措施：•增加环形震荡电路的隔离度•优化环形震荡电路的布局，降低耦合路径的长度•采用合理的供电和接地方案，减少共模噪声的影响3.2 减少射频电路的导线长度和面积射频电路的导线长度和面积与其相位噪声相关。

通过减少导线长度和面积，可以降低相位噪声。

在射频电路的设计中，应尽量使用短而宽的导线，并避免导线的回路。

3.3 降低电源线和地线的噪声干扰电源线和地线的噪声干扰会对电路的相位噪声产生影响。