Пассивный квантовый стандарт частоты

 

(19)SU(11)1241959(13)A1(51)  МПК ⁵    _H01S1/06(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯк авторскому свидетельствуСтатус: по данным на 17.01.2013 - прекратил действиеПошлина:

(54) ПАССИВНЫЙ КВАНТОВЫЙ СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в разработках пассивных квантовых стандартов частоты (КСЧ). Цель изобретения - увеличение срока службы и повышение стабильности частоты стандарта. На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого пассивного КСЧ; на фиг. 2 - структурная схема первого (управляемого) преобразователя частоты для пассивного КСЧ; на фиг.3 - структурная схема управляемого синтезатора частоты для предлагаемого пассивного КСЧ. В состав пассивного КСЧ (см.фиг.1) входят два кольца автоматической подстройки частоты (АПЧ). Первое из них состоит из последовательно соединенных подстраиваемого кварцевого генератора 1 и модулятора 2, первого преобразователя частоты 3, дискриминатора частоты на газовой ячейке (ГЯ ) 4, первого избирательного усилителя 5, первого фазового детектора 6, выход которого подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора 1, а также генератора низкой частоты 7, подключенного к второму входу модулятора 2 и к второму входу первого фазового детектора 6. Во второе кольцо АПЧ входит ветвь, образованная последовательно соединенными вторым преобразователем частоты 8, подключенным к выходу модулятора 2, дискриминатором частоты на атомно-лучевой трубке (АЛТ) 9, вторым избирательным усилителем 10, вторым фазовым детектором 11 и интегратором 12, причем второй вход второго фазового детектора 11 соединен с выходом генератора низкой частоты 7, при этом первый преобразователь частоты 3 выполнен управляемым по ветви некратного преобразования, а выход интегратора 12 подключен к его дополнительному управляющему входу. Первый (управляемый) преобразователь частоты 3 выполнен по схеме на фиг.2. В его состав входит предварительный усилитель 13, выход которого подключен одновременно к входу управляемого синтезатора частоты 14 и к первому входу умножителя частоты 15. Выход управляемого синтезатора частоты 14 подключен к второму модулирующему входу умножителя частоты 15, выход которого подключен последовательно к полосовому фильтру 16 и согласователю 17. Управляемый синтезатор частоты 14, входящий в состав первого преобразователя частоты 3 и предназначенный для работы с рубидиевым дискриминатором частоты на ГЯ 4, выполнен по схеме на фиг.3. В его состав входит предварительный усилитель 18, подключенный к входу формирователя импульсов 19. Выход формирователя импульсов 19 подключен к последовательно соединенным делителям частоты 20-23 и 24. При этом вход и выход каждого делителя частоты 20-23 подключены соответственно к входам одноименных ключей-счетчиков 25-28. Выходы ключей-счетчиков 25-28 подключены к входам элемента ИЛИ 29, выход которого через последовательно соединенные делители частоты 30 и активный фильтр 31 подключен к первому входу смесителя 32, второй вход которого подключен к выходу предварительного усилителя 18. Выход смесителя частоты 32 подключен через активный фильтр 33 к эмиттерному повторителю 34. Цепь управления синтезатора частоты 14 образована первыми входами элементов И 35, 36, подключенными соответственно к суммирующему и вычитающему входам реверсивного счетчика 37. При этом выходы с 1-й по 5-ю декады реверсивного счетчика 37 подключены соответственно к входам управления ключей-счетчиков 25-28. Выход делителя частоты 24 подключен к вторым входам элементов И 35, 36. Первый (управляемый) преобразователь частоты 3 (см.фиг.2) работает следующим образом. На вход предварительного усилителя 13 подается входной сигнал (обычно частотой 5,0 МГц). С помощью управляемого синтезатора частоты 14, подключенного к выходу предварительного усилителя 13 осуществляется некратное преобразование входного сигнала по частоте с коэффициентом преобразования S. С помощью умножителя частоты 15, подключенного первым входом к выходу предварительного усилителя 13, осуществляется умножение частоты входного сигнала с коэффициентом умножения N₁. В выходном каскаде умножителя частоты 15 производится фазовая модуляция умноженного сигнала некратно преобразованным, который поступает на его второй модулирующий вход с выхода синтезатора частоты 14. С помощью полосового фильтра 16, из общего спектра фазомодулированного сигнала, поступающего с выхода умножителя частот 15, выделяется рабочая гармоника СВЧ-сигнала, частота которой оказывается преобразованной по отношению к частоте входного сигнала по закону N₁ + (-1)S (где l = 1 и 2 в зависимости от выбора рабочей гармоники). С помощью согласователя 17 осуществляется согласование выходного сопротивления первого (управляемого) преобразователя частоты с входным сопротивлением дискриминатора частоты на ГЯ. Управляемый синтезатор частоты 14 (см.фиг.2, 3), входящие в состав первого (управляемого) преобразователя частоты 3, работает по принципу пассивного цифрового синтеза, основанного на сложении потоков двухуровневых импульсов. Он обеспечивает некратное преобразование частоты входного сигнала с коэффициентом преобразования S так, что его выходная частота может меняться в заданных пределах Δ S c заданным дискретом перестройки δ S. Число шагов при этом составляет = . Управление коэффициентом преобразования S производится аналоговым сигналом, поступающим на управляющий вход синтезатора частоты с выхода интегратора 12. Рассмотрим принцип действия управляемого синтезатора частоты 14. На вход предварительного усилителя 18 подается входной сигнал (обычно частотой 5,0 МГц). С выхода предварительного усилителя усиленный сигнал поступает одновременно на вход формирователя импульсов 19 и второй вход смесителя 32. Формирователь импульсов 19 преобразует входной сигнал в последовательность импульсов, которая затем поступает на управляемый селектор импульсов, образуемый делителями частоты 20-23, имеющими коэффициент деления К = 10, ключами-счетчиками 25-28, элементы ИЛИ 29 и реверсивным двоично-десятичным счетчиком 37. С помощью управляемого селектора импульсов на выходе делителя частоты 30 формируется сигнал с частотой
f_i= f_o, где f_o = 5,0 МГц - частота входного сигнала;
i - порядковый номер делителя частоты 20 и ключа-счетчика 25 (1≅ i ≅ 9);
n_i - число импульсов, формируемых на выходе i-го ключа-счетчика (0 ≅ n_i ≅ 9),
К = 10 - коэффициент деления делителя частоты 30. В данном случае, например, для обеспечения перестройки выходной частоты управляемого селектора импульсов в диапазоне ΔS^* от 312499,9995 Гц до 312480,0000 Гц с дискретом δS^* = 0,0005 Гц, i_макс = 9. Расчетные значения коэффициентов n_i для указанных граничных значений диапазона ΔS^* приведены в таблице. При изменении коэффициент n₉ на единицу частота на выходе управляемого селектора импульсов меняется на величину δS^* = 0,0005 Гц. Таким образом, на выходе делителя 30 частота сигнала может меняться в пределах от 312499,9995 Гц до 312480,0000 Гц с дискретом перестройки δS^* = 0,0005 Гц. С помощью активного фильтра 31, подключенного к выходу делителя частоты 30, производится фильтрация сигнала с частотой f₁, который далее подается на первый вход смесителя 32, на второй вход которого подается сигнал с частотой f_o. С помощью активного фильтра 33 выделяется рабочий сигнал с частотой f₂ = f₁ + f_o. Частота этого сигнала может меняться уже в пределах от 5312499,9995 Гц до 5312480,0000 Гц с тем же дискретом перестройки δS^* = 0,0005 Гц. С помощью эмиттерного повторителя 34, подключенного к выходу активного фильтра 33, производится согласование выходного сопротивления управляемого синтезатора частоты 14 с вторым модулирующим входом умножителя частоты 15. При перестройке управляемого селектора импульсов значения коэффициентов n₁. . .n₄ (как это видно из таблицы) остаются неизменными. Значения коэффициентов n₅...n₉ определяются 4-х разрядным двоично-десятичным кодом управления, поступающим на ключи-счетчики 25-28 с 1-й - 5-й декад реверсивного двоично-десятичного счетчика соответственно. Направление перестройки реверсивного счетчика 37 определяется полярностью напряжения, поступающего на управляющий вход синтезатора частоты 14. При появлении на нем сигнала положительной (отрицательной) полярности, сигнал с выхода делителя частоты 24 проходит через элемент И 35 (36) на суммирующий (вычитающий) вход реверсивного счетчика 37 и увеличивает (уменьшает) его содержимое на 1 и, тем самым, увеличивает (уменьшает) частоту выходного сигнала f₂ на величину дискрета перестройки δS^* = 0,0005 Гц. Содержимое реверсивного счетчика 37, а следовательно, и частота сигнала f₂ на выходе управляемого синтезатора 14 изменяются до тех пор, пока сигнал на его управляющем входе не будет равен нулю. В предлагаемом пассивном КСЧ сигнал подстраиваемого кварцевого генератора 1 с частотой (обычно равной 5 МГц) подается на первый вход модулятора 2, на второй вход которого поступает сигнал модуляции с частотой F от генератора низкой частоты 7. Промодулированный по фазе сигнал с несущей частотой f_кг с выхода модулятора 2 поступает на входы первого (управляемого) преобразователя частоты 3 и второго преобразователя частоты 8. С их помощью входной сигнал приводится соответственно к частоте ν₁, близкой к частоте дискриминатора на ГЯ 4 ν₁^*, и к частоте ν₂, близкой к частоте дискриминатора на АЛТ 9 ν₂^*. При возникновении расстройки частоты сигнала, поступающего с выхода первого (управляемого) преобразователя 3 на вход дискриминатора на ГЯ 4 так, что Δν₁^*=ν₁^*-ν₁ мала, на выходе последнего вырабатывается сигнал рассогласования U₁. Первая гармоника этого сигнала с частотой, равной частоте низкочастотной фазовой модуляции F, выделяется с помощью первого избирательного усилителя 5, подключенного к выходу дискриминатора частоты на ГЯ 4, и поступает на первый вход первого фазового детектора 6, на второй вход которого подается опорное напряжение с частотой F от генератора низкой частоты 7. На выходе первого фазового детектора 6 вырабатывается напряжение постоянного тока, пропорциональное величине расстройки Δν₁^*; полярность напряжения соответствует знаку расстройки. Далее это напряжение поступает на управляющий вход подстраиваемого кварцевого генератора 1 и осуществляет подстройку последнего по частоте дискриминатора на ГЯ 4. При возникновении расстройки частоты сигнала, поступающего с выхода второго преобразователя частоты 3 на выход дискриминатора частоты на АЛТ 9 так, что Δν₂^*=ν₂^*-ν₂мала, на выходе последнего вырабатывается сигнал рассогласования U₂. первая гармоника этого сигнала с частотой, равной частоте низкочастотной фазовой модуляции F, выделяется с помощью второго избирательного усилителя 10, подключенного к выходу дискриминатора частоты на АЛТ 8, 9 и поступает на первый вход фазового детектора 11, на второй вход которого подается опорное напряжение с частотой F от генератора низкой частоты 7. На выходе второго фазового детектора 11 вырабатывается напряжение постоянного тока, пропорциональное величине расстройки Δν₂^*; полярность напряжения соответствует знаку расстройки. Далее это напряжение через интегратор 12 подается на дополнительный (управляющий) вход преобразователя частоты 3, с помощью которого путем изменения коэффициента преобразования (по ветви некратного преобразования) осуществляется компенсация возникшего рассогласования Δν₂^* так, что частоты дискриминаторов на ГЯ 4 и АЛТ 9, приведенные к выходу подстраиваемого кварцевого генератора 1, совпадают. Таким образом, в первом кольце АПЧ предлагаемого пассивного КСЧ производится подстройка частоты кварцевого генератора 1 к частоте дискриминатора на ГЯ 4, а во втором - подстройка частоты первого (управляемого) преобразователя частоты 3 по ветви некратного преобразования по сигналу рассогласования частот дискриминатором на ГЯ 4 и АЛТ 9. Поскольку при этом отношение сигнал/шум в первом кольце АПЧ на 2-3 порядка выше, чем во втором кольце, а скорость долговременных уходов дискриминатора частоты на ГЯ 4 относительно скорости изменения частоты свободного от подстройки кварцевого генератора частоты 1 также на 2-3 порядка меньше, то для правильной работы предлагаемого КСЧ необходимо, чтобы постоянная времени в первом кольце была также на 2-3 порядка меньше постоянной времени второго кольца. Последнее обеспечивает устойчивость работы двух сопряженных колец АПЧ и реализуется с помощью интегратора 12.

Формула изобретения

1. ПАССИВНЫЙ КВАНТОВЫЙ СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ, содержащий первое кольцо автоподстройки частоты, в состав которого входят последовательно соединенные кварцевый генератор, модулятор, первый преобразователь частоты, дискриминатор частоты на газовой ячейке, первый избирательный усилитель и первый фазовый детектор, подключенный к управляющему входу кварцевого генератора, а также генератор низкой частоты, подключенный к второму входу модулятора и к второму входу первого фазового детектора, и второе кольцо автоподстройки частоты, подключенное к выходу модулятора и содержащее последовательно соединенные второй преобразователь частоты, дискриминатор частоты на атомно-лучевой трубке, второй избирательный усилитель, второй фазовый детектор и интегратор, причем второй вход второго фазового детектора подключен к выходу генератора низкой частоты, а первый преобразователь частоты выполнен в виде последовательно соединенных предварительного усилителя, умножителя частоты, фильтра и согласователя, а также синтезатора частоты, который включен между выходом предварительного усилителя и модулирующим входом умножителя частоты, отличающийся тем, что, с целью увеличения срока службы и повышения стабильности частоты стандарта, выход интегратора соединен с дополнительным входом первого преобразователя частоты, которым является управляющий вход синтезатора частоты, а сам синтезатор частоты выполнен в виде предварительного усилителя, последовательно соединенных делителя частоты, фильтра, смесителя, второй вход которого соединен с одним из выходов предварительного усилителя, фильтра и согласователя, выход которого является выходом синтезатора частоты, а также управляемого селектора импульсов, сигнальный вход которого соединен с другим выходом предварительного усилителя, а выход - с входом делителя частоты, причем управляющий вход селектора импульсов является управляющим входом синтезатора частоты. 2. Стандарт частоты по п.1, отличающийся тем, что управляемый селектор импульсов выполнен в виде формирователя импульсов n + 1 последовательно соединенных делителей частоты, к выходу последнего из которых подсоединены первые входы двух элементов И, n ключей-счетчиков, входы каждого из которых соединены с выходом и входом соответствующих делителей частоты, выходы ключей-счетчиков соединены с соответствующими входами элемента ИЛИ, реверсивного счетчика, К выходов которого соединены с управляющими входами соответствующих l ... n ключей-счетчиков, где l = n - k, а входы - с выходами элементов И, при этом вход формирователя импульсов, объединенные вторые входы элементов И и выход элемента ИЛИ являются соответственно сигнальным и управляющим входами и выходом управляемого селектора импульсов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4