Активные квантовые стандарты частоты

Ко всем КСЧ с точки зрения использования их для частотно-временных измерений предъявляются требования обеспечения целочисленных значений частот выходного сигнала (0.1; 1; 5; 10 МГц) и заданного уровня его мощности. В то же время, все квантовые приборы, используемые при построении КСЧ, работают в СВЧ-диапазоне, а уровень их выходного сигнала чрезвычайно мал. Поэтому при построении КСЧ возникает необходимость в преобразовании частоты квантового перехода к стандартному значению и в увеличении мощности выходного сигнала при сохранении высокой стабильности частоты. Решение этих задач существенно упрощается, если в качестве источника выходного сигнала квантового стандарта применяется кварцевый АГ, для стабилизации частоты которого служит выходной сигнал квантового прибора.

При построении КСЧ на основе квантовых генераторов могут быть использованы различные методы стабилизации частоты кварцевых АГ: компенсационный (вычитания ошибки кварцевого генератора), метод фазовой автоподстройки частоты кварцевого АГ и метод синхронизации кварцевого АГ преобразованным сигналом квантового генератора.

Наибольшее распространение в современных КСЧ получила схема с ФАП частоты кварцевого АГ по высокостабильному сигналу квантового генератора. Базовая структурная схема такого КСЧ представлена на рис. 4.3.

В этой схеме выходной сигнал кварцевого АГ с частотой , обычно равной 5 МГц, одновременно поступает на умножитель частоты с кратностью умножения и синтезатор, частота сигнала на выходе которого равна , где и – целые числа. Этот же сигнал используется и для получения с помощью делителя частоты выходных сигналов КСЧ на частотах 0.1 и 1 МГц. Часть схемы КСЧ, содержащая эти делители, на рис. 4.3 и последующих отсутствует ввиду ее очевидности. Поскольку частота выходного сигнала синтезатора фиксирована, при его построении могут быть использованы как цифровые, так и аналоговые методы синтеза.

В смесителе происходит вычитание из частоты спектральной линии частоты , увеличенной в раз. Сигнал разностной частоты после усиления в усилителе промежуточной частоты (УПЧ) поступает на один из входов ИФД, на другой вход которого подается сигнал с выхода синтезатора. Условие синхронизма в кольце ФАП может быть записано в виде или .

Выбирая соответствующим образом коэффициенты , и , удается обеспечить требуемую точность номинального значения . Различные варианты этой схемы отличаются местом включения синтезатора, числом преобразований частоты и т. п.

В качестве примера на рис. 4.4 представлена структурная схема КСЧ, выполненного на основе водородного генератора (мазера) [13]. Источником сигнала с эталонной частотой здесь является , т. е. кварцевый АГ. В этой схеме частота = = 5 МГц первоначально увеличивается в 140 раз. Умножитель частоты выполнен на основе кольца ФАП, включающего , , и делитель частоты с коэффициентом деления = 140. Далее сигнал с выхода поступает на удвоитель частоты, а затем на смеситель. Использование двухэтапного умножения частоты позволяет уменьшить частоту сигнала на входе цифрового делителя частоты.

Сигнал промежуточной (разностной) частоты после фильтрации и усиления в тракте УПЧ поступает на один из входов . На другой его вход подается сигнал с выхода синтезатора, выполненного в виде каскадно включенных цифрового делителя частоты ( = 1000) и умножителя с кольцом ФАП (, , и делитель с коэффициентом деления = 4081).

В режиме синхронизма частоты сигналов на входах равны, т. е. . Следовательно,

5 000 002.65… Гц.

Относительная ошибка в номинальном значении частоты составляет 5 · и может быть уменьшена при усложнении схемы синтезатора.