9.3. Источники опорных высокостабильных колебаний

Первоначальное применение СЧ имели в качестве схем переноса свойства стабильности частоты [1,2] опорного источника колебаний (кварцевого или квантового эталона частоты) на другое значение средней частоты при большом количестве десятичных разрядов, представляющих собой отношение преобразуемых частот.

Современные квантовые стандарты частоты (КСЧ) характеризу­ются предельно малой относительной нестабильностью частоты —

10^-10...10^-13), поэтому их применение в качестве опорных генерато­ров в СЧ перспективно. Однако непосредственному использованию КСЧ препятствуют их фиксированная рабочая частота и малая выходная мощность.

В качестве квантовых стандартов частоты и времени используют молекулярные (атомные) генераторы и квантовые дискриминаторы. В молекулярном аммиачном генераторе поток молекул аммиака NH₃ проходит через сортирующую систему, в которой вблизи оси пучка остаются лишь возбужденные молекулы, способные в объемном резонаторе совершить квантовый переход в невозбужденное состоя-

ние, передав часть своей энергии резонатору на частоте этого пере­хода. В таком автогенераторе генерируются колебания с частотой f_кс ≈ 23 870,130 МГц (длина волны около 1,25 см) при относитель­ной нестабильности, повторяемости и воспроизводимости частоты около 3*10^-13. По близкой схеме работает автогенератор на нупа-атомов водорода, выходные колебания которого на частоте f_к.c ≈ 1420,405 МГц имеют нестабильность частоты порядка 10^-14.

В колбе с парами рубидия Rb нужные квантовые переходы образу­ются при дополнительном ее облучении некогерентным светом опре­деленного спектрального состава. На парах рубидия строят активный генератор или используют их в пассивном дискриминаторе с кратковременной нестабильностью частоты за 1...10 с порядка 10^-13 . Дискриминаторный стандарт частоты на атомах цезия работает на частоте f_к.с ⁼ 9 192 632 кГц (длина волны около 3,26 см) и обеспечивает относительную нестабильность частоты около 10^-13 за несколько минут.

Для переноса частоты колебаний КСЧ в диапазон 1... 100 МГц без потери ее стабильности и с увеличением выходной мощности нужны устройства, преобразующие частоту f_кс в более низкую. Их назы­вают схемами переноса стабильности частоты КСЧ. В таких схемах чаще всего применяют ФАПЧ высокостабильного управляемого по частоте варикапом кварцевого генератора по сигналу КСЧ. Схемы переноса стабильности работают с фиксированной настройкой, поэ­тому в них можно использовать аналоговые технические решения, неприемлемые для перестраиваемых СЧ.

Однако требования к стабильности фазы настолько высоки, что необходимо принимать в расчет изменения фазового набега в усили­тельных каскадах и фильтрах при действии дестабилизирующих факторов, например при дрейфе температуры или изменении давле­ния воздуха.

На основе квантовых стандартов частоты и времени работают службы эталонного времени, необходимые для функционирования сис­тем дальней связи, навигации и др. Сигналы эталонного времени, сфор­мированные с помощью схем переноса на частотах 5 МГц и 10 МГц доставляют по радиоканалам информацию об образцовой шкале вре­мени к территориально удаленным электронным часам.

При этом Непостоянство скорости распространения радиоволн в атмосфере Кмли оказывает влияние на фазу полученного колебания, сравнимое с собственными нестабильностями квантовых генераторов.

Промышленные стандарты частоты и времени обеспечивают относительные отклонения частоты 1,0000 ... МГц от номинального

значения не более 1*10^-10 , среднеквадратическую вариацию час­тоты за сутки не более ±2*10^-11, уровень ПСС с частотой промыш­ленной сети не более -80 дБ, мощность шумовых составляющих в полосе 30 Гц ... 10 кГц не более -100 дБ, уровень высших гармоник не более - 40 дБ.

Для стабилизации частоты ОГ массового применения используют высокодобротные резонаторы. Считается, что для таких резонаторов уровень достижимой кратковременной нестабильности частоты обратно

пропорционален квадрату добротности резонатора ∆f/f oс 1/Q² _рез.

Кварцевые резонаторы имеют добротность от 10 до 10 , поэтому на их основе выполняются АГ с относительной нестабильностью час­тоты от ^10-5 до 10^-18.

Резонансная частота кварцевого резонатора f_кв0 меняется в зави­симости от рассеиваемой в нем мощности, температуры внешней среды и времени.

Опорные кварцевые генераторы выполняют на минимальную высокочастотную мощность, чтобы не превышать допустимую мощность рассеяния на резонаторе. Прецизионные кварцевые генераторы с кратковременной относительной нестабильностью частоты до 10^-9 выполняются на специально разработанных кристаллах с термостатированием либо только резонатора, либо всего АГ. В них применяют устройства защиты от акустических, кли­матических и вибрационных воздействий.

Кварцевые резонаторы имеют свойство стареть: относительные уходы частоты ^f_кв0 приерно за 1 год на один-два порядка превышают кратковременную нестабильность частоты за 1с. Для поддержания номинальной частоты кварцевого генератора с заданной точностью ее сверяют с частотой эталонного квантового стандарта частоты и корректируют с помощью управителя частоты на варикапе.

В диапазоне СВЧ можно применять АГ со стабилизирующими

резонаторами на феррите на частоте 1...5 ГГц с добротностью порядка 10³ или диэлектрические резонаторы на лейкосапфире до частот порядка 10 ГГц с добротностью до 10⁶. Возникающие при этом технические проблемы связаны со сложностью конструкции АГ со стабилизирующим резонатором, с технологическими возможно­стями воспроизведения резонаторов на заданную частоту, с влиянием инерционных свойств активных элементов на стабильность частоты.