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《苏州大学》 2017年
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芯片级原子钟及多通道数据采集同步系统研究

季磊  
【摘要】:随着量子物理学、微波波谱学和无线电电子学的深入发展,人们认识到不受外界干扰的原子、分子的内部运动状态非常稳定,因此努力将时间频率的计量标准定义到微观量子态的稳定周期信号上。在1967年召开的国际计量大会上,人们对秒进行了新的定义:在零磁场中铯原子(133)基态的两超精细能级间的跃迁频率的9192631770个周期所持续的时间称为原子时的1秒。至此,人们进入了原子时时代。传统型原子钟由于精度高和稳定性好等优点,被广泛应用在精密导航、精密时间同步和军事相关领域。但是其具有价格高、功耗高和体积大等缺点,不利于在便携式设备中应用。小型化和微型化的原子钟由于具有较小的尺寸、极低的功耗以及中等的精度和稳定性,在便携式设备中有极大的用武之地,得到了越来越多的关注。芯片级原子钟(CSAC)是一种微型化原子钟,主要由射频信号源模块、物理封装模块和外围控制电路组成,具有功耗低、体积小和价格低等优点。本文一方面通过研究芯片级原子钟的射频信号源模块、外围控制电路模块和物理封装的组装与测试,为实现芯片级原子钟样机打下了坚实的基础;另一方面针对现有地面电磁探测系统同步方案的不足,提出了一种基于芯片级原子钟的多通道数据采集同步系统,为我国地面电磁探测系统提供了一种新的同步方案。具体工作及创新如下:(1)针对提高芯片级原子钟的输出稳定度的问题,提出采用锁相环电路作为射频频率源,电路主要包括压控振荡器、频率综合器和环路滤波器。同时针对所研制的压控振荡器进行了高低温测试和良率测试,结果表明压控振荡器高低温性能良好,1000个样品的相位噪声均值为-60.83d Bc/Hz@1k Hz,性能优异。对所设计的锁相环电路进行了仿真和实际测试,结果显示,在300Hz频率偏移下,相位噪声为-83.57d Bc/Hz。远优于由Romisch S和Lutwak R提出的芯片级原子钟射频信号源的指标:-43d Bc/Hz@300Hz。(2)针对芯片级原子钟中VCSEL激光器及碱金属蒸汽泡需要将温度稳定在±0.05℃内的问题,提出采用PID算法控制恒流源的方式实现物理封装内部温度平衡,设计出合理的电路,测试结果也能够满足芯片级原子钟的需求。(3)物理封装模块是芯片级原子钟最重要的模块,提出采用垂直方向组装结构对物理封装进行搭建,并对物理封装的每一个部分进行了功能和性能的描述。在测试物理封装之前,对物理封装结构进行热学仿真,通过仿真对物理封装结构进行了优化。通过优化设计之后,将物理封装加热功耗降低至450m W。从原子物理学角度测试,物理封装能够出现较好的高斯吸收峰,加入射频信号之后,能够产生预期的多边带吸收现象。最后,通过测试电路,实现了CPT共振峰,共振峰的线宽约为2k Hz。(4)针对现有地面电磁探测系统同步方案的不足,提出了一种基于芯片级原子钟的时间同步方案,利用芯片级原子钟具有的高稳定度、低功耗和小尺寸的优点,为地面电磁探测系统在没有GPS授时信号的环境下工作时提供一种时间同步解决方案。该系统是国内首创的采用芯片级原子钟作为守时设备的同步系统,该系统由基地站守时设备、接口设备和多个授时子卡构成,授时子卡一天的时间偏移不超过1us,功耗约326m W,自带锂电池续航时间超过24小时。通过将所研制的系统与地面电磁探测系统对接,经过实验室内部联调测试、在河北固安进行的天然场源数据采集实验以及在内蒙兴和曹四夭钼矿进行的可控源数据采集试验,证明了所研制的同步系统可用于地面电磁法仪器进行授时同步工作。
【学位授予单位】:苏州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TP274.2

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