Стандарты частоты и времени

В качестве эталона времени в 1 с международными соглашениями принят интервал времени, за который происходит 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Квантово-механический первичный мировой эталон час­тоты и времени выполнен на основе прецизионного цезиевого дискриминатора — атомно-лучёвой трубки. Фаза его колебаний периодически корректируется по результатам астрономических измерений, которые учитывают «звездное» время. Сигналы миро­вого эталона передаются по каналам связи и синхронизируют вто­ричные — национальные и локальные — стандарты (эталоны) частоты, по отношению к колебаниям которых оценивают ста­бильность частоты тех или иных источников опорных колебаний радиоэлектронных средств. Вторичные стандарты частоты выпол­няются на основе либо водородных молекулярных генераторов (мазеров), либо цезиевых или рубидиевых квантовых дискрими­наторов, либо прецизионных кварцевых автогенераторо в, снаб­женных средствами периодической синхронизации по первично-му локальному эталону.

При оценке сведений о нестабильности частоты стандарта частоты надо иметь в виду, что для метрологически достоверных измерений стабильности с оценкой доверительного интервала должен быть использован в качестве эталонного источник коле­баний, на 1 – 2 порядка более стабильный, чем измеряемый, что невозможно для предельно стабильных источников. Поэтому сверх-малые нестабильности частоты измеряют по биениям колебаний независимых и одинаковых по конструкции генераторов, находя­щихся в одинаковых внешних условиях.

В качестве характеристик стандартов частоты указывают погреш­ность воспроизведения частоты от одного включения к другому за определенное время наблюдения Т.

Каждый источник опорного сигнала характеризуется погреш­ностью установки частоты δ_уст – относительным СКО от частоты стандарта. Эта величина определяет количество старших десятич­ных разрядов номинала частоты, которые можно считать досто­верными, в отличие от значений младших разрядов, которые яв­ляются результатом вычислительных операций над частотой без учета доверительной погрешности.

Для генераторов с невысокой стабильностью в качестве еди­ниц измерения относительных погрешностей частоты используют внесистемные единицы: сотые доли — проценты (%); тысячные доли — промилле (‰). При средней стабильности применяют миллионные (10^-6) доли — пропромилле (млн^-1) (в англоязычной литературе — ррm); при повышенной стабильности — биллион-ные (в некоторых странах их называют миллиардными) (10^-9) доли (млрд^-1) (англоязычной литературе — ppb).

Вторичные стандарты частоты обычно дополняются средствами для коррекции начальной фазы или управления частотой в неболь­ших пределах в целях установки номинала частоты по более точно­му эталону и для компенсации долговременного дрейфа частоты.

Водородные мазеры обеспечивают наибольшую долговремен­ную стабильность частоты — до 1•10^-15/год, цезиевые стандар­ты — до 5•10^-13/год, рубидиевые до ±5 • 10^-12/год, кварцевые — до 5 • 10^-10/год.

Рубидиевые стандарты частоты российского производства (см. табл. 4.2) имеют массу 1...2 кг, достаточно компактны и приме­няются на летательных аппаратах и в составе аппаратуры косми­ческих станций.

Серийно выпускаются вторичные стандарты частоты, имеющие массу 0,6...90 кг, с кратковременной (за 1 с) относительной не­стабильностью частоты 2•10^-13...1•10^-10, с долговременной (за 1 сут) относительной нестабильностью частоты до 2•10^-15, с ТКЧ 5•10^-16... 3 • 10^-10 на 1 °С, с продолжительностью выхода на устано­вившийся режим от 5 мин до 1 ч. Специализированные для работы с определенной системой связи или радионавигации стандарты частоты имеют выходы колебаний с частотами, стандартизован­ными в такой системе.

Квантовые стандарты частоты характеризуются достаточно низ­ким уровнем фазового шума при очень малых отстройках от несу­щей частоты. На рис. 2.2 показаны характеристики спектральной плотности мощности (СПМ) фазового шума вблизи несущей для некоторых изделий. Низкий уровень фазовых шумов вблизи несущей обусловлен использованной в та­ких стандартах многоступенчатой фазовой синхронизацией коле­баний: по сигналу водородного мазера синхронизируются колеба­ния цезиевого подстраиваемого источника, а по ним — прецизи­онного управляемого кварцевого генератора.

В табл. 2.2 приведены параметры некоторых моделей квантово-механических стандартов частоты и прецизионных кварцевых ге­нераторов. Можно отметить, что среди конкурентоспособных в мире моделей квантовых стандартов частоты и времени имеются изделия, разработанные и выпускаемые в России. Источник коле­баний типа (Ч1-75А, выполненный на основе водородного мазе­ра, имеет наибольшую стабильность, повторяемость и погреш­ность установки частоты, поэтому может использоваться в каче­стве вторичного стандарта частоты и времени.

Цезиевый стандарт Times Cesium отличается наименьшим уровнем «белого» фазового шума в выходном сигнале и имеет входы для кодовой коррекции текущей фазы колебаний по первичному эталону. Отечественное изделие RFS-2002 выполнено на основе рубидиевого дискрими­натора и благодаря низкой нестабильности частоты и сравнитель­но небольшой массе может быть встроено в аппаратуру связи или навигации.

Прецизионный кварцевый генератор типа 253 при миниатюр­ном исполнении имеет сравнимую с квантовыми источниками кратковременную нестабильность частоты, но за длительный от­резок времени изготовители не гарантируют сохранение номина­ла частоты. В это изделие также встроена схема кодовой коррек­ции эффекта старения кварцевого резонатора.

Таблица 4.2. Параметры квантово-механических стандартов частоты и прецизионных кварцевых генераторов

Тип генера­тора	------------- 1 Выход­ная частота fвых, МГц	>-------------- Кратковре­менная нестабиль­ность частоты δк за 1 с	Спектральная плотность мощности |Sφ(F)|, дБ/Гц, при отстройке	Долговре­менная нестабиль­ность частоты δд за 1 год	Масса, кг	Мощность энергопо­требления, Вт	Модель, сайт
10 Гц	1 кГц
ВГ	1; 10	1∙10^-13	-130	-155	2∙10^-14			Ч1-75А, www.kwarz.ru
ЦС		2∙10^-12	-126	-160	3∙10^-13	—		Times Cesium, www.symmetricom.com
PC	1; 5; 10	4∙10^-11	-110	-145	1∙10^-12	1.3		RFS-2002, www.rirt.ru
ПКГ	1; 10	1∙10^-12	-100	-160	3∙10^-8	—		253, www.mti-milliren.com
	5...13	5∙10^-12	-135	-160	8∙10^-9	0,08		CFPO-2S, www.cmac.com
	45... 135	5∙10^-12	-100	-137	1∙10^-8	0,17		FTS9300, www.symmetricom.com

Примечание. ВГ — водородный генератор (мазер); ЦС — цезиевый стандарт частоты; PC — рубидиевый стандарт частоты и времени; ПКГ — прецизионный кварцевый генератор.

Рис 4.2.А. Характеристики СПМ фазового шума вблизи несущей: 1 - опорный генератор на ПАВ; 2 - кварцевый генератор QEA51-AO; 3 -водородный стандарт частоты Х72ТМ; 4- кварцевый генератор 270, 5 - кварцевый генератор CFPO-2SS

Вопрос 3

Дата добавления: 2014-01-03