КВАНТОВЫЙ ВОДОРОДНЫЙ СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ

Полезная модель относится к квантовым водородным стандартам частоты и времени пассивного и активного типов, которые могут быть использованы для работы в качестве генераторов высокостабильных, высокоточных, спектрально чистых сигналов.
Принцип действия таких приборов как, например, пассивные водородные стандарты частоты и времени (ВСЧ) типа 41-76, VCH-1006, а также активные ВСЧ типа 41-80, VCH-1003, основан на автоподстройке по частоте линии излучения атомов водорода частоты кварцевого генератора и СВЧ резонатора, входящих в оба типа стандартов частоты. Выходной сигнал квантового устройства таких стандартов содержит информацию о расстройке частоты СВЧ резонатора от частоты линии излучения водорода в виде амплитудной модуляции. Сигнал этой модуляции детектируется, усиливается и подается на систему автоматической настройки СВЧ резонатора.
В качестве ближайшего аналога предлагаемого технического решения принята структурная схема пассивного квантового стандарта частоты и времени типа VCH-1006 по патенту №25801.
Недостатком таких схем стандартов является наличие в сигнале промежуточной частоты паразитной фазовой модуляции, ухудшающей стабильность частоты выходного сигнала.
Технической задачей полезной модели является снижение уровня паразитной фазовой модуляции и соответственно повышение стабильности частоты квантового водородного стандарта.
Сущность технического решения задачи заключается в том, что в водородный стандарт частоты, включающий последовательно соединенные в кольцо квантовый водородный мазер (квантовое устройство), преобразователь частоты, блок автоматической подстройки частоты, кварцевый генератор, формирователь сигнала модуляции и систему автоматической настройки резонатора квантового водородного мазера, второй вход которой подключен ко второму выходу преобразователя частоты, формирователь гетеродинного сигнала, включенный между вторым входом преобразователя частоты и вторым выходом формирователя сигнала модуляции, второй выход кварцевого генератора соединен со вторым входом блока автоматической подстройки частоты, а третий выход кварцевого генератора является выходом устройства, введен дополнительно фазовый модулятор, включенный между четвертым выходом кварцевого генератора и вторым входом формирователя гетеродинного сигнала.
В варианте выполнения квантового водородного мазера в виде квантового водородного дискриминатора (стандарт частоты пассивного типа), стандарт содержит дополнительно формирователь сигнала возбуждения (накачки), первый и второй входы которого подключены соответственно к пятому выходу кварцевого генератора и первому выходу формирователя сигнала модуляции, а выход формирователя сигнала возбуждения соединен со вторым входом квантового водородного дискриминатора.
В варианте выполнения квантового водородного мазера в виде квантового водородного генератора (стандарт частоты активного типа) третий выход формирователя сигнала модуляции подключен ко второму входу квантового водородного генератора (входу резонатора).
Фазовый модулятор может быть выполнен с применением варикапа в резонансном контуре или диода с накоплением заряда на входе умножителя частоты, входящего в состав формирователя гетеродинного сигнала. Остальные блоки квантового водородного стандарта частоты выполняются аналогично известным типам соответствующих стандартов.
На фиг.1 представлена упрощенная структурная схема квантового водородного стандарта частоты, на фиг.2 - структурная схема стандарта частоты пассивного типа, на фиг.3 - структурная схема стандарта частоты активного типа.
Стандарт частоты и времени водородный включает (фиг.1) последовательно соединенные в кольцо квантовый водородный мазер (квантовое устройство) 1, преобразователь частоты 2, блок автоматической подстройки частоты кварцевого генератора 3, кварцевый генератор 4, формирователь сигнала модуляции 5 и систему автоматической настройки СВЧ резонатора 6 квантового водородного мазера 1 (квантового водородного дискриминатора или квантового водородного генератора), второй вход которой подключен ко второму выходу преобразователя частоты, формирователь гетеродинного сигнала 7, включенный между вторым входом преобразователя частоты 2 и вторым выходом формирователя сигнала модуляции 5, второй выход кварцевого генератора соединен со вторым входом блока автоматической подстройки частоты, а третий выход кварцевого генератора является выходом устройства. Фазовый модулятор 8 включен между четвертым выходом кварцевого генератора 4 и вторым входом формирователя гетеродинного сигнала 7.
В варианте выполнения (фиг.2) квантового водородного мазера в виде квантового водородного дискриминатора (стандарт частоты пассивного типа), стандарт содержит дополнительно формирователь сигнала возбуждения 9, первый и второй входы которого подключены соответственно к пятому выходу кварцевого генератора 4 и первому выходу формирователя сигнала модуляции 5, а выход формирователя сигнала возбуждения соединен со вторым входом квантового водородного дискриминатора.
В варианте выполнения (фиг.3) квантового водородного мазера в виде квантового водородного генератора (стандарт частоты активного типа) третий выход формирователя сигнала модуляции 4 подключен ко второму входу квантового водородного генератора (входу резонатора).
Устройство работает следующим образом.
м
h
h
m
h
h
h
В водородном стандарте частоты активного типа частота настройки СВЧ резонатора через встроенный варикап модулируется периодическим сигналом, формируемым в формирователе сигналов модуляции (ФСМ) 5. Частота модуляции F обычно находится в диапазоне (20-100) Гц, а форма модулирующего сигнала может быть либо прямоугольной типа меандр либо синусоидальной. Оптимальная амплитуда модуляции частоты настройки резонатора примерно равна половине полосы пропускания резонатора и составляет (5-15) КГц. В результате выходной сигнал квантового водородного генератора имеет фазовую модуляцию с индексом φ=ϕ(f+F)-ϕ(f-F) и амплитудную с индексом a=A[f+F)-A(f-F). Здесь ϕ(f) и A(f) соответственно фазовая и амплитудная характеристики резонатора. Индекс фазовой модуляции порядка π/2, а индекс амплитудной модуляции пропорционален расстройке средней частоты резонатора относительно частоты линии излучения мазера f. Блок автоподстройки частоты (АПЧ) 3 настраивает кварцевый генератор 4, формирующий выходной сигнал водородного стандарта частоты.
m
м
пч
пч
Система автоматической настройки резонатора 6 через второй варикап настраивает резонатор по критерию минимума индекса амплитудной модуляции a. После прохождения фазомодулированного сигнала через фильтры преобразователя частоты (ПЧ) 2 за счет нелинейности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) фазовая модуляция преобразуется в амплитудную. Это приводит к смещению частоты настройки резонатора и, соответственно, к ухудшению стабильности частоты выходного сигнала. Индекс этой паразитной модуляции  пропорционален индексу фазовой модуляции φ и «перекосу» АЧХ фильтра ПЧ на частотах f±F (где f - промежуточная частота в тракте АПЧ). Для снижения этого эффекта на вход формирователя гетеродинного сигнала через фазовый модулятор, вводящий компенсирующую фазовую модуляцию в гетеродинный сигнал, подается сигнал с ФСМ 5 с целью компенсации фазовой модуляции сигнала промежуточной частоты. Этот сигнал должен быть когерентным с сигналом модуляции резонатора, а амплитуда и фаза его должны подбираться по минимуму остаточной фазовой модуляции в сигнале ПЧ.
В водородном стандарте частоты пассивного типа фазовая модуляция сигнала промежуточной частоты получается за счет периодической модуляции сигнала возбуждения в формирователе сигнала возбуждения 9. Сигнал модуляции получается в формирователе сигналов модуляции 4. Частота модуляции обычно находится в диапазоне 5-15 КГц. Принцип снижения уровня паразитной амплитудной модуляции аналогичен описанному выше.
В результате имеем снижение в 10-30 раз индекса паразитной амплитудной модуляции и улучшение стабильности частоты выходного сигнала водородного стандарта частоты.