国产芯片级微型原子钟介绍

同步天下
2022-09-09
来源:原创

关键词:芯片级原子钟,国产原子钟,芯片原子钟

国产芯片级原子钟又被称作cpt原子钟,是一种军民双用的微型铷原子振荡器,本文主要对芯片级原子钟进行介绍同时推荐一款国产芯片级原子钟。

原子钟是以原子跃迁谱为基础制作的时间频率信号标准设备或仪器,具有最高的频率精度,是航空航天、数字通信、网络授时、广播电视、铁路交通、电力传递等各系统中的时间频率基准,在国家战略领域,乃至整个国民生产生活中起着基础性的支撑作用。芯片原子钟是结合了集成电路制造的技术工艺方法,以相干布居数囚禁(CPT)原理为基础,研制出来的一种器件级别的微型化原子频率基准产品。它是未来国内外时间频率领域研究的重要方向,无论是在军用还是民用领域,它的应用范围都会十分广泛,是一种可以在各种电子仪器设备中大规模替代晶体振荡器的器件。

原子钟已经为天文、航海、宇宙航行等领域提供了强有力的保障。但是,目前这些器件体积庞大,重量也很大,达几百千克。要成为平常人可使用的实用功能,原子钟的尺寸需要大幅缩小,而精度和速度需要被保留。

文章介绍的此类芯片级微型原子钟最开始是由美国密歇根大学科学家与美国国防部及美国国家标准与技术研究所合作研制,而近几年国内铷原子钟厂家也已经自主研制出此类产品,该款原子钟可以用于手机和其他体积较小的装置中,微型原子钟由于耗电量极低在此类集成用法方面将会获得广泛应用。

芯片级原子钟每天走时误差仅为1毫秒或每274年走时误差1秒,虽然它没有NIST-F1原子钟走时准确,NIST-F1原子钟每3000万年走时误差1秒,但是NIST-F1原子钟体积庞大,要占地3.7立方米,耗电功率达500瓦。微型芯片原子钟却特别微小,它的体积仅为1立方厘米,耗电功率极小,因此它可以由普通电池来供电。新型原子钟的低能耗是微型化副产品的一部分,它走时由铯原子控制,铯原子周期性改变节拍器的能量状态。一对铯原子应被加热到80℃,实验原子钟蒸气室大小总共为0.6立方毫米,将一对铯原子加热到所需温度耗时不到3秒和几毫瓦电。此外,蒸气室中含有的缓冲气体会在铯原子与蒸气室壁相碰撞时减少能耗。

SYN010H型芯片级原子钟1.png

CPT原子钟是利用原子的相干布局囚禁原理而实现的一种新型原子钟,由于不再需要微波谐振腔,因此可以做到真正的微型微小化。美国NIST研制的CPT原子钟物理有的甚至比一粒米还要小。CPT原子钟被认为可以集成到一个芯片上,可以让很多方面的设备上升一个甚至多个等级,因此也被称为芯片尺度原子钟 chip scale atomic clock (CSAC)),国内也称之为芯片级原子钟。他是迄今为止能够用纽扣电池供电长时间工作的**的一种原子钟。它在导航定位、计时、同步通信等领域有着广泛的应用前景。

最小的CPT原子钟可为手表尺寸,并用纽扣电池供电。由于这些特点,CPT原子钟在远程通讯系统定时、大范围通讯网络同步、武器装备的便携化等军、民应用方面具有很好的应用前景。例如,CPT频标应用于GPS接收机,可以显著提高导航定位精度。欧美等西方国家已经把便携式和微型化CPT频标的研发作列入国家战略发展目标。美国已经有两种商品CPT频标上市。

芯片原子钟尺寸

在国内市场,芯片原子钟主流还是以进口产品和国产铷原子钟为主,但由于近年来国际局势紧张和国内的科研水平大步提高,以及此类产品大多用在科研院所,通常都会选用国产设备,除此之外因国际战事等因素,进口产品货期大大增加,也不能提供有效的技术支持,严重影响了客户的使用。

在几年前,cpt铷原子钟基本都是进口产品,因为此类产品是由国外首发的,也的确满足了大部分体积小但是需要内置时频基准的设备,但是近几年国内科研技术也是日益强大,生产的cpt芯片级原子钟无论是安装尺寸和性能方面完全可以代替国外进口的cpt铷原子钟。

SYN010H型芯片原子钟是一款基于相干布局囚禁CPT原理实现的芯片级原子钟,采用国产元器件和工艺研制而成,工作温度范围-40℃~+75℃,可在-40℃到+75℃的工作环境范围内保证PPb 量级的频率精度,体积小,尺寸40×35×15mm,外形及安装尺寸兼容SA.45s,是代替国外芯片级原子钟的理想产品,并具有低功耗、小尺寸、快启动的优点,广泛应用于多种便携式设备及无人值守时频设备中。

模块输出CMOS电平的10MHz方波和1PPS脉冲;短期稳定度优于3E-10/1s,月老化率优于1E-9;稳定功耗<1.5W,最大功耗 3.5W;室温下,锁定时间小于1分钟;外形及安装尺寸兼容进口主流产品SA.45s,是各大科研单位更换国产铷原子钟最优选择;外部 1PPS 驯服,驯服后同步精度优于100ns,保持精度优于5us(驯服24小时后断开),频率精度优于5E-12(驯服24小时后);外部模拟电压校准,范围为±1.5E-9,输入电压0 ~5V;通过RS-232进行通讯、控制和查询。



短稳优于每秒3.0E-10、10秒1.0E-10、100秒3.0E-11;相位噪声最高优于-140dBc/Hz(10KHz);频率准确度出厂设置为±5E-11,重现性±5.0E-10,老化率<±5E-11/日;

该产品具有低功耗、启动快、寿命长、老化率好等优点。典型应用于便携式导航、5G通讯及电力设备、测试测量仪器仪表、微型导航定位守时 Micro-PNT 系统等方面。

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