芯片级原子钟辅助的惯性/卫星组合导航系统欺骗检测方法

商业化芯片级原子钟产品的出现,使其在惯性/卫星组合导航系统中的应用成为可能。针对卫星导航欺骗信号检测,提出利用芯片级原子钟高精度时间保持能力,从时间维度进行欺骗检测的方法。首先,介绍了芯片级原子钟的基本特点和时间保持能力,然后通过分析欺骗干扰对接收机时间的影响,针对先压制后欺骗的典型模式,基于真实信号和欺骗信号下的钟差预测误差分布,构造了芯片级原子钟辅助的欺骗检测模型。实测数据表明,芯片级原子钟的钟差预测精度高出接收机内部时钟精度一个数量级以上。通过检测概率分析,证明了芯片级原子钟在卫星欺骗检测上的优异性能。

894nm高温垂直腔面发射激光器及其芯片级铯原子钟系统的应用

报道了自行研制的894 nm高温垂直腔面发射激光器(VCSEL)以及基于此类器件的芯片级铯原子钟系统的应用实验结果.根据芯片级铯原子钟对VCSEL在特定高温环境下产生894.6 nm线偏振激光的要求,对器件的量子阱增益及腔模位置等材料结构参数进行了优化,确定增益-腔模失谐量为-15 nm,使器件的基本性能在高温环境下保持稳定.研制的VCSEL器件指标为:20—90?C温度范围内阈值电流保持在0.20—0.23 m A,0.5 m A工作电流下输出功率>0.1 mW;85.6?C温度环境下激光波长894.6 nm,偏振选择比59.8:1;采用所研制的VCSEL与铯原子作用,获得了芯片级铯原子钟实施激光频率稳频的吸收谱线和实施微波频率稳频的相干布居囚禁谱线.

芯片级原子钟的气密性能分析

基于相干布居囚禁(CPT)原理芯片级原子钟(CSAC)原子腔体积小、采用微电子机械系统硅-玻璃键合工艺制造,其气密性是决定CSAC寿命的关键因素。本文提出了"多层缓冲原子腔"方案大幅度提高原子腔的气密性能,从而提高CPT CSAC的稳定性和寿命。建立了一个"毛细管等效气流模型"模拟多层缓冲原子腔的泄漏以分析原子腔的气密性能,应用Matlab仿真对比了单层密封、多层密封、添加保护腔等不同方式下气密性能的改善幅度。仿真结果验证了"多层缓冲原子腔"在提高CPT CSAC物理系统气密性能方面的可行性和有效性,为原子腔的设计提供指导。

用于铯芯片级原子钟的4.596GHz射频源研制(英文)

芯片级原子钟主要包括射频模块、物理封装模块以及其他的外围控制模块。射频模块的设计关系到芯片级原子钟的短期稳定度,所以射频模块在芯片级原子钟的设计时是非常重要的一部分。本文利用数字锁相环技术实现频率为4.596GHz的射频源,射频源由三部分组成,包括小数分频频率综合器、压控振荡器和环路滤波器。数字锁相环具有相位噪声低,频谱稳定度高等特点。此外,由于小数分频频率综合器是可编程的,可以通过配置N分频器与R分频器实现输出频率的快速扫描。与此同时,根据相关公式,可以计算出三阶无源环路滤波器的近似参数值,所设计的环路滤波器具有300kHz的环路带宽以及55°的相位裕度。最后,整个基于数字锁相环技术实现的射频源通过仿真、硬件实现以及测试。测试结果显示,射频源的相位噪声为-74.02dBc/Hz@300Hz,符合芯片级原子钟射频源的设计要求。

GNSS驯服芯片级原子钟方法研究

芯片级原子钟是一种体积小且功耗低的高精度时钟源,具有广泛的用途。针对这一特点,设计了基于GNSS的芯片级原子钟驾驭算法。以GNSS系统时作为参考,测量芯片级原子钟与GNSS系统时间的钟差,并对芯片级原子钟进行钟差建模,获取其特征参数。通过乒乓法计算出钟驾驭调整量,对芯片级原子钟进行控制,最终将芯片级原子钟驾驭到GNSS系统时间上。经过实验验证,在驾驭时间常数为100s的情况下,芯片级原子钟与GNSS系统时间的时钟同步误差在-7.5~7.5ns之间;1h频率准确度为5.8×10-13;平均时间为10000s时的频率稳定度为3×10-13。

芯片级原子钟的研究进展

芯片级原子钟是一种小型、低功耗、高精度的时间频率设备,与微惯性测量组合和卫星导航技术相结合,形成微型导航定位授时单元,可广泛应用于国民经济、军事领域和国家安全等方面。本文介绍了国内外芯片级原子钟的研究进展及现状,阐述了芯片级原子钟研制的难点及需要突破的关键技术,包括微型原子气室制备技术、微机电系统集成技术和芯片级光学频率梳技术等,最后对芯片级原子钟的发展趋势进行了展望。

芯片级原子钟数字温控系统设计

随着美国国防部先进项目研究局(Defence Advanced Research Projects Agency,DARPA)对微型定位导航授时技术的提出以及无人驾驶技术的发展,芯片级原子钟的市场越来越受到重视。稳定度是衡量芯片级原子钟性能的关键指标,而温度又是影响芯片级原子钟稳定度指标的重要因素,因此高精度的温控系统是芯片级原子钟稳定度的保障。设计了一种高精度的数字温度控制系统,控温精度为2m K。经过对比测试,使用该系统的芯片级原子钟稳定度较以前有了较大的改善,千秒稳定度从7.57×10^(-12)提高到4.99×10^(-12),处于世界先进水平。

芯片级铯原子钟MEMS气室的气密性封装

为适应芯片级原子钟(CSAC)微型化和高精度的发展趋势,介绍了一种面向CSAC微型系统的碱金属原子气室的微电子机械系统(MEMS)工艺流程,设计了一种能够提供光反应所需的碱金属原子气氛且气密性好的气室结构,氦气真空泄漏率小于5.0×10^(-9)Pa·cm^(3)/s。采用L-Edit软件设计掩膜版,通过光刻工艺在光刻胶上制作所需图形,采用感应耦合等离子体刻蚀(ICPE)法将结构转移到硅片表面,刻蚀出微通道和两个腔室,其中一个腔室为反应腔,另一个为光学腔。通过低温阳极键合工艺封装原子气室,划片后即可得到玻璃-硅-玻璃三明治结构的气室。按照GJB548A-96标准(方法1014.2密封)的相关规定对MEMS气室先后进行了氦气细检和氟油粗检,测试结果验证了工艺的适用性,成品率达到96.08%。同时,搭建实验平台,测试了吸收谱线,得到了良好的谱线图。

芯片级原子钟在Micro-PNT中的应用

将CPT芯片原子钟与高精度的微惯性测量元件组合成单片授时和惯性测量单元(TIMU),再与高精度的GNSS系统相结合,可以弥补GNSS和INS单一系统的不足,组合成适用性更广、鲁棒性更强的微型PNT系统(micro-PNT)。

芯片级CPT原子钟的研制

报道了一款尺寸大小、引脚定义和主要功能与美国SA.45s芯片级原子钟兼容的低功耗小体积CPT(coherent population trapping)原子钟。研制工作以降低工艺难度,易于工程实现为原则,回避了技术难度较大的MEMS(micro electro mechanical systems)技术和高真空绝热等技术工艺。其物理部分以边长3.5 mm的传统立方形玻璃气室为核心,填充^(87)Rb原子和缓冲气体;电路部分以低功耗STM32单片机为核心。对整机零部件进行体积和功耗的优化并通过软件算法对频率温度特性进行学习和智能补偿,最终产品外形尺寸为4.0 cm×3.5 cm×1.2 cm,重量30 g,稳态功耗0.53 W。样品经中国计量院校准,启动时间2 min 15 s,跟踪外秒24 h稳定性50 ns峰峰值,跟踪外秒1天后断开外秒24 h最大偏差1.4μs,短期频率稳定度7.1×10^(12)/1 s,相位噪声-101 dBc/Hz@10 Hz。主要技术指标达到或接近典型的芯片级原子钟的水平。

尖端科技实现芯片级原子钟

原子钟技术开启了一个世界,对于现代社会运转至关重要的通讯、导航、信号处理和许多其它应用来说,超精确计时成为了强制性要求。然而,更小、更轻和更节能（即更便携）的这类系统已经出现,但原子钟本身却还没有跟上相同的发展趋势。发展滞后的原因有二：第一,传统原子钟技术的规模太小;第二,即便你可以制造出当今最小的原子钟,远远小于现存的产品（大约为扑克牌大小）,但在便携式应用中它们仍有严重的缺点——电池电源和环境温度是实际问题。

迅腾发布业界首款商用芯片级原子钟

美国迅腾有限公司近日发布QUANTUM原子钟产品系列的最新成员SA．45s芯片级原子钟（CSAC）。该芯片级原子钟提供了原子钟技术所具备的精确性和稳定性，同时在尺寸、重量和功率方面实现了显著改善，非常适用于在不支持GPS的环境中需要精确时间同步和计时的各种便携式应用，其精确性和极低的功耗确保SA．45s CSAC能够满足大量要求苛刻的便携式应用。

Symmetricom商用芯片级原子钟全面上市

精确时间和频率技术的美国迅腾有限公司（Symmetricom）推出体积小、功耗低的原子振荡器。新推出的SA．45s芯片级原子钟（CSAC）提供了原子钟技术所具备的精确性和稳定性，同时在尺寸、重量和功率方面实现了显著改善。

芯片原子钟MEMS原子气室数字温控系统设计

芯片原子钟(CSAC)可以提供精准的时间基准,具有较好的应用前景。利用微型PIC~?单片机和增量式比例-微分-积分(PID)算法设计了一种CSAC微电子机械系统(MEMS)原子气室数字温控系统,并通过磁控溅射方法制作了MEMS原子气室专用的氧化铟锡(ITO)加热玻璃。温度是影响CSAC稳定度的一个重要因素,解决了CSAC系统气室温控的加热不均匀问题,温控精度达到了0.10℃,达到了CSAC温控精度优于0.15℃的要求。通过饱和吸收光谱实验,获得了明显的饱和吸收谱线。实验结果为高性能CSAC的研究提供了参考。

高精度时钟芯片在OBN中的应用

我国海洋油气资源丰富,海洋油气资源勘探是未来国家油气勘探开发的重要领域。OBN是当前海洋地震采集的主流仪器,OBN内部使用的时钟芯片的精度是评鉴地震采集资料的主要因素之一。本文重点介绍了恒温晶振及芯片级原子钟等高精度时钟芯片的原理,以及其在OBN中所关注的主要性能指标,通过几种时钟芯片在OBN中的实际应用及测试数据对比,说明高精度时钟芯片能够满足OBN在水下作业的性能要求,为OBN在海洋油气资源勘探领域的应用打下良好的基础。

增厚DBR型894 nm窄线宽VCSEL

垂直腔面发射激光器(VCSEL)是芯片级原子钟(CSAC)的主流光源,其光束质量会影响CSAC的各项性能。扩展VCSEL内部有效腔长能够以压缩冷腔线宽的方式压窄器件最终辐射激光的线宽,从而可以减小CSAC短时间内的计时频率噪声。根据所计算的VCSEL表面反射谱,将VCSEL中4层下分布式布拉格反射镜(DBR)的厚度由常规的四分之一波长增加至404 nm,压缩了VCSEL冷腔线宽,并生长了对应的外延结构,制备了通过增厚DBR扩展有效腔长的894 nm窄线宽VCSEL。测试结果表明,研制的VCSEL在90℃下波长为893.1 nm,功率为0.335 mW,线宽约为32 MHz,且具有稳定的偏振特性。

表面菱形孔795 nm VCSEL的偏振特性

795 nm垂直腔面发射激光器(VCSEL)作为铷基芯片级原子钟(Rb-CSAC)的光源,其输出光的偏振不稳定会降低Rb-CSAC的稳定度和精确度。为了满足Rb-CSAC对795 nm VCSEL偏振稳定的需求,设计了一种具有表面菱形孔的偏振稳定的795 nm VCSEL。通过有限时域差分(FDTD)法计算了VCSEL的偏振特性,结果表明VCSEL的顶部分布式布拉格反射镜(DBR)在表面菱形孔的长轴和短轴方向具有不同的反射率。反射率高的偏振模式阈值增益低,成为VCSEL优先激射的主导偏振模式。为进一步提高VCSEL的偏振抑制比(OPSR),将VCSEL的氧化孔制作成尺寸为5.5μm×4.1μm的菱形。对不同长、短轴的表面菱形孔795 nm VCSEL进行偏振测试,结果表明,当表面菱形孔的尺寸为4μm×6μm,且菱形氧化孔的长轴与表面菱形孔的长轴相互垂直时,VCSEL的OPSR可达到16.22 dB。

国外CPT CSAC技术发展现状

概述了芯片级原子钟(CSAC)的特点和应用优势。介绍了美国和欧洲等发达国家启动的相干布局囚禁(CPT)CSAC系列研究项目。阐述了国外主要研究机构所取得的重大研究进展,如美国NIST机构和Symmetricom公司研制的CSAC样机和产品所达到的性能指标,并从物理系统、振荡器及频率合成器几个方面重点阐述国外的研究现状,其中重点阐述了物理系统部分的蒸气腔和垂直腔面发射激光器(VCSEL)的制作工艺、可实现的尺寸及密封性能等。列举了CSAC在卫星导航领域、用于时间保持和导航的水下系统以及个人手表系统中的应用现状。总结了CSAC在研制和应用中存在的问题,并提出了解决思路和发展方向。

芯片级原子钟（CSAC） 目前最小军民两用原子钟

自古以来，人们就学会了把地球、月球等星球之间的运动作为计量时间的一种标准。后来天文工作者借助于石英钟发现了地球每昼夜的转动是不均匀的，从而使人们对于计时标准（图1所示）有了更高的要求。同时，随着科学技术的发展，对于时间和频率的准确度和稳定度的要求日益提高。如导弹和火箭的发射、制导，各类飞行器和航潜器的导航，例如核潜艇的无线电导航，如果在三个月的航行中，时间计算上差了百万分之一秒，就会造成300米的位置差。这样高的精度要求，靠20世纪30年代的航海钟不行，靠50年代的石英钟也不行，只有靠现代的原子钟才能达到。

芯片级原子钟（CSAC）目前最小军民两用原子钟 2

世界上首款芯片级原子钟CSAC SA．45 CSACSA．45s采用CPT现象解调原子频率，并通过新颖的电子结构，实现了小型化和低功耗的芯片级原子钟。 SA．45s电路系统包含低功耗数字信号处理器、高分辨率微波合成器和模拟信号处理。微波输出源自可调谐的晶体振荡器，并施加到物理表头内的激光上，以便产生CPT解调所需的两个边带。在通过铯蒸气原子气室后，光电探测器检测发射过来的激光。基于所测量的原子响应，微处理器调整了晶体振荡器的频率。