周 渭西安电子科技大学2006.08近年来近年来 时频测控技术的发展时频测控技术的发展 摘要由于时间与频率量在所有的物理量中是准确度和稳 定度最高的，所以它们的发展不但在计量技术中，而 且在几乎整个高科技领域都起着举足轻重的作用。这 方面的发展一直受到各发达国家的高度重视。本文根 据我们近年来和国外同行的直接交流和参加国际会议 ，从各方面介绍了国际上的时频测控技术的发展、影 响和作用等。主要内容1.概述时频计量 2.时频基标准器的发展 3.频率源的广泛应用 4.时间频率的测量和比对技术 5.基于频率信号的信号传感技术 6.频率信号的合成及变换技术 7.新的材料、器件及其发展 8.结论 1、概述 传统的时频计量主要是以其标准的建立、测量比对和量值传递 为主的。但是由于时间频率量的重要地位和作用，它也表现在科 学技术的广泛领域中的作用和联系，本身涵盖的内容越来越广泛 ，不仅精度越来越高而且应用的市场也越来越大，同时与不同的 学科和领域的联系也越来越密切。时频测控领域包括了时间频率 的基标准器、各种频率源、时频信号的测量比对与传输、时间频 率信号的处理技术、与频率量相关的传感器及材料、频率的合成 与变换、与GPS相关的系列技术、以及其它基于时间频率量的应 用技术等。与时频测控技术紧密联系的领域有通讯、导航、空间 科学、仪器仪表、材料科学、计量技术、电子技术、天文、物理 学、甚至生物化学等。 因为频率和时间测控技术研究的广泛性和重要作用，国际交 流也是很频繁的。目前这方面很重要的国际会议有，美国的IEEE 国际频率控制年会（IEEE FCS）、欧洲的频率与时间研讨会（ EFTF）和精密时间和时间间隔应用与规划会议（PTTI）等。有的 会议上不但广泛地进行了时频测控领域各个方面的学术交流，在 会议上还开办了关于本领域最新技术发展的讲座，而且与会议同 步进行的展览会也向会议的参加者展示了近年来所发展起来的各 种仪器设备、频率控制器件与产品、新的材料和加工设备等。IEEE国际频率控制年会被认为是国际上频率和时间测控技术领域水 平最高、规模最大的国际会议。参加会议的代表常常有数百人，会 议录用论文也有200篇左右。频率控制与超声和铁电体共同组成了 IEEE的一个UFFC学会，即IEEE超声、铁电体与频率控制学会。这 个会议就是由IEEE的UFFC学会发起的。开会时间一般在每年的5月 底、6月初。分别在美国的不同城市召开。近年来IEEE国际频率控 制年会也常常采取和同类型的专业会议联合召开的方法。如分别和 欧洲的频率与时间研讨会以及精密时间和时间间隔应用与规划会议 合办。会议论文采用了报告宣读（Oral）的方式和墙展展出的方式 （Post）。会议的分组和分专业征文往往是根据频率和时间测控技 术领域最新的技术发展趋势来决定的。这里既包括了最传统的晶体 以及振荡器、压电材料、测量比对技术、频率变换与合成、原子频 率标准的技术发展，也包括了频率和时间应用领域的新近发展，如 声表面波振荡器和滤波器、微波振荡器、光频标、GPS和 GLONASS系统、晶体传感器、光振荡器、空间钟、信号处理技术 等。由于会议的影响，能够吸引该领域许多在重要研究工作背景下 高质量的论文。会议讲座 在会议上进行专题讲座活动是IEEE UFFC专业学术会议的 一贯做法。通过讲座的内容，也便于我们掌握国外认可的 本学科发展方向和动态。会议的讲座常常包含了以下几方 面的内容，如相位噪声测量技术、时间和频率传输、石英 晶体标准、被动型原子频率标准、作为物理和生物传感器 的谐振式压电装置、对于频率和时间参考的微机电系统、 声表面波传感器、光频测量与合成等。学生论文竞赛 近年来，在IEEE的频率控制年会上也开始举办由 IEEE UFFC 学会组织的学生论文竞赛。这是按照 会议的内容进行分组的，包括第一组材料；第二 组谐振器与振荡器；第三组授时、原子钟与光频 标；第四组传感器与变换器；第五组生产和实验 技术。从这样的竞赛中我们发现 ，近几年来美国 越来越多的著名大学把自己的研究方向调整到和 时频测 控相关的方面来。这样的学校有麻省理工 学院、普林斯顿大学、科罗拉多大学、JPL实验室 等。这也说明了国际学术界越来越关注时频测 控 领域的研究和发展以及这方面成果的应用。 以原子频标为例，由于大量院校的参加研究所以许多 全新的技术，如超小型的CPT钟、全光频标等的技术 进展很快，而且这方面的论文作为科研成果的体现大 量参加到学生竞赛中。这就使得学生竞赛的水平很高 。我国的院校经过几年的努力后，今年西安电子科技 大学周晖的论文“一种基于长度游标法的时间和频率 测量技术”竞争进入了IEEE UFFC的原子钟与光频标的 学生论文竞赛的决赛。而同时进入这项决赛的还有美 国的麻省理工学院、普林斯顿大学和科罗拉多大学。 这说明了我国在这一领域还有某些研究内容在国际上 处理相对领先的位置。 会议上的展览会 多年来IEEE的频率控制年会上一直同步进行着展览会。许 多国家的频标、检测仪器、晶体和传感器的生产设备制造 厂、材料生产企业等都把他们的产品等带到展览会上展出 。这也给参加会议的代表提供了了解本领域技术的实际进 展以及相应的设备的信息。在原子频标方面，可以明显地 看出国外在精度、可靠性、体积、对于环境的适应性等方 面对于我国技术的领先性。同时也反映了国外本领域技术 的全面发展状况。我们也全面了解了国外原子频标以及其 他研究的通性，这便于我们在进行多方面的开发是能够有 所借鉴。 我们在本领域的工作1、院校的工作、学科专业的划分（国外专业宽-EE、物 理等），从事这方面工作的院校多；2、与国外院校交流的反映；3、纯本方面的计量相关的工作（比相器、一级频标比 对器）；4、与通讯工作的交叉（高分辨率频率计、晶体振荡器 ）；5、进一步的努力方向国内动态及存在问题Group 1: Materials, Resonators, & Resonator Circuits Randy Kubena, Hughes Research Laboratory, USA Dana Weinstein, MIT, USA Aaron Partridge, SiTime Corporation, USA Sheng-Shian Li, National Tsing Hua University, TaiwanGroup 2: Oscillators, Synthesizers, Noise, & Circuit Techniques Wei Zhou, Xidian University, China Vincent Cros, CNRS, France Xianhe Huang, Chengdu University, China Maxim Goryachev, University of Western Australia, Australia2、时频基标准器的发展 从频率的准确度来看，各种原子频标是时频基标准器 的主体。而石英晶体频标由于其优良的短期频率稳定度 而常常成为频率的短期稳定度标准器。近年来光频标也 成了一个新的研究热点。围绕着频率基标准器精度的提 高，作为其基础的、对一系列物理现象的研究所获得的 成果在国际上引起了轰动。近10多年来，有四项与此相关的成果获得了诺贝尔物理奖。 1.1989年Dehmelt等人的离子阱和Remsey的分离场技术 2.1993年Taylor的脉冲星稳定周期 3.1997年朱隶文等人的激光冷却和捕陷原子 4.2001年美国科学家的玻色 爱因斯坦凝聚5、2005年 光频标目前原子频率标准器还是以铯、氢、铷原子频标为主。这些 基标准器不但被用于实验室，而且还被大量用于卫星上及许多使 用场合，发挥着更广泛的作用。激光冷却的铯原子频率标准是近 年来不少国家所致力发展的。目前报道的激光冷却的铯喷泉原子 钟的准确度可以达到 ；而进一步的努力目标是 到 ，这可以由空间钟的方式获得。目前德国的PTB所完成的铯原子 喷泉频率标准CSF1的不确定度可以达到 ，典型的相对频 率不稳定度为 。通过三种频率传送技术，NIST和 PTB之间进行了远距离的比对。这些技术是，双向卫星时间频率 传输（TWSTFT）、GPS载波相位和GPS共视。保守的估计指出 ，TWSTFT 和载波相位技术在频率传输环节中给出 的不 确定度，而GPS共视环节中的不确定度量级为 。 为了获得高的稳定度，国外一些研究机构也致力于激光冷却的 铷原子频率标准的研究。在铷喷泉钟中，其冷碰撞的频率漂移至 少比铯钟小30倍。小的碰撞漂移就允许铷钟工作在更高的密度下 ，因此有更小的投射噪音。光频率标准是时频标准发展的另一个方向。光频标是利用光 频谱线作为参考标准的。由NIST完成的2个全光钟，一个是基于 在一个单的陷阱在 的282纳米的 - 四极跃迁；而另一 个使用了在激光冷却的 原子的集合的657纳米的 - 跃迁。 这些装置利用了一个由cw模锁定的激光和一个微结构的光纤而产 生的自参考频率梳而相位相干地提供一个直接来自于光钟跃迁的 射频输出。 这些装置已经被用来测量NIST认可的SI秒的绝对跃迁频率。频率是 ：Hg = 1,064,721,609,899,140Hz，而Ca = 455,986,240,494,158Hz。 这些测量的短期稳定度是由本地时间刻度的稳定度所控制的。相互 测量时，可以获得 的短期稳定度，这是受到预置的Ca标准 和开路的130米光纤连接到 标准的限制。单离子Hg标准的理论上 的稳定度是 。目前，Ca标准中的相对不确定度是大约受剩 余一次多普勒影响所限制的 。在Hg标准中限制的系统误差是 一个未校正的四极漂移，这在球形的Paul陷阱中可望为 。由 于光频信号比微波波段高大约5个数量级，而谱线宽度又可以压缩 到与微波波段的原子谱线相当，因此光频段的原子谱线有极高的Q 值。从光频标中潜在能够获得的频率准确度可望达到量级 。光频标的发展仍然是各个发达国家所关注的对象，美国 JPL 实验室报道了他们完成的单片全光钟，标志着光频标 有可能在不久将会进入实用阶段。我们也同时注意到了在 光频标的发展中对于稳频光源、光频测量技术还具有更广 泛的技术交叉性和借鉴性。关于光频测量技术近年来有明 显的创新和进步。传统的借助于降频变换的频率链处理光 频测量的方法早已让位于基于微波锁模的光频梳的方法（ 2005年度的IEEE Rabi 奖就在当年的频率控制年会上授给 了开发这项技术的德国科学家，而随后他又获得了当年的 诺贝尔物理奖）。从应用的推广需求出发，利用频率信号 之间相互周期及其相位差变化的规律性进行光频测量应该 是本领域进一步发展的途径之一。另外，应用型的原子频率标准也进一步向着小型化发展。 这对于军事、工程应用等提供了更便捷的手段。美国的微 型原子频率标准做到了物理部分仅仅有9.5立方毫米的大 小，75毫瓦功耗，其秒级频率稳定度为3*10-10。可以想 象，这种小尺寸的原子频率标准对于频标的大量推广，尤 其是在军事中的应用具有很重要的价值。这也预示着高科 技的频标技术将会渗透到国民经济的更多行业中去。随着科学技术、军事需求、工业生产等方面的发展，对原 子频率标准的需求越来越多。所以原子频标的发展不仅仅 表现在高精度方面，而且还注重了小型化、低价格、更广 泛的普及率等。通过与参加会议的美国DATUM的技术、 管理人员的交流，他们生产的商用型铷原子频标在保证高 精度的情况下，价格已经接近于1000美元。这只相当于国 产同类设备价格的一半左右，而且有更小的体积。这反映 了在高技术的领域，国外更注重了多方面竞争力的发展。 这也