路径: 主页 > GB/T > 第665页 > GB/T 39724-2020 | 标准编号 | GB/T 39724-2020 (GB/T39724-2020) | | 中文名称 | 铯原子钟技术要求及测试方法 | | 英文名称 | Technical specifications and testing methods for cesium atomic clock | | 行业 | 国家标准 (推荐) | | 中标分类 | A57 | | 国际标准分类 | 17.080 | | 字数估计 | 25,246 | | 发布日期 | 2020-12-14 | | 实施日期 | 2021-07-01 | | 标准依据 | 国家标准公告2020年第28号 | | 发布机构 | 国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会 | GB/T 39724-2020
Technical specifications and testing methods for cesium atomic clock
ICS 17.080
CCSA57
中华人民共和国国家标准
铯原子钟技术要求及测试方法
2020-12-14发布
2021-07-01实施
国 家 市 场 监 督 管 理 总 局
国 家 标 准 化 管 理 委 员 会 发 布
目次
前言 Ⅲ
1 范围 1
2 规范性引用文件 1
3 术语和定义 1
4 铯原子钟的分类和组成 2
4.1 概述 3
4.2 铯原子钟产品的分类 3
4.3 铯原子钟产品的组成 3
5 技术要求 3
5.1 功能要求 3
5.2 性能要求 4
5.3 电气特性 5
5.4 通信功能要求 5
5.5 供电要求 6
5.6 外观要求 6
5.7 尺寸和质量要求 6
5.8 功耗要求 7
5.9 环境适应性 7
5.10 电磁兼容性 7
5.11 可靠性和维修性要求 7
6 测试方法 7
6.1 测试环境条件 7
6.2 测试仪器 7
6.3 测试方法 9
7 检验规则 18
7.1 检验规则说明 18
7.2 鉴定检验 18
7.3 出厂检验 18
7.4 检验项目 18
参考文献 21
前言
本文件按照GB/T 1.1-2020《标准化工作导则 第1部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定
起草。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。
本文件由中央军委装备发展部提出。
本文件由全国北斗卫星导航标准化技术委员会(SAC/TC544)归口。
本文件起草单位:北京大学、中国计量科学研究院、中国卫星导航工程中心、中国航天科技集团第五
研究院五一〇所、成都天奥电子股份有限公司、中国航天科工集团第二研究院二〇三所。
本文件主要起草人:王延辉、张爱敏、焦文海、刘莹、王骥、赵杏文、黄凯。
铯原子钟技术要求及测试方法
1 范围
本文件规定了铯原子钟(又称铯原子频率标准)产品的技术要求、测试方法和检验规则。
本文件适用于铯原子钟产品的研制、生产与验收。
2 规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文
件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于
本文件。
GB/T 1002-2008 家用和类似用途单相插头插座 型式、基本参数和尺寸
GB 4824-2019 工业、科学和医疗设备 射频骚扰特性 限值和测量方法
GB/T 4857.23-2012 包装 运输包装件基本试验 第23部分:随机振动试验方法
GB/T 6587-2012 电子测量仪器通用规范
GB/T 17626.3-2016 电磁兼容 试验和测量技术 射频电磁场辐射抗扰度试验
GB/T 17626.4-2018 电磁兼容 试验和测量技术 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验
GB/T 17626.6-2017 电磁兼容 试验和测量技术 射频场感应的传导骚扰抗扰度
GB/T 17626.12-2013 电磁兼容 试验和测量技术 振铃波抗扰度试验
GB/T 34094-2017 信息技术设备功耗测量方法
JJG492-2009 铯原子频率标准检定规程
3 术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。
3.1
磁场敏感度 magneticsensitivity
设备在正常工作的磁场环境范围内,其输出特性随磁场变化的程度。
注:通常以单位高斯变化(每变化1Gs)引起设备信号输出特性(相对频率偏差)变化量来表示。
3.2
频标工作一段时间关机后,下次再开机达到稳定后,频率值与上次关机时频率值的一致程度。
注:用两次相对频差表示。
[来源:JJF1180-2007,3.38,有修改]
3.3
通过频率调整指令所能实现的频率输出范围。
3.4
通过频率调整指令所能实现的频率调整的最小值。
3.5
频率稳定度 frequencystability
描述平均频率随机起伏的量。
注:平均时间称为取样时间。不同的稳定度度量值对应不同的取样时间。
[来源:JJF1180-2007,3.23,有修改]
3.6
设备在正常工作的温度范围内,其输出特性随温度变化的程度。
注:通常以单位温度变化(每变化1℃)引起设备信号输出特性(相对频率偏差)变化量来表示。
3.7
频率实际值与频率标称值之差。
注:一般用相对值表示,如偏差y=
fx-f0
f0
,f0 为标称值,fx 为实际测得值。
[来源:JJF1180-2007,3.20,有修改]
3.8
相位噪声 phasenoise
单边带偏离信号载频处单位带宽(取1Hz)内功率与载频功率之比。
注:单位为dBc/Hz。偏离载频的偏离值称为傅里叶频率,一般取1Hz~100kHz。
[来源:JJF1180-2007,3.31,有修改]
3.9
谐波失真 harmonicdistortion
目标谐波的均方根值与信号电平均方根值的比值。
4 铯原子钟的分类和组成
4.1 概述
铯原子钟是以铯原子束为频率参考的被动原子频率标准,其工作原理是利用微波场与铯原子相互
作用产生鉴频信号,利用鉴频信号将微波频率锁定在铯原子基态的超精细能级上,从而实现基准频率信
号的输出,输出信号与原子跃迁频率具有同等水平的相对频率偏差和长期稳定度特性。铯原子钟主要
包括铯原子谐振器、微波频率单元和电路控制单元等组成部分,如图1。
4.2 铯原子钟产品的分类
为了实现对微波作用后原子状态的检测,需要对原子束进行态制备。按原子态制备和检测方法的
不同,铯原子钟可分为磁选态铯原子钟、光抽运铯原子钟和磁选态光检测铯原子钟三类。磁选态铯原子
钟采用选态磁铁产生的非均匀磁场进行原子态制备,并采用热丝离化与电子倍增器放大技术检测原子
态获得鉴频信号;光抽运铯原子钟采用激光抽运技术进行原子态制备、采用激光诱导荧光检测技术检测
原子态;磁选态光检测铯原子钟采用选态磁铁产生的非均匀磁场进行原子态制备、采用激光诱导荧光检
测技术检测原子态。
按照性能指标要求的不同,铯原子钟可分为标准型铯原子钟和高性能型铯原子钟两类。
4.3 铯原子钟产品的组成
4.3.1 铯原子谐振器
铯原子谐振器是铯原子钟的核心部分,主要用于在高真空的环境下产生准直的铯原子束。在铯原
子谐振器中内置微波谐振腔,当原子束经过谐振腔时,原子束与微波场相互作用发生跃迁。铯原子谐振
器还包含态检测装置,用于将原子束的状态转化为电信号。在磁选态铯原子钟中,应内置离化丝、电子
倍增器等态检测装置;对于光抽运铯原子钟和磁选态光检测铯原子钟,应内置荧光检测装置。
4.3.2 微波频率单元
微波频率单元主要包括压控晶体振荡器和微波频率综合部分,微波频率综合部分将压控晶体振荡
器的输出信号进行倍频和调制,产生微波激励信号馈入铯原子振荡器的微波谐振腔中。
4.3.3 电路控制单元
电路控制单元对铯原子谐振器输出的误差信号进行处理,并输出到微波频率单元,从而实现对压控
晶体振荡器的闭环锁定。
电路控制单元同时对铯原子钟的各部分工作状态进行监控,通过与上位机的通信输出铯原子钟的
状态信息。
4.3.4 光学单元
在光抽运铯原子钟中,光学单元输出两束激光分别对原子束进行态制备和态检测。
在磁选态光检测铯原子钟中,光学单元输出一束激光对原子束进行态检测。
5 技术要求
5.1 功能要求
铯原子钟应具备以下功能:
a) 信号输出,铯原子钟需能够输出10MHz正弦信号及1PPS脉冲信号,可输出5MHz正弦
信号;
b) 自动闭环锁定功能,铯原子钟在开机或断电重启的情况下能自动实现闭环锁定;
c) 频率调整功能,铯原子钟应可以通过控制面板或者调整指令实现输出频率调整;
d) 外同步功能,铯原子钟应具备通过外部1PPS信号进行频率信号同步的功能;
e) 远程监控功能,铯原子钟应可以利用监控端口,通过产品对应指令实现远程监控功能;
f) 故障检测功能,铯原子钟应具备故障自检、故障报警以及工作参数信息上传的功能。
5.8 功耗要求
铯原子钟应满足以下功耗要求:
a) 峰值功耗:≤150W;
b) 平均功耗:≤110W。
5.9 环境适应性
铯原子钟产品应满足以下环境适应性要求:
a) 储存温度范围,满足-20℃~50℃范围内储存的条件;
b) 工作温度范围,满足18℃~28℃范围内正常工作;
c) 运输,可满足航空、公路及铁路运输要求,通过按GB/T 4857.23-2012要求的振动试验。
5.10 电磁兼容性
产品应满足以下电磁兼容性要求:
a) 10kHz~10MHz电源线传导发射特性,应满足GB 4824-2019的要求;
b) 10kHz~400MHz电缆束注入传导敏感度,应满足GB/T 17626.6-2017的要求;
c) 电缆束注入脉冲激励传导敏感度,应满足GB/T 17626.4-2018的要求;
d) 10kHz~100MHz电缆和电源线阻尼正弦瞬变传导敏感,应满足GB/T 17626.12-2013的
要求;
e) 10kHz~18GHz电场辐射发射,应满足GB 4824-2019的要求;
f) 10kHz~40GHz电场辐射敏感度,应满足GB/T 17626.3-2016的要求。
5.11 可靠性和维修性要求
铯原子钟应满足以下可靠性和维修性要求:
a) 平均故障间隔时间(MTBF)≥20000h;
b) 寿命要求,标准型铯原子钟寿命≥8年,高性能型铯原子钟寿命≥5年;
c) 平均故障修复时间(MTTR)≤48h。
6 测试方法
6.1 测试环境条件
除另有规定外,测试应在下列条件下进行:
a) 温度:18℃~28℃,测试期间温度最大允许变化±1℃;
b) 相对湿度:10%~60%;
c) 气压:30kPa~300kPa;
d) 环境磁场:≤2Gs;
e) 电源:电压220(1±10%)V,频率50(1±2%)Hz;
f) 测试所用仪器、仪表、设备应经过检定或校准,满足测量要求并在有效期内。
6.2 测试仪器
6.2.1 参考频标
用于铯原子钟指标测试的参考频标应满足以下要求:
a) 输出频率包括5MHz、10MHz;
b) 频率稳定度优于被测铯原子钟同样取样时间频率稳定度的1/3;
c) 相对频率偏差比被测铯原子钟优于一个量级;
d) 相位噪声比被测铯原子钟相应频偏处的相位噪声小10dB。
参考频标可以选用一个或多个。
6.2.2 频标比对器
用于铯原子钟指标测试的频标比对器应满足以下要求:
a) 输入频率,支持5MHz和10MHz;
b) 比对不确定度优于被测铯原子钟相同取样时间频率稳定度的1/3。
6.2.3 相位噪声测量装置
用于铯原子钟指标测试的相位噪声测量装置应满足以下要求:
a) 输入频率,支持5MHz和10MHz;
b) 傅里叶频率范围,可达1Hz~100kHz;
c) 相位噪声本底,比被测铯原子钟在相应傅里叶频率点的相位噪声小10dB。
6.2.4 频谱分析仪
用于铯原子钟指标测试的频谱分析仪应满足以下要求:
a) 频率范围覆盖1MHz~50MHz;
b) 动态范围:≥100dB。
6.2.5 示波器
用于铯原子钟指标测试的示波器应满足以下要求:
a) 带宽:≥1GHz;
b) 采样率:≥3GHz。
6.2.6 时间间隔计数器
用于铯原子钟指标测试的时间间隔计数器应满足以下要求:
a) 时间间隔范围在1ns~1s;
b) 最大允许误差为±1ns;
c) 触发电平在(0~5)V范围内连续可调,并能指示电平值;
d) 具备外接频标功能。
6.2.7 秒脉冲(1PPS)发生器
用于铯原子钟指标测试的秒脉冲发生器应满足以下要求:
a) 脉冲幅度≥2.4V,满足TTL电平要求(阻抗50Ω);
b) 脉冲宽度:≥100ns;
c) 脉冲上升时间:< 5ns;
d) 具备外接频标功能。
6.2.8 高低温试验箱
用于测试铯原子钟的温度敏感度、储运温度范围、工作温度范围等指标或特性的高低温试验箱应满
6.3.2 性能测试
6.3.2.1 相对频率偏差
按JJG492-2009中6.2.2.6规定的方法进行测试。
6.3.2.2 频率调整范围
将铯原子钟的相对输出频率调整量设置为+1E-11,按JJG492-2009中6.2.2.7规定的方法进行
测试;再设置为-1E-11,按JJG492-2009中6.2.2.7规定的方法进行测试。
6.3.2.3 频率调整分辨力
被测铯原子钟标定的频率调整分辨力记为δy,将被测铯原子钟的相对输出频率调整量设置为频率
调整分辨力的c倍,使得相对输出频率设置为c·δy≥1E-13,按JJG492-2009中6.2.2.7规定的方法
进行测试。
6.3.2.4 频率复现性
铯原子钟开机锁定后,运行0.5h(或按说明书给定运行时间),按直接测频法(见JJG492-2009)测
量相对频率偏差,测试时间为24h,测得相对频率偏差y1(τ);关机24h,再次开机锁定后,运行0.5h
(或按说明书给定运行时间),测量相对频率偏差,测试时间为24h,测得相对频率偏差y2(τ),按式(1)
计算频率复现性R:
R=|y2(τ)-y1(τ)| (1)
式中:
R ---频率复现性;
y1(τ)、y2(τ)---关机前后的相对频率偏差值;
τ ---取样时间。
6.3.2.5 频率稳定度
按JJG492-2009中6.2.2.4规定的方法,测试取样时间1s~100000s频率稳定度;取样时间为
5d的频率稳定度可以采用至少10个数据点计算(对应连续测量时间不少于50d)。
6.3.2.6 相位噪声
按JJG492-2009中6.2.2.5规定的方法进行测试。
6.3.2.7 频率输出信号幅度
按JJG492-2009中6.2.2.2规定的方法进行测试。
6.3.2.8 谐波失真
按JJG492-2009中6.2.2.3规定的方法进行测试。
6.3.2.9 非谐波失真
按JJG492-2009中6.2.2.3规定的方法进行测试。
6.3.2.10 1PPS信号幅度
按JJG492-2009中6.2.2.8规定的方法进行测试。
信协议用上位机与铯原子钟进行通信,各通信功能测试方法见6.3.4.2~6.3.4.8。
6.3.4.2 编号设置测试
采用铯原子钟状态监控上位机,更改设备编号、查询设备编号。设备编号可查询,查询结果与更改
的设备编号一致,应满足5.4的要求。
6.3.4.3 频率微调测试
采用铯原子钟状态监控上位机,更改铯原子钟的输出频率正向微调100μHz,采用6.3.2.1的测试
方法,测试微调输出频率前,后微调输出频率后的频率相对偏差,偏差值等于100μHz。
查询频率微调参数,应与设置值一致。
6.3.4.4 输出频率选择测试
采用铯原子钟状态监控上位机,更改铯原子钟的输出频率,选择5MHz输出,或者10MHz输出,
采用6.3.1.1的测试方法,铯原子钟频率输出的5MHz/10MHz信号与设置值一致。
查询频率选择参数,应与设置值一致。
6.3.4.5 1PPS同步测试
采用6.3.1.4的测试方法,通过铯原子钟状态监控上位机,下发1PPS同步命令,能实现同步功能并
应满足同步指标。
6.3.4.6 1PPS输出相位调整测试
采用铯原子钟状态监控上位机,更改铯原子钟的输出1PPS的相位,采用6.3.2.14的测试方法,测
试同步误差,多次更改并多测试测试,记录相对同步误差,相对同步误差满足1PPS相位更改参数。
查询1PPS输出相位调整参数,应与设置值一致。
6.3.4.7 1PPS输出宽度测试
采用铯原子钟状态监控上位机,更改铯原子钟的输出1PPS的脉冲宽度,采用6.3.2.11的测试方
法,测量1PPS输出宽度,应与更改参数一致。
查询1PPS输出宽度,应与设置值一致。
6.3.4.8 监控状态查询
采用铯原子钟状态监控上位机,查询铯原子钟状态,铯原子钟应能正常返回状态参数,并且锁定。
6.3.5 电源适应性测试
按GB/T 6587-2012中5.12的规定进行。
6.3.6 外观测试
按GB/T 6587-2012中5.3的规定进行。
6.3.7 尺寸和重量
按GB/T 6587-2012中5.4的规定进行。
6.3.8 功耗
按GB/T 34094-2017中4.5的规定进行。
6.3.10......
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