GB/T 39724-2020 铯原子钟技术要求及测试方法

ICS17.080

CCSA57GB

中华人民共和国国家标准

GB/T39724-2020

绝原子钟技术要求及测试方法

Technicalspecificationsandtestingmethodsforcesiumatomicclock

2020-12-14发布2021-07-01实施

国家市场监督管理总局申＃

国家标准化管理委员会保叩

GB/T39724-2020

目次

前言…··皿

1范围………··………….1

2规范性引用文件……”…….1

3术语和定义”…………“………·……1

4铠原子钟的分类和组成…··……“………·……2

4.1概述“………3

4.2铠原子钟产品的分类………”………·……3

4.3铠原子钟产品的组成…………”…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

I

GB/T39724-2020

前言

本文件按照GB/T1.12020《标准化工作导则第1部分z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s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

研究院五－0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O三所。

本文件主要起草人z王延辉、张爱敏、焦文海、刘莹、王骥、赵杏文、黄凯。

m

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健原子钟技术要求及测试方法

1范围

本文件规定了铠原子钟（又称铠原子频率标准〉产品的技术要求、测试方法和检验规则．

本文件适用于铠原子钟产品的研制、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/T1002-2008家用和类似用途单相插头插座型式、基本参数和尺寸

GB48242019工业、科学和医疗设备射频骚扰特性限值和测量方法

GB/T4857.23-2012包装运输包装件基本试验第23部分＝随机振动试验方法

GB/T6587-2012电子测量仪器通用规范

GB/T17626.32016电磁兼容试验和测量技术射频电磁场辐射抗扰度试验

GB/T17626.4-2018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/T17626.62017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/T17626.12-2013电磁兼容试验和测量技术振铃波抗扰度试验

GB/T34094-2017信息技术设备功耗测量方法

JIG492-2009铠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m晤时icsensitivity

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2通常以单位高斯变化（每变化1G•）引起设备信号输出特性（相对频率偏差〉变化量来表示．

3.2

频率复现性fr吨nencyrepeatability

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2用两次相对频差表示。

［来源：JJF1180-2007,3.38，有修改］

3.3

频率调整范围fr叩encysettingrange

通过频率调整指令所能实现的频率输出范围。

3.4

频率调整分辨力freqnencysettingresolntion

通过频率调整指令所能实现的频率调整的最小值。

1

GB/T39724-2020

3.5

频率稳定度frequencystability

描述平均频率随机起伏的量。

注z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－

E来源，JJF1180-2007,3.23，有修改］

3.6

温度敏感度temperaturesensitivity

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2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

相对频率偏差relativefrequencyoffset

频率实际值与频率标称值之差。

f-f

注2一般用相对值表示，如偏差y~--T,-'-,fo为标称值ι为实际测得值。

f来源，JJF11802007,3.20，有修改丁

3.8

相位噪声ph田enoise

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z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1

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绝原子钟的分类和组成

4.1概述

铠原子钟是以铠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钝原子相互

作用产生鉴频信号，利用鉴频信号将微波频率锁定在铠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。铠原子钟主要

包括铅原子谐振器、微波频率单元和电路控制单元等组成部分，如图1.

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圈1铠原子钟的基本结构

2

GB/T39724-2020

4.2锦原子钟产晶的分类

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，绝原子钟可分为磁选态绝原子钟、光拙运铠原子钟和磁选态光检测铠原子钟三类。磁选态铠原子

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p光抽运铠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；磁选态光检测铠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，饱原子钟可分为标准型铅原子钟和高性能型饱原子钟两类。

4.3锦原子钟产晶的组成

4.3.1铠原子谐振器

铠原子谐振器是错原子钟的核心部分，主要用于在高真空的环境下产生准直的铅原子束。在饱原

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。铠原子谐振

器还包含态检测装置，用于将原子束的状态转化为电信号。在磁选态饱原子钟中，应内置离化丝、电子

倍增器等态检测装置g对于光拍运绝原子钟和磁选态光检测铠原子钟，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人铠原子振荡器的微波谐振腔中。

4.3.3电路控制单元

电路控制单元对铠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铠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铠原子钟的

状态信息。

4.3.4光学单元

在光抽运佬原子钟中，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。

在磁选态光检测铠原子钟中，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

铠原子钟应具备以下功能E

a)信号输出，铠原子钟需能够输出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，铅原子钟在开机或断电重启的情况下能自动实现闭环锁定s

c)频率调整功能，铠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6

d)外同步功能，铠原子钟应具备通过外部lPPS信号进行频率信号同步的功能s

e)远程监控功能，铠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，铠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。

3

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5.2性能要求

铅原子钟产品应满足如表1性能要求。

表1铠原子钟产晶性能指标要求

指标要求

序号性能

标准型高性能型

1

相对频率偏差

优于土lE-12·优于土5E-13'

2优于土lE-11"

频率调整范围

3<lE-15

频率调整分辨力

4ζ2El3

频率复现性

510MHz,5MHzE弦信号幅度13dBm土1dBm（阻扰50m

6谐波失真(10MHz,5MHz)sζ－40dBc

7非谐波失真00MHz、5MHz)<-80dBc

高电平电压v，满足2.4vζv，《5.0v

81PPS信号幅度低电平电压v，满足0.0v<v,<0.7v

〈阻抗50m

9IPPS信号宽度20阳土1阳

10运5ns

1PPS信号上升时间

11IPPS信号抖动<1nsRMS

121优于士50ns

PPS信号同步误差

131<1ns

PPS信号相位一致性

高性能型

标准型

温度敏感度

14

(18℃～28℃）

ζlE13／℃运5E14／℃

15磁场敏感度（O～2Gs)<2E13/Gs

16<60min

锁定时间

a相对频率偏差优于±lE-12指－lE-12至lE-12范围内的相对频率偏差满足指标要求．

b相对频率偏差优于±5E-13指－5E-13至5E-13范围内的相对频率偏差满足指标要求．

e频率调整范围优于士lE-11指频率正向、负向调整范围应太于lE-11.

输出10MHz信号应满足如表2的频率稳定度要求和表3的单边带相位噪声要求。

表2铠原子钟产晶频率稳定度指标要求

取样时间高性能型

标准型

IsζI.ZR11<5.0E12

10s<8.5E-12<3.5E-12

100s<2.7E-12<8.5E-13

I000s运8.5E-13运2.7E-13

4

GB/T39724-2020

表2（续）

取样时间标准型高性能型

10000s<2.7E13<8.5E14

100000s<8.SE-14骂王2.7E-14

5dζ5.0E-14骂王1.0E-14

表3铠原子钟产品相位噪声指标要求

傅里叶频率f£(/)

1Hz运－100dBc/Hz

10Hz<130dBc/Hz

100Hzζ－145dBc/Hz

1kHz三三150dBc/Hz

10kHzζ－154dBc/Hz

100kHzζ－154dBc/Hz

5.3电气特性

锥原子钟产品应满足如表4的电气特性要求。

表4铠原子钟产品电气特性要求

序号电气性能路数接口

1频率信号输出注2N型母头csom

2秒脉冲信号输出(1PPS)32BNC母头csom

31PPS同步信号输入BNC母头csom

注1

5.4通信功能要求

5.4.1通信接口与功能要求

铠原子钟应具备RS-232C异步串口通信功能，包括编号设置、频率微词、输出频率选择、1PPS同

步、lPPS输出相位调整、1PPS输出宽度调整及监控状态查询功能。

5.4.2通信速率与字节帧结构

波特率采用115200；字节帧结构为1个起始位“0”，8个数据位，1位停止位“1”，元奇偶校验位g低

位在前，高位在后。如表5.

5

GB/T39724-2020

表5RS←232C异步串口通信速度和字节帧结构

数据位停止位

波特率起始位校验位

1152CO

1位8位1位

元

5.4.3数据帧格式说明

完整的一帧数据由帧头、设备编号、命令编号、数据长度、数据内容、检验和帧尾组成，具体要求见

图z.

圄2铠原子钟与上位机通信帧格式

以下对各字节内容进行具体说明＝

a)帧头z帧头在每个数据帧的开始部分，由二个字节组成，固定为他Z3,0x24,

b）设备编号＝由一个字节组成，范围为0～255。饱原子钟接收到的设备编号与锥原子钟的设备

编号一致时，该命令帧有效。编号为255时，仅更改铠原子钟的设备编号和查询铠原子钟的设

备编号时有效。

c)命令编号g用于选取命令，长度为1字节。

d)长度＝用于表征传输数据内容的长度N，以字节为单位；根据不同的命令编号，数据长度不同。

e)数据·一帧命令中需要传输的真实数据．真实数据采用大端格式进行传输，即高字节在前，低

字节在后。根据不同的命令编号，数据内容不同。

。校验z由一个字节组成，检验值为数据内容进行异或操作的结果。

g)帧尾2由三个字节组成，固定为OxZl,OxZO.

5.5供电要求

铠原子钟应满足以下供电要求＝

a)电压额