使用微型原子鐘可以使依賴GPS的設備按比例縮小

作者/ Ramki Ramakrishnan 美高森美公司時鐘業(yè)務部產品線管理和業(yè)務開發(fā)總監(jiān)

摘要：本文介紹了微型原子鐘的技術性能及其應用實例，并就OCXO、CSAC、MAC等技術進行了對比，分析了各技術的適用場景。

　　在許多方面，電子產品的創(chuàng)新發(fā)展一直是微型化。為了重新確認摩爾定律，設計人員日益在更小、更輕且更節(jié)能的電子產品內集成更多特點、功能和性能。但是，原子鐘卻是例外。原子鐘是電子器件在GPS信號丟失時，用于訪問正確時間的器件。

　　在推出微型原子鐘(MAC)進行守時之前，設計人員能夠采用的最好時鐘是恒溫晶體振蕩器(OCXO)。與原子鐘相比，這種晶體振蕩器的尺寸更小、重量更輕且功耗更低，但是，其準確性和精確性較差，唯一的選擇是采用在擴展性和便攜性方面具有明顯局限性的原子鐘。MAC并非尺寸更小的同類時鐘，它是一種不同的時鐘。這種時鐘的重新發(fā)明能夠應對一系列全新的應用情況。

定時質量測量

　　就定時而言，準確性(accuracy)和精確性(precision)是兩個基本的質量測量指標：

　　1)如果時間與標準時間(例如，銫標準或GPS時間)一致，則這個時鐘是準確的;

　　2)如果其滴答之間的間隔( 振蕩頻率)與標準時鐘的間隔(即使標準時鐘不準確)一致，則這個時鐘是精確的。

　　精確性的嚴格指標是同步性(synchronicity)，這是一種在環(huán)境中發(fā)生滴答的同步性測量指標。需要同步性的應用范例是雷達。為了獲得掃描物體的清晰圖像，接收物體彈回信號的接收器需要了解相關脈沖從發(fā)射器發(fā)送的準確瞬間。

SWaP

　　任何定時微型化面臨的挑戰(zhàn)之一，就是時鐘的尺寸、重量和功耗(SWaP)是否滿足給定應用的需求。例如，銫芯片級原子鐘(CSAC)是目前市場上尺寸最小的原子鐘，它的規(guī)格是41mm×35mm× 11mm，重量小于35克，25oC時的功耗小于120mW。與此相反，銣MAC的功耗是5W，是繼CSAC之后功耗最低的(然而，它的功耗比CSAC高40倍)。在推出MAC之前，12W標準銣時鐘是具有類似性能但功耗最低的時鐘。

　　SWaP值較小的好處是顯而易見的。現(xiàn)在，需要外部電源的器件可以采用電池供電，不需要散熱器。另外，個人或無人機可以攜帶以前必須固定或要以卡車運載的器件。

　　另一個挑戰(zhàn)是時鐘是否足夠準確和精確。只有在滿足應用對準確性和精確性的要求時，SWaP的減少才有意義。如果應用的GPS接入丟失，所有時鐘若不再參考外部時間來源，便會全部開始漂移。這種現(xiàn)象被稱為老化，這是評價時鐘對應用的適合性時應考慮的一個重要方面。

　　影響老化的關鍵因素是溫度。在極端環(huán)境(如沙漠、高海拔或海中)中使用時，由于溫度的變化，定時錯誤率的增加和與溫度相關的錯誤數量稱為溫度系數(tempco)。

　　表1比較了OCXO、CSAC、MAC和標準銣振蕩器的關鍵性能指標。

　　市場上提供各種規(guī)格的時鐘(如表1所示)，表明現(xiàn)在設計人員能夠以各種方式和在各種地點使用準確和精確的定時。但是，你還是要依據說明，應仔細分析和選擇滿足應用要求的時鐘。例如，以標準銣時鐘代替OCXO通常不可行，因為標準銣時鐘并不適合OCXO的外形尺寸。CSAC或MAC主要適用于：

　　1)更大的便攜性：設備可以更小、更輕、電池運行時間更長(同樣更小和更輕)，且可在極端溫度條件下工作;

　　2)定時性能更好：應用可以采用更好的定時精確性和準確性。

　　選擇的重點通常在CSAC的更低功耗和重量(在較小程度上)，及失去GPS時MAC卓越的老化性能之間。

秘密武器：同調性聚量捕捉(CPT)

　　銣原子鐘和銫原子鐘的工作原理是光學檢測微波合成器激發(fā)氣體的共振頻率。大時鐘與小時鐘的區(qū)別在于氣體激發(fā)方式。在傳統(tǒng)銫時鐘和銣時鐘中，氣體在管內(如熒光燈)激發(fā)，而在更小的時鐘中，氣體在比燈小得多的垂直表面發(fā)射激光器(VCSEL) ── 鏤空硅立方體中激發(fā)。CPT涉及微波合成器聚量在共振中氣體原子內，在被光學檢測器接收之前如何被穿過VCSEL的同調性激光束檢測。

適合銣原子鐘的應用場景

蜂窩基站

　　銣原子鐘滿足4G/LTE基站高達24小時(3G和4G甚至更長)的嚴格定時要求。此外，銣原子鐘的老化性能確保保持時間更長，意味著即使同步參考丟失，網絡依然能夠保持工作較長時間。與標準銣時鐘相比，MAC的功耗更低(5W對比10W)，亦導致功率和總體熱密度更低，減少了對外部冷卻的需求，同時提高了電子產品的可靠性并縮小了其尺寸。考慮到這些基站通常工作的環(huán)境，溫度系數低也非常關鍵。

雷達基站

　　雷達需要在發(fā)射器和接收器信號之間精確同步，與蜂窩基站相類似，在雷達系統(tǒng)中，微型化銣時鐘的應用正在逐步取代OCXO。此外，雷達也從該技術的更低功耗中受益。

適合CSAC的應用場景

拆卸式智能電子設備(IED)干擾器

　　低功耗對要求規(guī)格小、重量輕且采用電池供電的拆卸式IED干擾器來說非常關鍵。但是，它們還必須足夠精確，僅干擾IED信號，而不干擾簡單的通信。干擾信號必須嚴格同步，允許信號中的預定時隙(稱為查看窗口)，從而允許簡單通信通過。

拆卸式軍用電臺

　　便攜性和高同步精確性非常重要，特別是需要更高帶寬波形來處理視頻和其它數據較多的編碼信號時。

戰(zhàn)術無人機(UAV)

　　除依賴GPS(或時鐘保持)導航之外，無人機還需要精確的定時用于其豐富的數據編碼和視頻通信。它們的尺寸、重量和功耗方面也為設計人員帶來挑戰(zhàn)。

海底震測感應

　　海底傳感器用于測定從船只發(fā)出的聲波脈沖反射地下材料和返回海床所需的時間。然后，傳感器柵格把這些時間測定差用于反映地層(如石油礦床)。水下無法提供GPS精確同步，因此，對布置在海底的傳感器來說，保持時間長和低溫度系數是非常重要的因素。

　　本文來源于《電子產品世界》2017年第8期第26頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。