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務部產品線管理和業務開發總監

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，電子產品的創新發展一直是微型化。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)，這是一種在環境中發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射器發送的準確瞬間。

SWaP

　　任何定時微型化面臨的挑戰之一，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。

　　市場上提供各種規格的時鐘(如表1所示)，表明現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氣體的共振頻率。大時鐘與小時鐘的區別在于氣體激發方式。在傳統銫時鐘和銣時鐘中，氣體在管內(如熒光燈)激發，而在更小的時鐘中，氣體在比燈小得多的垂直表面發射激光器(VCSEL) ── 鏤空硅立方體中激發。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境，溫度系數低也非常關鍵。

雷達基站

　　雷達需要在發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。

海底震測感應

　　海底傳感器用于測定從船只發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。