[惯性技术之窗] 芯片级原子钟(CSAC)——目前最小军民两用原子钟(二)
[惯性技术之窗] 芯片级原子钟（CSAC）——目前最小军民两用原子钟（二）
（继续）世界上首款芯片级原子钟CSAC SA.45 CSAC SA.45s采用CPT现象解调原子频率，并通过新颖的电子结构，实现了小型化和低功耗的芯片级原子钟。SA.45s 电路系统包含低功耗数字信号处理器、高分辨率微波合成器和模拟信号处理。微波输出源自可调谐的晶体振荡器，并施加到物理表头内的激光上，以便产生 CPT 解调所需的两个边带。在通过铯蒸汽原子气室后，光电探测器检测发射过来的激光。基于所测量的原子响应，微处理器调整了晶体振荡器的频率。 物理系统（图 10）中包含了“中心叠层”和“热绝缘系统”。中心叠层包含VCSEL、原子气室和光电二极管。从 VCSEL发出的激光在通过原子气室前，会因为通过单元间隔柱而发散，并在光电探测器上被检测。 图10 CSAC SA.45s物理表头及在电路系统中的位置 热绝缘系统的功能主要是支撑中心叠层，同时为周围环境提供高度的隔热，最大限度地减小所需要的加热器功率。热绝缘系统包含上下悬架和真空封装。真空封装消除了由于气体导热和对流而产生的热损失。通过悬架设计，使导热造成的热损失减少到最小。上下悬架由一层薄的聚酰亚胺薄膜制成，带有金属图案导线，可与中心叠层来回发送信号。
中心叠层需要悬挂在两个聚酰亚胺“圆柱头”之间。这种结构非常牢固，能够承受超过 1000g （1ms 半正弦波的机械冲击，并提供极高的热阻（>5000℃/W）。此外，将电气连接图案印在聚酰亚胺上，无需机械支持，因此它们的尺寸由电气要求而不是机械要求来确定，从而减少了由于热通过连接传导而产生的热负荷。 芯片级原子钟的应用
鉴于芯片级原子钟的性能基准，目前“最适合” 芯片级原子钟的应用将是：海底地震感测。在海底地震感测技术中，多种水下传感系统都依赖于精确定时的有效性。由于在水下难以从 GPS 获得精确的时间，因此这类传感器通常会依赖于 恒温晶振，用以从传感器内获得稳定和准确的时间戳。石油和天然气勘探公司在海床设下地球物理传感器网（图11）来帮助确定石油矿床的可能位置。传感器可以落在船舷边上或通过遥控飞行器来铺设。每个传感器通常包括一个水诊器、一个地震检波器，以及一个恒温晶振或恒温晶振用以按时间来标识其它两个设备接收的数据。传感器可以是单独或用电缆来连接一排传感器。 图11 反射地震学应用
一旦传感器布置到位，强大的气枪或一组气枪可以从船上发射声音脉冲。船移动的方式可允许气枪从相对于传感器网的许多不同角度发射。某些脉冲能量会从海床反射回海面，但
其余的会穿透海床，经过岩石底层，最终反射回传感器，并进行时间标识。当船只完成了预先规划的移动方式，便会将传感器连同时间标识数据一起取回。由于声音脉冲会随着不同的材料以不同的速度穿行，所以“反弹” 的时间会根据脉冲穿过的不同材料而有所不同。当这个定时数据经过处理后，便会形成一个海床岩层和沉积物图片，显示出在哪里很可能有石油或天然气沉积物的地点。芯片级原子钟相对于目前使用的恒温晶振或温补晶振，可以极大地改进准确性，降低成本并减少温度对传感器系统的影响，具体表现为：1）通过降低老化率提高准确性在典型部署期间，传感器可以一次在水下呆几个星期，这是因为船和船员需要部署传感器并进行测量，而要取回传感器不一定能预先做出最佳安排。此外，坏天气也会引起延误。在整个部署中，传感器中的恒温晶振在老化，会导致时间戳误差，与水下时间的平方成比例而变化。芯片级原子钟的低老化率是良好的恒温晶振 的1/100，能大大减少时间戳误差。2）通过降低功耗来降低成本在这些水下传感器中，电池通常是最大的开支，而在一个典型网络中，传感器的数量（包括电池）也不断增加。因为芯片级原子钟消耗的功率仅为恒温晶振的十分之一或二十分之一，它只需要极小的电池电源，这意味着更小和更低成本的传感器。作为替代选择，传感器制造商可以选择保留现有电池容量并使用芯片级原子钟来制造具有更长工作寿命
的传感器。3）频率随温度偏移较少大多数海洋地球物理传感器在放进海里之前，都会在船甲板上与GPS进行校准。因为海底的海水温度通常只有零上几度，传感器与其校准温度相比可能会有30℃或以上的温度变化，导致频率偏移和时间上的线性误差。某些传感器使用软件模式来纠正这个误差，但最好的方法是从一开始就使误差变最小。芯片级原子钟在整个温度范围内采用±5.0x10-10的温度系数，可以提供较通常用于这个应用的其它恒温晶振或恒温晶振多达10到1000倍的改进。 此外，芯片级原子钟还将在以下方面具有较高的应用前景： 微纳卫星（图12所示） 图12 芯片级原子钟在微纳卫星中的应用 军用手持式 GPS 设备（图13所示） 图13 手持式GPS设备
战术无人机 （图14所示） 图14 战术无人机
增强GPS接收机性能（图15所示） 图15 芯片级原子钟增强GPS接收机性能 电网组网（图16）
图16 芯片级原子钟在电网组网中的应用
