时间频率行业的技术水平和技术特点
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经过长期的发展和积累,近几年来在国家大力支持下,在守时技术和授时技术等若干领域已经取得了长足进展,部分领域已达国际先进水平,我国的时间频率行业满足了国防科技和国民经济的部分基本需求,但部分原子钟和中高端晶体器件仍对国外有较大的依赖,亟需加快国产化和产业化水平。
我国时间频率行业的核心产品的技术水平和技术特点如下:
1、原子钟的技术水平及技术特点
铯原子钟:铯原子钟具有频率准确度高和频率稳定度好且无长期频率漂移的显著特点,是国际上守时应用最多的原子钟,从技术实现上分为磁选态铯钟和激光抽运铯钟两大类。由于磁选态铯钟的电子倍增器受基础材料和工艺的制约,目前全世界仅美国的Symmetricom公司、瑞士的OSA公司能批量生产。尽管国内相关研究单位开展了几十年的研制,也取得了一定程度的进展,但一直未能实现工程化产品,导致我国工程用铯原子钟全部依赖进口。随着激光技术的发展,采用激光检测技术可避免电子倍增器技术颈瓶,可大大提高铯原子钟的使用寿命,激光抽运铯钟已成为铯原子钟的发展方向。在国家科技部、总装备部的立项支持下,国内北京大学、天奥电子等单位开展了激光抽运铯原子钟研究工作,其中天奥电子获得国家科技部“2012年重大科学仪器设备开发专项”支持并已实现工程化样机。
铷原子钟:铷原子钟是目前工程应用最广泛的原子钟,与铯钟、氢钟相比,铷钟具有体积小、重量轻、环境适应性强的优势。铷钟的发展方向主要是高性能和小型化。高性能方面,主要以星载、弹载、机载等类型铷钟为代表,小型化铷钟则被广泛应用于数字通信、电力同步、高速交通等民用领域。国外铷钟生产主要集中在美国的Symmetricom公司、FEI公司、瑞士的SpectraTime公司和俄罗斯的Kvarz公司等。国内从事原子钟研究的主要有北京大学、武汉物数所、航天203所和天奥电子等单位,整体技术水平已达国际先进水平。其中北京大学、武汉物数所、航天203所主要开展星载铷原子钟的研制,天奥电子推出了满足电信、航空、航天及国防应用的系列化铷钟,推动了铷原子钟的产业化,提升了我国国防装备、民用通信核心部件的自主保障能力。
CPT原子钟:CPT原子钟基于原子与激光的相干囚禁理论,是近年发展起来的新型原子钟。由于不再需要传统的微波腔,可采用MEMS、CMOS等制造工艺,具有微型化、低功耗的显著特点,极大地拓展了原子钟的应用领域,代表了原子钟微型化的发展方向。美国的Symmetricom公司已实现SA.45CPT原子钟的批量生产。我国北京大学、武汉物数所和天奥电子等单位相继开展了CPT原子钟的研究工作。
2、晶体器件的技术水平及技术特点
从国内外行业发展来看,晶体器件已由插装式逐步发展到表贴式,晶体频率由低频向高频以及高基频方向发展,晶体制造技术一方面向批量生产、超小型化方向发展,主要以日本厂商为代表,另一方面,产品向以技术见长、品种丰富、特点显著的方向发展,主要以欧美厂商为代表,占据全球主要的中高端市场。我国晶体器件制造商的产能较大,但产品在微型化、高基频、高稳定度、高可靠、抗恶劣环境能力等方面的制造水平上仍存在差距。国内航天203所、天奥电子、晨晶电子、海创电子等单位已在一些晶体器件产品上取得了突破,实现了部分产品的国产化替代。
3、频率组件及设备产品的技术水平及技术特点
频率组件及设备产品基于高精密频率控制与选择技术,伴随着原子钟和高稳晶振的技术进步而同步发展。另外,随着现代通信、电子技术的发展,该类产品不断向着小型化、高性能方向发展。如:频率标准设备随着原子钟、高稳晶振的小型化其体积也不断减小,并逐步作为组件嵌入于其它电子设备;跳频滤波设备随着军用通信组网的性能要求提升,对频率选择带宽、路间隔离度、插入损耗、跳频速度等性能指标要求越来越高,同时产品趋向小型化、轻量化;频率选择与分配设备(Branch)随着移动通信无线传送网的发展,对产品的窄间隔滤波性能、插损一致性、全温滤波特性稳定性等各项电气性能指标都提出了非常苛刻的要求,具有扩展性、互换性并便于安装的高性能产品发展前景良好。
4、时间同步产品的技术水平及技术特点
时间同步产品包括时频板卡及模块、时间同步设备及系统。时间同步产品的技术指标主要取决于采用的频率源的技术指标,因此,时间同步产品大多采用原子钟或高稳晶振、以及高精度的卫星授时模块作为核心部件。目前时间同步产品主要的授时手段有卫星共视比对、卫星双向比对、北斗/GPS卫星授时、NTP/PTP网络授时、B码传输、微波双向比对等方式,同步精度可达纳秒至毫秒量级。
国际上,美国的Symmetricom公司的时间同步产品线较全,技术水平国际领先,产品主要应用于国防、电力及通信领域。国内从事时间同步产品的主要厂家有中元华电、七维航测、天奥电子等公司,其中中元华电时间同步产品主要应用于电力系统,天奥电子时间同步产品系列较为完整,并采用自主研发的原子钟、高稳晶振作为频率源,产品技术水平达国际先进水平。当前,时间同步产品向着高精度、网络化、智能化、多手段同步方向发展。
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