时间频率行业发展历程及现状

来源：中为咨询www.zwzyzx.com 【日期：2015-12-21 17:48:00】【打印】【关闭】

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独立自主的时间频率体系关乎国家安全和核心利益，因此世界各国都投入巨资研究时间频率技术和产品，以求保持领先地位。美国、俄罗斯分别建立了以GPS、GLONASS授时为基础的国家时频体系，拥有并掌控着时频核心技术，实现了时间频率产业化。我国时频行业发展时间较短，基础相对薄弱，授时应用长期依赖GPS，中高端时间频率产品大量依赖进口，存在极大的安全隐患。2000年

后，我国逐步认识到独立自主的时频体系的重要性，决定建立以北斗授时为主的国家时频体系。随着我国信息化建设推进、军民融合国家时频体系建设以及国产化推进工程的实施，国家制定了大量政策专项支持时间频率行业发展，我国时间频率行业发展迈入快速发展时期。

在时间频率产品中，频率产品以原子钟和晶体器件为核心产生稳定的频率信号，频率组件及设备对频率信号进行合成、变换、滤波及放大等处理，产生和输出电子系统所需的各类频率信号，扩展了频率覆盖范围。时间同步产品采用原子钟或高稳晶振作为频率源，产品类型包括板卡、模块、设备及系统。时频板卡及模块可嵌入各用户设备和系统中，并与时间同步设备共同组成时间同步系统。

时间频率行业的核心产品发展情况如下：

1、原子钟

原子钟是现代量子力学和电子学相结合的产物，它利用原子不同能级之间跃迁所发射或吸收的电磁波频率作为标准，具有高准确和高稳定的特点。在原子钟诞生前，人类以地球的自转或公转周期作为时间单位（天文时）。世界上第一台原子钟于1948年问世，由于其准确度不高未能成功取代传统时间基准技术。英国于1955年研制的第一台铯束原子频率标准准确度达到1×10-9，超过了当时天文观测所能达到的水平。时间频率测量领域也因此发生了划时代的变化，由传统的天文学的宏观领域过渡到现代的量子物理学的微观领域。

1967年10月，第13届国际计量会议通过了新的“秒”的定义：“秒是铯133Cs原子基态的2个超精细能级间跃迁辐射振荡9,192,631,770个周期所持续的时间”。现在，时间已进入原子时时代。随着技术不断进步，原子钟的种类也迅速扩展到不同应用领域的铯原子钟、铷原子钟、氢原子钟、CPT原子钟等，原子钟的性能指标被不断地刷新，精度平均每十年提高一个量级。

我国原子钟研究始于20世纪60年代，1969年提出独立自主地建设我国的原子时系统，并陆续研制成功了包括铯、氢和铷等三类原子钟，在当时和美国几乎处于相同技术水平。随后原子钟的研究停滞了较长的时间，导致我国各行业所需的原子钟几乎完全依赖进口。直到2002年召开的“卫星导航星载原子钟与同步技术”香山科学会议，认识到原子钟对卫星导航、未来高技术战争和现代信息技术的重大意义，我国对原子钟的技术研究和产品研制生产重新获得了高度重视。目前，铷原子钟、氢原子钟在国内已实现了批量化生产，而铯原子钟、CPT原子钟在我国尚未实现国产化批量生产，主要依靠进口。

2、晶体器件

晶体器件是用压电石英晶体制成的频率选择与控制器件，主要分为晶体谐振器、晶体振荡器、晶体滤波器三大类。

20世纪20年代，随着军事应用的研究，人们利用石英晶体所具有的压电效应，发明了石英晶体元器件；20世纪50年代，人造水晶开始工业化生产，解决了制造石英晶体元器件的关键材料问题，晶体元器件的制造技术得到了快速发展；20世纪80年代，随着表面组装技术、微电子技术和国际信息产业的发展，促使石英晶体元器件产品由插装式向表贴式方向发展，产品技术性能向高频率、高稳定、高可靠、低相位噪声方向发展，生产工艺技术和生产设备向高度自动化发展。晶体元器件成为电子信息产业发展中不可缺少的重要组成部分。目前，晶体器件生产一方面以日本厂商为代表，向批量生产、超小型化方向发展；另一方面，以欧美厂商为代表，朝着超低相噪、超高稳定度、高可靠方向发展。

我国军用晶体元器件是在上世纪五十年代末期由“两弹一星”重点工程配套而逐步发展壮大起来的。20世纪80年代前，石英晶体元件基本上用于军事，从80年代起大量转为民用。1990年以后，在家电及PC产业、通信大发展的共同推动下，我国晶体器件迎来了发展的黄金时期，引进了几十条国外的晶体生产线。国内企业逐渐以低成本及产量优势占据这一市场。历经十多年的发展，中国大陆已成为全球石英晶体元器件的重要生产基地，但中高端晶体器件仍主要依赖进口。根据中国压电晶体行业协会出具的统计数据显示，2013年压电晶体全行业进出口总额达44.54亿美元，其中出口14.37亿美元，进口为30.17亿美元，其中进口压电晶体主要为应用于通讯、导航等领域的中高端晶体器件。近年来，为确保国防装备自主性和保障能力，我国正大力实施“国产化推进工程”，对关键元器件、部件国产化提出了紧迫的要求。

3、频率组件及设备

以原子钟和晶振等高精度频率源作为基准，通过锁相、分配、放大等处理，输出多路高稳定度、低相噪的标准频率信号，形成了频率标准设备。频率标准设备广泛应用于通信、导航、雷达等电子系统，是伴随着原子钟和高稳晶振的技术进步而同步发展的。

另外，通过对频率信号的合成、变换、滤波及放大等处理，扩展了频率信号的覆盖范围，也扩展了时间频率技术的应用领域。其中在军用通信组网中，为适应跳频通信体制，采用窄带滤波技术并优化频率分配实现了高性能的频率选择和快速频率切换，形成了跳频滤波设备，解决了军用地面、车载、船载、机载通信组网系统中多台设备在共址工作时的电磁兼容问题，提高了系统频率资源的利用率，保障通信链路的正常工作。在民用通信领域，移动通信传送网主要通过光纤和微波进行传输，在无法铺设光纤的场合采用微波方式传输。随着4G通信的到来，采用微波方式的传送网通道数量无法满足日益增长的用户数量和信息容量增加的需求，需要增加通道数来满足扩容需求。为实现多通道信号合成，避免通道之间的相互干扰，必须进行通道之间的频率选择和分配。为此，国内外通信设备厂商研制了频率选择与分配设备（Branch）。国外产品主要有日本的NEC公司等进行批量生产，国内天奥电子已为华为公司批量配套。

4、时间同步产品

高精度授时是实现时间同步的关键，世界主要发达国家都高度重视授时系统建设。1957年，美国在东海岸建成了第一个罗兰-C导航授时台链，开展利用长波进行无线电导航、授时服务。1973年，美国开始建设全球定位系统（GPS），于1995年4月宣布达到全运行能力，于1996年宣布GPS为军民两用系统，GPS逐渐从军用扩展至民用，目前GPS授时已成为当前国际上广泛使用的时间同步技术。20世纪70年代起，我国先后建立了独立的原子时系统以及长波、短波授时系统、北斗卫星导系统等国家科学工程重要基础设施，形成了以卫星授时为主，地面授时为辅的授时体系。由于北斗卫星授时具有自主可控、授时精度高、覆盖地域广、使用方便等优点，在军民用领域得到了广泛应用。

我国时间同步系统是随着导弹、航天靶场试验等国防科研的需要而发展起来的。20世纪80年代，国内企业采用符合国际规范的IRIG-B时间码研制出我国第一代B码标准化冗余时统，建立了“主站时统设备＋终端”的时间同步系统，提高了国防科研试验时间同步系统的可靠性。另外，近年出现的PTP精密时间同步是一种高精密的网络时间同步技术，已成为网络时间同步的发展方向，美国已将PTP技术作为下一代网络的时间传递核心技术。随着我国科学技术和国防科技的发展，越来越多的军事和民用部门需要高精度时间频率的统一，小型化、网络化的板卡、模块、设备等时间同步产品在国防以及通信、电力、交通等国民经济重要领域得到了广泛的应用。